第49卷第1期生物質(zhì)化學工程Vol 49 No. 12015年1月Biomass Chemical EngineeringJan.2015doi:10.3969/jisn.16735854.2015.01.001研究報告—一生物質(zhì)能源·木屑與煤慢速共熱解產(chǎn)物特性研究孫云娟2,蔣劍春,許玉12,應(yīng)浩12,戴偉娣12(1.中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所;生物質(zhì)化學利用國家工程實驗室;國家林業(yè)局林產(chǎn)化學工程重點開放性實驗室;江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點實驗室,江蘇南京210042;2.中國林業(yè)科學研究院林業(yè)新技術(shù)研究所,北京10001)摘要:采用 TG-FTIR聯(lián)用的分析方法對木屑與煤共熱解產(chǎn)物進行分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),木屑與煤共熱解產(chǎn)物不是兩者單獨熱解的簡單疊加,而是木屑與煤協(xié)同反應(yīng)相互促進或抑制的結(jié)果。煤化程度越高木屑與煤共熱解過程中CO和CH,的產(chǎn)率越多,CO2的產(chǎn)率越少,液體和固體產(chǎn)物越多。木屑與煤摻混比例對于共熱解產(chǎn)物的影響規(guī)律性不是非常明顯,對于CO和CH4,摻混比例5:5時產(chǎn)率最低;CO2在共熱解溫度<500℃時,摻混比例5:5時產(chǎn)率最高,而在共熱解溫度>500℃時,隨著煤的摻混比例的增加產(chǎn)率逐漸減小。木屑與褐煤的共熱解固體產(chǎn)率隨著摻混比例的增加逐漸增大,木屑與無煙煤的共熱解固體產(chǎn)率正好相反。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);煤;煤化程度;協(xié)同反應(yīng);共熱解中圖分類號:TQ35;TK6文獻標識碼:A文章編號:16735854(2015)01-0001-06Characteristics of Sawdust and Coal Slow Co-pyrolysis ProductsSUN Yun-juan", JIANG Jian-chun, XU Yu, YING Hao,2, DAI Wei-di,(1. Institute of Chemical Industry of Forest Products, CAF; National Engineering Lab for Biomass Chemical Utilization; Keyand Open Lab. of Forest Chemical Engineering, SFA; Key Lab of Biomass Energy and Material, Jiangsu ProvinceNanjing 210042, China; 2. Research Institude of Forestry New Technology, CAF, Beijing 100091, China)Abstract: By using TG-FTIR method, the co-pyrolysis products of sawdust and coal were analyzed. It was found that co-pyrolysisproducts yield was not simple accumulation of mono-pyrolysis, but the result of inhibition or acceleration effect of synergisticreaction. With the increase of coal rank, the CO and CH, products yields increased, cO2 product yield decreased, and liquid andsolid products yields increased. The mixture ratio had less influence on the co-pyrolysis products. With the mixture ratio