生物質(zhì)與煤共氣化特性研究

第32卷第4期煤炭轉化Vol 32 No 42009年10月COAL CONVERSION生物質(zhì)與煤共氣化特性研究宋新朝)王芙蓉趙霄鵬張永奇2)畢繼誠?摘要在熱天平裝置中研究了生物質(zhì)焦、煤焦以及生物質(zhì)焦與煤焦混合物的水蒸氣氣化特采用程序升溫熱重法對生物質(zhì)焦(稻稈焦、高粱稈焦和玉米稈焦)、神木煤焦以及生物質(zhì)焦與煤焦混合物進(jìn)行了水蒸氣氣化實(shí)驗.結果表明,生物質(zhì)焦和煤焦在一定溫度下的氣化速率為:高梁焦>稻稈焦>玉米焦>神木煤焦.并對三種生物質(zhì)焦、煤焦、生物焦和煤焦混合物的水蒸氣氣化反應進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,分析認為,連續反應模型可以在一定程度上反應焦樣的水蒸氣氣化反應動(dòng)力學(xué)關(guān)鍵詞生物質(zhì),煤,共氣化中圖分類(lèi)號TQ5450引言稈焦和玉米稈焦)、煤焦及兩者混合物的水蒸氣氣化實(shí)驗.實(shí)驗在上海天平儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的ZRP一2P型熱生物質(zhì)作為一種可再生能源,其高效潔凈利用分析儀上進(jìn)行,在原熱天平上增加了水蒸氣發(fā)生器,日益受到人們的關(guān)注生物質(zhì)的熱解氣化是一種高裝置見(jiàn)圖1.將稻稈(D)、高粱稈(G)、玉米稈(Y)和效的能源利用方式,可以生產(chǎn)燃料氣或化學(xué)合成氣我國農作物秸稈產(chǎn)量大,高效潔凈的大規模利用技術(shù)落后12,致使生物質(zhì)資源浪費嚴重生物質(zhì)的能量密度低,單獨氣化溫度較低,氣化時(shí)生成較多的焦油,不僅降低了生物質(zhì)的利用效率,而且對氣化過(guò)程的穩定運行造成不利影響;此外,生物質(zhì)的供給受到季節的影響,使生物質(zhì)單獨氣化的規模受到限制.煤圖1熱天平裝置的氣化溫度高,生物質(zhì)與煤共氣化通過(guò)提高氣化溫Fig. I Schematic diagram of the thermogravimetric度,不僅可以提高生物質(zhì)的氣化效率減少焦油的生成,而且可以解決生物質(zhì)供給的季節性問(wèn)題,為生物-Electric heater: 2-Nitrogeni 3--TG signal: 4質(zhì)的高效利用提供一條新的技術(shù)途徑已有研究表Steam generation: 5-Computer: 6--Sample明,生物質(zhì)與煤共氣化過(guò)程可能具有協(xié)同作用,神木煤(SM)分別放在帶有蓋子的器皿中放入馬弗主要是因為生物質(zhì)具有較高的揮發(fā)分含量、生物質(zhì)爐中,在900℃下恒溫放置7min左右,制得稻稈焦焦具有較高的反應性以及生物質(zhì)灰中的堿金屬對煤(DJ)、高粱稈焦(G)、玉米稈焦(YJ)和神木煤焦焦氣化過(guò)程有很好的催化作用.56國內外對生物(SMJ).焦樣經(jīng)研磨,取80目以下的樣品作為熱重實(shí)質(zhì)與煤的共氣化研究目前仍停留在實(shí)驗室階段小型驗用料.稻稈焦(DJ)高粱稈焦(G)、玉米稈焦(YJ)分中試階段本文采用熱天平考察了三種農作物秸稈別與神木煤焦(SM)以1:4的質(zhì)量比混合均勻,樣焦和一種煤焦及其混合物的水蒸氣氣化特性,旨為品分別記作DSM,GSM和YSM,作為混合物共氣生物質(zhì)與煤混合物的流化床氣化提供一些基礎化原料樣品的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)第45頁(yè)表1數據2結果與討論實(shí)驗部分為了考察不同生物質(zhì)及生物質(zhì)與煤混合物的氣2.1生物質(zhì)焦和煤焦的單獨氣化化特性,在熱天平上進(jìn)行了生物質(zhì)焦(稻稈焦、高粱中國煤化工進(jìn)行,每次放樣約CNMHG國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項日(2007AA05Z327)1)碩士山西晉城無(wú)煙煤礦業(yè)集團有限責任公司,048006山西晉城;2)教授,中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所,030001太原收稿日期:200907-10;修回日期:20090830第4期宋新朝等生物質(zhì)與煤共氣化特性研究4表1生物質(zhì)和煤及其焦樣的工業(yè)分析和元素分析(%,adTable 1 Proximate and ultimate analysis of biomassand coal and their char(%.,ad)Proximate analysiUltimate