第32卷第4期煤炭轉化Vol. 32 No.42009年10月C0AI. CONVERSIONOet, 2009生物質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焦、煤焦以及生物質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焦(稻稈焦、高粱稈焦和玉米稈焦)、神木煤焦以及生物質焦與堞焦混合物進行了水蒸氣氣化實驗.結果表明,生物質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.并對三種生物質焦、煤焦、生物焦和煤焦混合物的水蒸氣氣化反應進行:了動力學分析,分析認為,連續(xù)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力學.關鍵詞生物質,煤,共氣化中圖分類號TQ545稈焦和玉米稈焦)、煤焦及兩者混合物的水蒸氣氣化)引.言實驗.實驗在上海天平儀器廠生產的ZRP-2P型熱生物質作為一種可再生能源,其高效潔凈利用分析儀上進行,在原熱天平上增加了水蒸氣發(fā)生器，日益受到人們的關注.生物質的熱解氣化是一種高裝置見圖1.將稻稈(D)、高粱稈(G)、玉米稈(Y)和效的能源利用方式,可以生產燃料氣或化學合成氣.3我國農作物秸稈產量大，高效潔凈的大規(guī)模利用技術落后1.2],致使生物質資源浪費嚴重.生物質的能之量密度低,單獨氣化溫度較低,氣化時生成較多的焦油,不僅降低了生物質的利用效率,而且對氣化過程的穩(wěn)定運行造成不利影響;此外,生物質的供給受到季節(jié)的影響,使生物質單獨氣化的規(guī)模受到限制.煤圖1熱天平裝置的氣化溫度高,生物質與煤共氣化通過提高氣化溫Fig. 1 Schematic diagram of the thermogravimetric度,不僅可以提高生物質的氣化效率,減少焦油的生apparatus成，而且可以解決生物質供給的季節(jié)性問題,為生物1-- Eletric heater;2-- Nittrogen;13--- TG signal;4-質的高效利用提供一-條新的技術途徑.已有研究表Steam generation;5一- Computer:6-- Sample明,生物質與煤共氣化過程可能具有協(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具有較高的揮發(fā)分含量、生物質爐中,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程有很好的催化作用.(5.6]國內外對生物(SM]).焦樣經研磨,取80目以下的樣品作為熱重實質與煤的共氣化研究目前仍停留在實驗室階段小型驗用料.稻稈焦(D])、高粱稈焦(GJ)、玉米稈焦DJ> YJ.生物質因其種類75 ml/min.實驗在室溫到1 200 C之間進行，升溫不同,其所含纖維素、半纖維素及木質索的量和結構速率20C/min.根據(jù)熱重儀得出的相關原始數(shù)據(jù)，也不同,所含礦物質的種類和量也不同,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-溫度關系圖(見圖2).由連續(xù)反應模型方程2.2生物質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焦與煤焦共氣化時,采用生物質焦與.關系圖(見圖3).煤焦的質量比為1: 4,實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果見圖4.由圖4可以看出,三種生物質焦與煤焦混(2)k= dr(1-x) .00F圖2顯示出三種生物質焦和神木煤焦在水蒸氣叫三器氣氛下氣化的熱失重過程碳轉化率隨溫度的變化關30一系.由圖2可知,生物質焦的氣化溫度低,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 化率溫度關系莒20-Fig. 4 Relationship between carbon conversionfraction and temperature60070080090010011001200合物的失重過程基本一致,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,與生物質焦反應速率的順序相同.Robert質焦約在700 "C左右就開始發(fā)生氣化反應,而煤焦等[5]研究表明,富含鉀的生物質與煤共氣化時,生物在850 C才開始與水蒸氣反應.圖3顯示出生物質質中的鉀對煤焦的氣化起催化作用.本實驗所用生焦和煤焦的反應速率-溫度關系.由圖3可知，隨溫物質中,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的氣量最小(1.18%),實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.生物質的揮發(fā)分含量相差不大,但都遠大于神木煤.2.3生物質焦和煤焦 及其混合物的水蒸氣氣化動而在制焦過程中,大量揮發(fā)分的脫除使生物質焦的力學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實驗結果得到焦樣碳轉化應速率較快.三種生物質焦-定溫度下的氣化速率率和時間的關系,由連續(xù)反應模型方程式(2)得到反46煤炭轉化2009年應速率k,根據(jù)Arrhenius方程式(3)得到Ink與表2焦樣水蒸氣氣化連續(xù)反應模型的動力學參數(shù)值1/T的關系式(4).繪制出Ink與1/T的關系圖,結Table 2 Kinetic parameters of chars during steamgasification for the homogeneous model果見圖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力學,可作為求解焦.對三種生物質焦、煤焦及其混合物的水蒸氣氣化動力學參數(shù)的模型.三種生物質焦和煤焦水蒸氣氣反應進行了動力學分析,結果表明,連續(xù)反應模型可化反應活化能增大的順序為DJ