煤與生物質水蒸氣共氣化反應特性及機理研究.pdf

1、生物質作為一種可再生清潔能源具有硫含量低、二氧化碳“零排放”等特點，已得到越來越多研究者的關注。然而生物質單獨作為燃料直接利用（如燃燒）或間接利用（如氣化、液化等熱轉化）還存在諸多問題，如單位體積發(fā)熱量低、氣化液化產品品質較差等，煤與生物質共氣化是解決上述問題的有效途徑之一。由于煤與生物質共氣化的交互作用導致反應過程非常復雜，因此開展煤與生物質共氣化反應特性及機理研究，對煤與生物質的潔凈高效利用十分必要。本文以我國三種典型煤和三種常見生

2、物質為研究對象，對煤與生物質共熱解、共氣化特性及其動力學開展研究，探討轉化過程中產物釋放，同時對焦炭顆粒的表面形態(tài)結構和焦炭碳骨架的演變機制進行了詳細分析，揭示了煤與生物質共氣化協(xié)同反應特性及反應機制。本文主要展開了如下幾個方面的工作。
　　研究了三種煤（褐煤、煙煤和貧煤）與三種生物質（木屑、稻稈和玉米稈）及其混合樣的共熱解特性，采用TGA-FTIR聯(lián)用技術對共熱解產物釋放特性進行在線分析，對生物質和煤在轉化過程中的協(xié)同效應和動力

3、學進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)褐煤與木屑共熱解的揮發(fā)分開始析出的溫度和最大失重峰溫度都明顯低于純褐煤；隨著反應溫度的升高，生物質對共熱解過程的促進作用更加顯著；質量摻混比在某一范圍內，兩者的協(xié)同作用最為顯著；煤與生物質共熱解協(xié)同作用對氣態(tài)產物中CO、CO2和CH4等的影響較為明顯，而對含芳環(huán)結構化合物的影響程度較弱；利用DAEM法計算了煤與生物質共熱解活化能隨溫度和轉化率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)活化能不是簡單地隨反應的加深而單調遞增，而是隨轉化率變化的

4、一個函數(shù)；在相同條件下，共熱解的活化能在木屑和褐煤單獨熱解所需活化能之間，并根據(jù)褐煤與木屑摻混反應活化能的變化特征證明協(xié)同效應的存在。
　　研究了三種煤和三種生物質及其混合樣的水蒸氣共氣化反應特性。研究發(fā)現(xiàn)三種生物質中木屑與褐煤混合物共氣化過程中也存在協(xié)同效應，并在兩者摻混比在一定范圍時協(xié)同效應最顯著；通過比較動力學參數(shù)發(fā)現(xiàn)褐煤中摻混木屑降低了共氣化反應的活化能；煤與生物質共氣化協(xié)同作用對氣態(tài)產物中CO釋放的影響較為明顯。

5、　　采用氮氣等溫吸附/脫附分析法、傅里葉紅外分析和拉曼光譜分析等對煤與生物質共氣化焦的結構進行了詳細表征，深入分析了煤與生物質共氣化過程中焦顆粒物理化學結構的演化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)熱解階段混合焦中孔隙特性表現(xiàn)出隨機生長模式；氣化階段氣化劑首先在中孔和微孔區(qū)域與焦炭上的活性點發(fā)生氣固反應并形成中孔，共氣化焦活性點消耗完畢后氣化劑則對焦炭碳骨架進行侵蝕，中孔再逐步匯聚直至碳骨架坍塌。促使共氣化反應活性點增加的主要原因是生物質羥基的引入?；诠矚?/p>

6、化焦理化特性分析，發(fā)現(xiàn)溫度是控制氣化焦炭內部結構轉變路徑的主要因素，得出整個共氣化過程可分為三個階段：a.600℃以前發(fā)生的縮聚反應快于小分子氣化反應階段；b.600℃~900℃之間發(fā)生的小分子氣化反應為主體的氣化階段；c.900℃以上發(fā)生的大分子碳骨架直接被氣化消耗階段。
　　最后在自行設計搭建的小型臺架上開展了煤與生物質的水蒸氣共氣化實驗。結果發(fā)現(xiàn)隨著木屑摻混比例的升高，共氣化產氣中 H2和CO2的含量增大，CO和CH4的含量

7、降低，碳轉化率和氣化效率隨著木屑摻混比例增加而先升后降，并在質量摻混比一定范圍時達最大值，協(xié)同效應表征參數(shù)也在該范圍時達最大，表明此時木屑與褐煤的共氣化協(xié)同效應最顯著；不同煤種和生物質種類對共氣化氣體產率影響明顯，其中最低階的褐煤與木屑共氣化協(xié)同作用最為明顯，兩者共氣化氣體產量最高，碳轉化率最大。利用 ASPEN PLUS軟件建立了煤與生物質小型臺架共氣化的反應模型，模擬計算結果與實驗結果有較好的一致性。
　　本論文通過對煤與生物