of 5: 5the CO and CHa yields were the minimum. When the co-pyrolysis temperature was less than 500t, CO, yield was the maximumin mixture ratio of 5: 5. While the co-pyrolysis temperature was over 500C, CO, yields decreased with the increase of mixtureation. Solid product yields of sawdust and lignite co-pyrolysis gradually increased as the sawdust ratio in blending raw materialpromoted. But solid product yields of sawdust and anthracite co-pyrolysis were going in the opposite directionKey words: sawdust; coal; coal rank; synergistic effect; co-pyrolysis生物質(zhì)和煤有著不同的物理化學性質(zhì),從而導致其共利用方法不同,熱解動力學特征也有很大差異。生物質(zhì)與煤單獨熱解的報道很多,技術(shù)比較成熟。但對于生物質(zhì)與煤共熱解反應(yīng)進行研究的文獻相對較少,兩者反應(yīng)過程中是否存在協(xié)同反應(yīng)的認識也各不相同。共熱解過程中是否存在協(xié)同反應(yīng),可以從反應(yīng)過程、反應(yīng)產(chǎn)物及反應(yīng)機理等方面進行分析,相關(guān)的技術(shù)方法也可以參考生物質(zhì)與煤單獨熱解。熱重紅外聯(lián)用技術(shù)( TG-FTIR)可以對熱解過程中氣態(tài)產(chǎn)物的形成和釋放特性進行快速的在線分析而被廣泛采用2。作者利用 TG-FTIR技術(shù)對影響生物質(zhì)與煤共熱解過程的工藝條件進行全面分收稿日期:2014-08-20中國煤化工基金項目:中國林科院林業(yè)新技術(shù)所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金( CAFINT2014KO4);“THCN G12BAA09B03);引進國際先進林業(yè)科學技術(shù)項目(20144-32)作者簡介:孫云娟(1979—),女,河北唐山人,助理研究員博士,主要從事生物質(zhì)熱化學轉(zhuǎn)化研究工作。2生物質(zhì)化學工程第49卷析,研究生物質(zhì)與煤在慢速共熱解過程中的產(chǎn)物特性。1實驗1.1材料實驗原料中煤炭按煤化程度選取了褐煤和無煙煤兩種,取自江蘇省南京華潤熱電聯(lián)廠,兩種煤是廣泛分布于我國并且產(chǎn)量較為豐富的煤種。松木屑由江蘇強林生物能源材料有限公司提供。實驗原料均為空氣干燥基的樣品,用小型粉碎機粉碎至0.125mm以下,然后對原料進行工業(yè)分析和元素分析并測定熱值,元素分析采用美國熱電集團 Thermo Scientific FLASH2000元素分析儀,熱值分析采用德國KA公司的C2000熱值分析儀,工業(yè)分析和高位熱值的測定均參考了ASTM相關(guān)行業(yè)標準,結(jié)果如表1所示。從表1的結(jié)果可以看出,褐煤比無煙煤含有更多的揮發(fā)分,能夠在較低的溫度下熱解。表1原料的工業(yè)分析、元素分析及熱值Table 1 Proximateultimate analysis, and calorific value of raw material元素分工業(yè)分析/%ultimateproximate analysi高位熱值/(Mkg-1)灰分揮發(fā)分固定碳high heat valueCHmoisture ash volatile fixed carbon720.210.380814.61褐煤 lignite46.604.300.370.5412.6015.1228.7943.4921.539無煙煤 anthracite80.153.971.350.84實驗過程中按木屑(S)與煤(C)質(zhì)量摻混比分別為2:8、5:5、8:2(g:g)3種比例混合均勻,后密封儲存?zhèn)溆?2實驗儀器與方法1.2.1實驗儀器對于熱解產(chǎn)物的分析,采用熱重紅外聯(lián)用(TG-FTIR)方法,熱重分析儀為 NETZSCH公司的STA409PC型同步熱分析儀,樣品質(zhì)量10mg左右,在Al2O3坩堝中進行熱解,載氣為高純氮氣,載氣流量控制為35mL/min;熱解溫度區(qū)間為室溫至100℃,升溫速率為10K/mn。