煤與稻草共熱解特性研究

應用能源技術(shù)2014年第5期(總第197期)doi:10.3969/j.iss.1009-3230.2014.05.012煤與稻草共熱解特性硏究趙曉倩2,陳宏振(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇徐州22l1162.徐州市生物質(zhì)能源工程技術(shù)研究中心,江蘇徐州221116)摘要:用熱重法研究不同煤化程度煤與稻草共熱解特性。結果表明:煤與稻草共熱解的TG曲線(xiàn)隨稻草摻泯比例的增加向低溫區移動(dòng),趨近稻草單獨熱解的TG曲線(xiàn);DG曲線(xiàn)主要熱解階段的兩個(gè)區間曲線(xiàn)和特征參數分別與稻草、煤?jiǎn)为殶峤獾南嗨?。通過(guò)對熱解特征參數實(shí)際值和理論值的對比,稻草對共熱解過(guò)程有一定的促進(jìn)作用,而煤對共熱解過(guò)程則沒(méi)有表現出明顯作用。關(guān)鍵詞:煤;稻草;共熱解中圖分類(lèi)號:TQ530.2,S216.2文獻標志碼:A文章編號:1009-3230(2014)05-0044-0Study on the Co-pyrolysis Characteristics of Coal and StrawZHAo XiaoCHEN Hong-zhe(1. Jiangsu Jianzhu Institute, Xuzhou 221116, China2. Xuzhou Engineering Research Center for Biorefinery, Xuzhou 221116, China)Abstract: Study the co- pyrolysis characteristics of different degrees of coalification coal and strawThe results show that with the increase of the mixing ratio of straw, the tG curve of co- pyrolysis ofcoal and straw move to low temperature area integrally, approaching the TG curve of straw; Twointerval curves and characteristics parameters of the main pyrolysis stage of dtG curves similar tostraw,coal pyrolysis alone. Based on comparison of the actual and theoretical values of the pyrolysicharacteristics parameters, rice straw has a certain role to the pyrolysis of coal, but the coal show noeffect on pyrolysis of rice straw.Key words: Coal; Straw; Co-pyrolys0引言低、運輸困難等缺點(diǎn),其產(chǎn)業(yè)化規模較低,因此研我國生物質(zhì)資源豐富據測算我國現有生物究利用生物質(zhì)能源具有促進(jìn)經(jīng)濟和保護環(huán)境的重質(zhì)資源量約54億t標準煤,可用生物質(zhì)能資源大意義。煤和生物質(zhì)的混合利用技術(shù)不僅可以高量約2.9億t標準煤,估計2050年我國生物質(zhì)資效利用生物質(zhì)能、節約煤炭資源,還可以減輕環(huán)境源理論值最高可達14億t標準煤,可供清潔能源污染,是現階段一種低成本、大規模利用生物質(zhì)能化利用的生物質(zhì)能資源潛力最高可達89億t標源的可行方案。