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C0AI. CONVERSIONOet, 2009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性.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)焦與堞焦混合物進(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TQ545稈焦和玉米稈焦)、煤焦及兩者混合物的水蒸氣氣化)引.言實(shí)驗.實(shí)驗在上海天平儀器廠(chǎng)生產(chǎn)的ZRP-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.3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1.2],致使生物質(zhì)資源浪費嚴重.生物質(zhì)的能之量密度低,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. 1 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apparatus成，而且可以解決生物質(zhì)供給的季節性問(wèn)題,為生物1-- Eletric heater;2-- Nittrogen;13--- 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;5一- 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0.0，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 C下恒溫放置7 min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(DI)、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.(5.6]國內外對生物(SM]).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(D])、高粱稈焦(GJ)、玉米稈焦DJ> YJ.生物質(zhì)因其種類(lèi)75 ml/min.實(shí)驗在室溫到1 200 C之間進(jìn)行，升溫不同,其所含纖維素、半纖維素及木質(zhì)索的量和結構速率20C/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,繪出反應速率溫度在生物質(zhì)焦與煤焦共氣化時(shí),采用生物質(zhì)焦與.關(guān)系圖(見(jiàn)圖3).煤焦的質(zhì)量比為1: 4,實(shí)驗條件與單獨氣化的條件W.- W.x= W.(I-V-A)X100%(1)相同.由式(1)計算焦樣-水蒸氣氣化碳轉化率X,結dx果見(jiàn)圖4.由圖4可以看出,三種生物質(zhì)焦與煤焦混(2)k= dr(1-x) .00F圖2顯示出三種生物質(zhì)焦和神木煤焦在水蒸氣叫三器氣氛下氣化的熱失重過(guò)程碳轉化率隨溫度的變化關(guān)30一系.由圖2可知,生物質(zhì)焦的氣化溫度低,三種生物0-1020-DJ- SMU;J一YJ60-750 800850900 950 1000 105011001150u/C40-圖4焦樣水蒸氣氣化碳轉 化率溫度關(guān)系莒20-Fig. 4 Relationship between carbon conversionfraction and temperature60070080090010011001200合物的失重過(guò)程基本一致,主要因為混合物中煤焦1/C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GSMJ> DSMJ>Fig. 2 Relationship between carbon conversionYSMJ,與生物質(zhì)焦反應速率的順序相同.Robert質(zhì)焦約在700 "C左右就開(kāi)始發(fā)生氣化反應,而煤焦等[5]研究表明,富含鉀的生物質(zhì)與煤共氣化時(shí),生物在850 C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,GJ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(1.18%),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.2.3生物質(zhì)焦和煤焦 及其混合物的水蒸氣氣化動(dòng)而在制焦過(guò)程中,大量揮發(fā)分的脫除使生物質(zhì)焦的力學(xué)分析孔比表面積增大,氣化劑易與固體表面接觸，所以反由800C到1050C實(shí)驗結果得到焦樣碳轉化應速率較快.三種生物質(zhì)焦-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Ink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Ink與1/T的關(guān)系圖,結Table 2 Kinetic parameters of chars during steamgasification 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/Pre exponential factor/和指前因子A,結果見(jiàn)表2.Sample(kJ : mol-)GJ181.72. 715X107k=Aexp(云)(3)D149.57, 430X105YJ188.82.300X I07Ink=InA- R(4)SMJ261.18.304X 109GSMJ247.4 .2. 820X109DSMJ227.34. 303X I04252. 14.379X109三種混合焦水蒸氣氣化反應活化能增大的順序為DSMU首-YSMUDSMJ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DJ