為保證熱解產(chǎn)物氣中的組分以氣態(tài)形式全部進入紅外光譜儀,熱重分析儀與紅外分析儀之間連有保溫管道,使連接管與產(chǎn)物氣體溫度均保持在210℃,紅外分析儀實時檢測熱解氣體組成。熱重紅外聯(lián)用實驗中,傅里葉紅外光譜儀為 Thermo Scientifie公司的 Nicolet iZI0型分析儀,掃描數(shù)為10,分辨率為4,波數(shù)范圍為8004000cm1.2.2實驗方法紅外光譜檢測中,組成分子的各種基團都有自己特定的紅外特征吸收峰,紅外光譜檢測不同化合物時,同一種官能團的吸收振動總是出現(xiàn)在一個比較窄的波數(shù)范圍內(nèi)。因此,紅外光譜可以檢測出某些特定的官能團,但不能完全確定所有的熱解產(chǎn)物”,木屑和煤炭熱解過程中會釋放出CO、CO2、CH4以及一些含明顯特殊官能團表2熱解產(chǎn)物的特征官能團對應(yīng)紅外光譜圖中的波數(shù)的熱解產(chǎn)物,其紅外光圖譜相對簡單利用紅外光譜Tabl2 The wave numbers of characteristic peaks of圖庫01可得知這些產(chǎn)物單獨存在時的紅外光譜some pyrolysis products in IR spectrum圖。表2中是本實驗中涉及到的幾種物質(zhì)的特征官產(chǎn)物種類特征峰對應(yīng)波數(shù)wave numbers of characteristic peaks能團對應(yīng)紅外光譜峰的波數(shù)。2359TG-FTIR分析共熱解產(chǎn)物得到的是三維紅外光C2111,2180CHa3016譜圖。為了更加清晰的分析各熱解產(chǎn)物隨溫度升高酚類化合物3640-3610,1500~1300的變化趨勢,將三維紅外光譜圖通過時間軸方向,將 phenols各熱解產(chǎn)物切分為二維數(shù)據(jù)圖,根據(jù)朗伯比爾定含羰基化合物中國煤化工律,通過分析熱解產(chǎn)物的吸光度隨時間變化趨勢,可含芳環(huán)結(jié)構(gòu)化CNMHG1650~1450,3050±50得知熱解產(chǎn)物濃度隨溫度升高時的變化規(guī)律。第1期孫云娟,等:木屑與煤慢速共熱解產(chǎn)物特性研究結(jié)果與分析煤的煤化程度影響著其作為原料進行共熱解時的產(chǎn)物特性。木屑與煤在按不同比例混合后進行熱解,混合比例嚴重影響原料的性質(zhì),當混合物中木屑占比例多時,熱解過程及產(chǎn)物理論上應(yīng)該和木屑單獨熱解時更為接近;混合物中煤所占比重大時,熱解過程及產(chǎn)物理論上應(yīng)該和煤單獨熱解時更為接近但是,如果木屑與煤共熱解過程中發(fā)生了協(xié)同反應(yīng),木屑的加入對共熱解產(chǎn)生了一定的抑制或促進作用,得到的結(jié)果會與理論有所偏差。本研究將對煤的煤化程度及其與木屑的混合比例對熱解過程的影響作用進行分析。將木屑與煤單獨熱解后的數(shù)據(jù)并依其在混合物中的混合比例按式(1)進行加權(quán)計算,可以得到兩者在不同混合比例下共熱解產(chǎn)物的理論產(chǎn)率。Ami =saS +xaC式中:Aa混合物理論吸光度;x木屑在原料中的質(zhì)量分數(shù),%;A一木屑單獨熱解吸光度;xc一煤在原料中的質(zhì)量分數(shù),%;Ac一煤單獨熱解吸光度,本研究中共熱解氣液產(chǎn)物各組分的產(chǎn)率采用吸光度的數(shù)值來表示。2.1煤化程度對共熱解氣液產(chǎn)物的影響為了分析煤化程度對共熱解產(chǎn)物的影響,實驗過程中主要考察了mm=5:5混合比例下原料的共熱解特性。2.1.1煤化程度對共熱解氣態(tài)產(chǎn)物的影響從圖1中可以看出,木屑與煤共熱解氣態(tài)產(chǎn)物的實驗產(chǎn)率與理論產(chǎn)率相差較大,說明在共熱解過程中,氣態(tài)產(chǎn)物的產(chǎn)生并不是兩者單獨熱解的簡單疊加,而是木屑與煤協(xié)同反應(yīng),相互促進或抑制的結(jié)果。