準煤。然而生物質(zhì)能源由于分布廣、能量密度近年來(lái),國內外研究者對煤與生物質(zhì)混合物共熱解過(guò)程中的協(xié)同反應進(jìn)行了大量研究,但對收稿日期:2014-03-10修訂日期:2014-04-基金項目:徐州市科技計劃項目(項目編號:XM12B104)協(xié)同反應的機理認識尚有所不同,普遍存在兩種作者簡(jiǎn)介:趙曉倩(1986-),女江蘇豐縣人漢族碩土研觀(guān)點(diǎn):一種是認為煤與生物質(zhì)共熱解過(guò)程存在協(xié)究生,主要從事生物質(zhì)能研究。2014年第5期(總第197期)應用能源技術(shù)同反應2-4,一種認為煤與生物質(zhì)共熱解只是兩12試驗設備與方法種物質(zhì)熱解過(guò)程的簡(jiǎn)單疊加,并沒(méi)有協(xié)同作熱解設備為STA409PC同步熱分析儀。試用8。文中通過(guò)將不同煤化程度煤與稻草進(jìn)行樣質(zhì)量10±0.1mg,混合組分按照配比進(jìn)行稱(chēng)共熱解試驗研究煤與稻草的共熱解特性,并通過(guò)量;試驗氣氛為高純氮氣(N2),氮氣流量30對熱解特征參數的研究,探討共熱解過(guò)程中可能mL/min;選用20℃/min的升溫速率,從室溫存在的協(xié)同作用。加熱到1000℃。在試樣熱解前,先用空白樣1試驗原料、設備與方法做基線(xiàn)。11試驗原料2試驗結果與分析試驗所用無(wú)煙煤取自山西陽(yáng)泉;煙煤取自江在研究煤與稻草共熱解過(guò)程中,由于試驗因蘇沛縣;褐煤取自?xún)让晒哦鯛柖嗨?稻草取自安徽素較多,樣品名稱(chēng)較復雜,為了便于表示,本文采蕪湖。原料粉碎后篩取0.2mm以下粒徑。原料用代號對混合樣品進(jìn)行表示,其中字母是原料拼工業(yè)分析結果見(jiàn)表1。音首字母,百分比代表原料在混合樣品中所占比表1原料工業(yè)分析結果例,如H70D30的含義是混合樣品中褐煤比例原料名稱(chēng)水分/%灰分/%揮發(fā)分/%固定碳/%70%、稻草比例30%。3.6110.1281.062.1無(wú)煙煤與稻草共熱解過(guò)程分析煙煤27.8644.91圖1為無(wú)煙煤與稻草在不同摻混比例時(shí)共熱褐煤18.4225.0122.5434.03稻草8.1211.5解的TG-DTG曲線(xiàn),如圖1所示。6.4113.93.- W90D10-W70DW90D10無(wú)煙煤H-W80D20稻W(wǎng)70D30600℃T圖1無(wú)煙煤與不同比例稻草共熱解TG-DTG曲線(xiàn)隨著(zhù)稻草摻混比例的增加,混合樣品的失重增大,主要熱解失重區域對應的峰愈來(lái)愈明顯。率增大,TG曲線(xiàn)整體向低溫區移動(dòng),趨近稻草單煤與生物質(zhì)共熱解過(guò)程中的最大失重速率獨熱解的TG曲線(xiàn)。通過(guò)DTG曲線(xiàn)可以看出隨DTGm和對應的峰值溫度T是熱解的重要特征著(zhù)稻草摻混比例的增加,共熱解的失重速率逐漸參數實(shí)際最大失重速率DT℃-和理論計算最大應用能源技術(shù)2014年第5期(總第197期)失重速率DTG-x以及實(shí)際失重率(用W表示)10%,其所對應的峰值溫度逐漸增大并接近稻草和理論計算失重率(用啊表示)是反應生物質(zhì)單獨熱解時(shí)的峰值溫度,樣品失重率W比其對摻混比例對共熱解影響的重要指標。應的W增加約0.4%、7.3%和7.4%。這可能理論計算最大失重速率DT℃Cm采用公式1是由于稻草開(kāi)始熱解溫度較煤低,產(chǎn)生的富氫小進(jìn)行折算:分子或自由基可促進(jìn)無(wú)煙煤的熱解DTGimar 5. DTGmmas +5, DTGma o (1)總體來(lái)說(shuō)無(wú)煙煤與稻草共熱解過(guò)程是分段體理論計算失重率W用公式2進(jìn)行折算:現煤與稻草的熱解過(guò)程,稻草與無(wú)煙煤的共熱解W=nWn+5W,。