analysisY6.676.1469.5617.6342.304.6638.521.130.58D5.5812.0665.2317.1338.614.2837.741.080.65SM8.765.5832.4153.2573.084.524.580.980.3000是是時(shí)上00750800850900950100010501100GJ1.1231.874.3262.6953.900.4010.781.100.83Y0.9725.832.6170.5966.230.354.521.230.87D0.8941.322.2355.5651.220.493.881.111.10圖3焦樣反應速率溫度關(guān)系SM0.879.141.49865087.070.400.26.410.8Fig 3 Relationship between char reactionPercent of weight10mg,水蒸氣流量為25mL/min,氮氣流量為依次增大的順序為GJ>D>YJ.生物質(zhì)因其種類(lèi)75mL/min實(shí)驗在室溫到1200℃之間進(jìn)行,升溫不同,其所含纖維素、半纖維素及木質(zhì)素的量和結構速率20℃/min.根據熱重儀得出的相關(guān)原始數據,也不同,所含礦物質(zhì)的種類(lèi)和量也不同,都將導致氣由式(1)計算焦樣-水蒸氣氣化碳轉化率X,繪出碳化反應速率的不同轉化率溫度關(guān)系圖(見(jiàn)圖2)由連續反應模型方程2.2生物質(zhì)焦與煤焦的共氣化式(2)計算焦樣的反應速率k,繪出反應速率溫度關(guān)系圖(見(jiàn)圖3)在生物質(zhì)焦與煤焦共氣化時(shí),采用生物質(zhì)焦與煤焦的質(zhì)量比為1:4,實(shí)驗條件與單獨氣化的條件100%(1)相同.由式(1)計算焦樣水蒸氣氣化碳轉化率X結果見(jiàn)圖4.由圖4可以看出,三種生物質(zhì)焦與煤焦混▲-DSMI圖2顯示出三種生物質(zhì)焦和神木煤焦在水蒸氣氣氛下氣化的熱失重過(guò)程碳轉化率隨溫度的變化關(guān)系.由圖2可知,生物質(zhì)焦的氣化溫度低,三種生物是匙圖4焦樣水蒸氣氣化碳轉化率溫度關(guān)系Fig 4 Relationship between carbon conversionfraction and temperature800900t/℃合物的失重過(guò)程基本一致,主要因為混合物中煤焦的重量比較大,占80%由圖4還可以看出,相同溫圖2焦樣水蒸氣氣化碳轉化率溫度關(guān)系度下混合焦轉化率增大的順序為GSM>DSMJ>2 Relationship between carbon conversionfraction and temperatureYSMJ,與生物質(zhì)焦反應速率的順序相同. Robert質(zhì)焦約在700℃左右就開(kāi)始發(fā)生氣化反應而煤焦等”研究表明富含鉀的生物質(zhì)與煤共氣化時(shí),生物在80℃才開(kāi)始與水蒸氣反應圖3顯示出生物質(zhì)質(zhì)中的鉀對煤焦的氣化起催化作用,本實(shí)驗所用生焦和煤焦的反應速率溫度關(guān)系由圖3可知,隨溫物質(zhì)中,G的鉀含量最大(3.93%),而YJ的鉀含度升高反應速率加快,相同溫度下三種生物質(zhì)的氣量最小(.18%),實(shí)驗結果可能與堿金屬的催化作化反應速率均大于煤焦.由工業(yè)分析可以看出,三種用有關(guān)生物質(zhì)的揮發(fā)分含量相差不大但都遠大于神木煤.23M凵中國煤化工勿的水蒸氣氣化動(dòng)而在制焦過(guò)程中,大量揮發(fā)分的脫除使生物質(zhì)焦的CNMHG孔比表面積增大,氣化劑易與固體表面接觸所以反0℃到1050℃實(shí)驗結果得到焦樣碳轉化應速率較快.三種生物質(zhì)焦一定溫度下的氣化速率率和時(shí)間的關(guān)系,由連續反應模型方程式(2)得到反46煤炭轉化2009年應速率k,根據 Arrhenius方程式(3)得到lnk與表2焦樣水蒸氣氣化連續反應模型的動(dòng)力學(xué)參數值1/T的關(guān)系式(4)繪制出lnk與1/T的關(guān)系圖,結Table 2 Kinetic parameters of chars during steamsification for the homogeneous model果見(jiàn)圖5,可求得焦樣水蒸氣氣化反應的活化能EActivation energy/和指前因子A,結果見(jiàn)表22.715X1k=Aexp(DT)(3)7,430×1052.300X10Ink=InA-RT8.304×1092.820×104.303×103三種混合焦水蒸氣氣化反應活化能增大的順序為DSMJ稻稈焦>玉米稈焦>神木煤反映了焦樣的水蒸氣氣化反應動(dòng)力學(xué),可作為求解焦對三種生物質(zhì)焦煤焦及其混合物的水蒸氣氣化動(dòng)力學(xué)參數的模型.三種生物質(zhì)焦和煤焦水蒸氣氣反應進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,結果表明,連續反應模型可化反應活化能增大的順序為D