對于CO的產(chǎn)率,木屑無論是與煤化程度高的無煙煤還是與煤化程度低的褐煤共熱解,在整個溫度范圍內(nèi),實驗產(chǎn)率均低于理論產(chǎn)率,說明共熱解過程抑制了CO的生成。在較低的溫度下,CO的實驗產(chǎn)率比較接近理論產(chǎn)率,而在較高溫度下,實驗產(chǎn)率遠低于理論產(chǎn)率,說明高溫對共熱解過程CO逸出的抑制作用更明顯。在理論上,500℃是一個非常明顯的分割點,低于500℃時煤化程度高的煤有利于CO的生成,高于500℃正好相反,但在實際的共熱解過程中,煤化程度高的無煙煤在整個溫度范圍內(nèi)更有利于CO的生成,即煤化程度越高共熱解過程中生成的CO越多。對于CO2的生成,木屑與無煙煤共熱解的理論產(chǎn)率與實驗產(chǎn)率非常接近,說明共熱解協(xié)同反應(yīng)效應(yīng)對于CO2的產(chǎn)生基本沒有起到作用。但對于煤化程度較低的褐煤與木屑的共熱解過程,協(xié)同反應(yīng)效應(yīng)非常明顯,大大增加了CO2的產(chǎn)氣率。說明對于CO2的生成,煤化程度越低共熱解協(xié)同反應(yīng)效應(yīng)越明顯。對于CH4的產(chǎn)率,實驗產(chǎn)率低于理論產(chǎn)率,說明木屑與煤共熱解過程抑制CH4的生成,煤化程度低的褐煤受到的影響更為明顯,實際值與理論值相差較大。CH4的產(chǎn)率出現(xiàn)了先增加后降低的趨勢,在600℃左右產(chǎn)率達到峰值,CH4生成出現(xiàn)峰值的溫度點,實際值較理論值有所降低,說明協(xié)同反應(yīng)效應(yīng)降低了CH4出現(xiàn)峰值的反應(yīng)溫度。CH4的產(chǎn)率隨著煤化程度的升高而增加。0.030.14b0.10=0.010.02bandore0.000.0202004006008001000200400600800100002004006008001000溫度/℃溫度/℃溫度/℃不同煤化程度下理論產(chǎn)率 caleulated yield木屑偶褐煤 sawdust/ignite;不同煤化程度下實驗產(chǎn)率 experimental yield木屑褐煤 sawdust/ignite中國煤化工a CO: b CO,; c CHACNMHG圖1不同煤化程度下木屑與煤共熱解過程中氣體理論Fig. 1 Comparison of calculated and experimental gas products yields during co-pyrolysis( in different coal rank生物質(zhì)化學工程第49卷2.1.2煤化程度對共熱解液態(tài)產(chǎn)物的影響由圖2可知,在木屑與煤共熱解過程中,所有液態(tài)產(chǎn)物的實驗產(chǎn)率均低于其理論產(chǎn)率,說明共熱解過程抑制了液體產(chǎn)物的生成。在理論計算過程中,煤化程度低的褐煤有利于液態(tài)產(chǎn)物的生成,但實際的實驗過程中,煤化程度高的無煙煤產(chǎn)生了更多的液體產(chǎn)物,說明煤化程度越高共熱解過程中產(chǎn)生的液體產(chǎn)物越多。0.0100.0100.0100.0050.0050.0000.0000.0050.0050.0100.0100.0100.01520040060080010000.0504006008001000-0015溫度/℃C溫度/℃C02004006008001000溫度/℃不同煤化程度下理論產(chǎn)率 calculated yield:-■一木屑/褐煤 sawdust/lignite;木屑/無煙煤 sawdust/anthracite不同煤化程度下實驗產(chǎn)率 experimental yiele:-口一木屑褐煤 sawdust/lignite;-0一木屑/無煙煤 sawdust/anthracitea.芳環(huán)類化合物 aromatic compounds: b.酚類化合物 phenolic compounds;c.