(2)有一定協(xié)同作用,且稻草比例越大,協(xié)同作用越明式中:DTGm是理論計算最大失重速率,%/min;顯。DTGm和DTGm是煤和生物質(zhì)單獨熱解時(shí)的最表2試樣熱解特征參數及失重率大失重速率,%/min;W是理論計算失重率,%;WLn和W是煤和生物質(zhì)單獨熱解時(shí)的失重試樣(%/min)(%/min)/℃率,%;和是煤和生物質(zhì)在混合物中所占的比無(wú)煙煤0.230.23630947n47n例,%。W90D101.71326.111.2411.19表2列出了不同摻混比例稻草與無(wú)煙煤共熱W80003.373.03.818%1.67解過(guò)程中的特征參數和失重率?？梢钥闯?稻草W70D304.96331.425.9224.14摻混比例為10%、20%和30%時(shí),最大失重速率稻草15.1715.17332.169.4969,49D7Gm分別比其對應的DTG=大14%、12%和22煙煤與稻草共熱解過(guò)程分析圖2為煙煤與稻草在不同摻混比例時(shí)共熱解的TG-DTG曲線(xiàn)9080Y90D10Y80D20Y70D308Y90D1050-Y80D20+Y70D3040—°劉稻草100020400600000Temperature℃)Temperature(℃)圖2煙煤與不同比例稻草共熱解TG-DG曲線(xiàn)表3列出了不同摻混比例稻草與煙煤共熱解主要失重階段有兩個(gè)失重區間,故對兩個(gè)區間的的特征參數及失重率。由于煙煤與稻草共熱解的熱解特征參數分別進(jìn)行分析。2014年第5期(總第197期)應用能源技術(shù)表3試樣熱解特征參數及失重(%6/min)DTG%試樣WL(%)W(%)區間1區間2區間1區間2又間1區間2煙煤3.853.85Y90D1033.933.2837.06Y70D03.0033145.47稻草15.1769結合圖2和表3可以看出:隨著(zhù)稻草摻混比解;第二個(gè)區間(380~600℃)與煙煤?jiǎn)为殶峤鈪^例的增加,煙煤與稻草共熱解的TG曲線(xiàn)整體向間大體相同,Y90D10和Y80D20的DT℃a小于低溫區移動(dòng),開(kāi)始熱解的溫度降低;煙煤與稻草共DTG-,Y70D30的DT℃略高于DTGm,DTG曲熱解的W均高于W,且隨稻草比例增加,阢值線(xiàn)的失重速率沒(méi)有隨著(zhù)稻草摻混比例的增加而明增大,阢與W的比值也增加。在煙煤與稻草共顯增大。在600℃以后,TG曲線(xiàn)的失重趨勢一熱解的主要失重階段(185-600℃),出現了兩段致,DTG曲線(xiàn)變化也沒(méi)有明顯差異。劇烈失重區間第一個(gè)區間(185~380℃)與稻草說(shuō)明煙煤與稻草共熱解過(guò)程中基本上是分階單獨熱解的失重區間大體相同,稻草比例為段體現稻草與煙煤的熱解煙煤與稻草的共熱解過(guò)10%、20%和30%時(shí),其DGm分別比DGm大程有一定協(xié)同作用,尤其在稻草主要熱解區間協(xié)同6%、14%和21%;且稻草摻混比例愈大,其對應作用明顯,且隨稻草比例的增加協(xié)同作用增強。的峰值溫度T。越接近稻草單獨熱解時(shí)的T,2.3褐煤與稻草共熱解過(guò)程分析DTG曲線(xiàn)上的肩峰也越明顯,這可能是由于稻草圖3為褐煤與稻草在不同摻混比例下共熱解熱解產(chǎn)生的富氫小分子或自由基可促進(jìn)煙煤的熱的T-DTG曲線(xiàn)。H90D10H80D20H70D30●H90D1050-H80D20H70D3012稻草6001000c(℃)圖3褐煤與不同比例稻草共熱解TG-DTG曲線(xiàn)表4列出了不同摻混比例稻草與褐煤共熱解主要失重階段有兩個(gè)失重區間,故對兩個(gè)區間的的特征參數及失重率。由于褐煤與稻草共熱解的熱解特征參數分別進(jìn)行分析。48應用能源技術(shù)2014年第5期(總第197期)表4試樣熱解特征參數及失重率%/min)TG(%/minTn(℃)試樣WL(%)W(%)區間1區間2區間1區間2區間1區間2褐煤1.56H90D102.241.441.4146.1647,213.29454H70D301.43稻草15.1715.1733169.4969.49結合圖3和表4可以看出:隨著(zhù)稻草摻混比(2)通過(guò)對熱解特征參數實(shí)際值和理論值的例的增加,TG曲線(xiàn)整體向低溫區移動(dòng),阢均小于對比,稻草對煤的熱解有一定的促進(jìn)作用。Wj,這可能是由于褐煤變質(zhì)程度低,灰熔點(diǎn)低,當(3)煤化程度對煤與稻草共熱解過(guò)程的影響稻草摻混比例增加時(shí),稻草軟化、黏附并覆蓋在褐并不明顯,對稻草的熱解過(guò)程沒(méi)有表現出明顯的煤表面,阻礙了褐煤熱解揮發(fā)分的逸出和擴促進(jìn)作用。散?。褐煤與稻草共熱解的DTG曲線(xiàn)的第一個(gè)參考文獻失重區間與稻草單獨熱解的區間大體相同,[1]中國能源中長(cháng)期發(fā)展戰略研究項目組中國能源中H90D10和H8OD20的DTGa要大于D7℃mx,而長(cháng)期(2030、2050)發(fā)展戰略研究一可再生能源卷H70D30的DTGm稍低于DTGm,并且其對應的[M].北京:科技出版社,2011最大失重溫度T基本上與稻草單獨熱解的T[2] Sjstrm K, Chen G, Yu Q, etal. Promoted reactivity of相同,說(shuō)明該區間主要是稻草的熱解并且較低比ification of biomass and coal Syrin the thermo chemical process[J ]. Fuel, 1999, 78例稻草的加入可以在一定程度上促進(jìn)該區間內褐(10):1189-1194.煤的熱解。第二個(gè)失重區間與褐煤?jiǎn)为殶峤鈪^間[3]王鵬,文芳,邊文,等.煤與生物質(zhì)共熱解特大體相同,稻草摻混比例增加,最大失重速率基本性初步研究[J].煤炭轉化,2008,31(4):40沒(méi)有變化,DTGm與D7℃m基本相同其對應的4]武宏香李海濱趙增立煤與生物質(zhì)熱重分析及動(dòng)峰值溫度低于褐煤?jiǎn)为殶峤鈺r(shí)的峰值溫度。力學(xué)研究[J].燃料化學(xué)學(xué)報,2009,37(5):538-說(shuō)明褐煤與稻草共熱解過(guò)程中主要是稻草與褐煤的分別熱解,但褐煤的最大失重峰值向低溫『5]馬林轉.褐煤與生物質(zhì)兩步法熱解探索性實(shí)驗研究區偏移,說(shuō)明稻草與褐煤共熱解有一定協(xié)同作用,[D].昆明:昆明理工大學(xué),2004但W均小于W,可能是在反應后期稻草灰阻礙61尚琳琳,程世慶張海清.生物質(zhì)與煤共熱解特性研了褐煤的進(jìn)一步熱解反應。究J].太陽(yáng)能學(xué)報,2006,27(8):852-8563結論7]吳卓,馬琳,林文樹(shù).生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)和經(jīng)濟性研究綜述[J].森林工程,2012,28(5):102-106.(1)不同煤化程度煤與稻草共熱解曲線(xiàn)的主[8】劉輝,吳少華,孫銳,等.快速熱解褐煤焦的比要反應階段都大致分為兩個(gè)區間,分別為稻草的表面積及孔隙結構[J1.中國電機工程學(xué)報,2005,熱解失重和煤的熱解失重區間,即煤與稻草共熱25(12):86-91解過(guò)程主要是稻草和煤分別熱解的過(guò)程