羰基類化合物 carbonyl compound圖2不同煤化程度下木屑與煤共熱解過程中液體理論產(chǎn)率與實驗產(chǎn)率對比Fig2 Comparison of calculated and experimental liquid products yields during co-pyrolysis( in different coal rank)2.2摻混比例對共熱解氣液產(chǎn)物的影響為了分析木屑與煤摻混比例對共熱解產(chǎn)物的影響,實驗過程中主要考察了木屑與褐煤各混合比例下原料的共熱解特性。2.2.1摻混比例對共熱解氣態(tài)產(chǎn)物的影響從圖3中可以看出,在共熱解氣態(tài)產(chǎn)物中,無論在任何混合比例下,相比于理論產(chǎn)率,實驗產(chǎn)率中CO的產(chǎn)率均有所降低,CO2產(chǎn)率升高,CH4產(chǎn)率降低,說明共熱解協(xié)同反應(yīng)效應(yīng)增加了CO2的生成,抑制了CO和CH4的產(chǎn)生。對于每種氣體產(chǎn)率,摻混比例的影響各不相同,對于CO的產(chǎn)率,5:5的摻混比例抑制作用最為明顯,生成的CO氣體的量最少,而對于2:8和8:2的摻混比例下,兩者產(chǎn)率較為接近,尤其是在較低溫度條件下(<400℃)。摻混比例對于CH4產(chǎn)率的影響與對CO產(chǎn)率的影響基本一致。CO2的產(chǎn)率,在共熱解溫度<500℃時,摻混比例5:5的條件下產(chǎn)率最高,而在共熱解溫度>500℃時,隨著煤的摻混比例的增加,逐漸減小綜合分析圖1和圖3中的共熱解氣體產(chǎn)率可知,木屑與煤共熱解有利于CO2的生成而抑制了CO的產(chǎn)生,CO2的產(chǎn)率遠高于CO的產(chǎn)率,分析原因可能是由于木屑和煤的化學結(jié)構(gòu)中含氧官能團占主要部分,在較高的溫度下,不穩(wěn)定的含氧官能團大量分解,多余的0與CO發(fā)生氧化反應(yīng),降低產(chǎn)物氣中CO的含量,增加CO2的含量。另外,溫度大于500℃時,共熱解中產(chǎn)生CO的趨勢變緩,也可說明CO在溫度較高的條件下,結(jié)合木屑或煤中的O,發(fā)生深度氧化反應(yīng),生成CO2,從而使CO產(chǎn)率減少,CO2產(chǎn)率增加。0.030.200.02吧001001020040060080010000200400600800100002004006008001000度/℃溫度/℃溫度/℃C不同摻混比例下理論產(chǎn)率 calculated vield:-■-2:8不同摻混比例下實驗產(chǎn)率 experimental yield:--2:8a CO: b CO: c CHa中國煤化工圖3不同摻混比例下木屑與煤共熱解過程中氣體理論CNMHGFig 3 Comparison of calculated and experimental gas products yields during co-pyrolysis( in different mixture ratio第1期孫云娟,等:木屑與煤慢速共熱解產(chǎn)物特性研究2.2.2摻混比例對共熱解液態(tài)產(chǎn)物的影響由圖4可以看出,溫度低于500℃,木屑與煤摻混比例2:8和8:2的芳環(huán)類化合物、酚類化合物和羰基類化合物的實驗產(chǎn)率基本等于或略大于理論產(chǎn)率,且較低的木屑摻混比例有利于液體產(chǎn)物的生成,溫度高于500℃,實際液體產(chǎn)率有所下降,產(chǎn)率略有波動但基本與理論值一致,可能是由于高溫不利于液體產(chǎn)物的生成,摻混比例對液體產(chǎn)率的影響在高溫下表現(xiàn)不明顯。但在摻混比例5:5條件下,芳環(huán)類化合物、酚類化合物和羰基類化合物的實驗產(chǎn)率遠低于理論產(chǎn)率,且遠低于其他混合比例下的液體產(chǎn)率,說明木屑與煤摻混比例5:5的共熱解反應(yīng)能大大抑制液體產(chǎn)物的生成。0.0150.0150.0150.0100.0100.010/°0.0050.005吧0.000發(fā)000.0000.0050.0050.010-0.010-0.0100.0150200400600800100000150.0150200400600800100002004006008001000溫度/℃C溫度/℃不同摻混比例下理論產(chǎn)率 calculated vield:-■-2:8;-·-5:5;-4-8:2不同摻混比例下實驗產(chǎn)率 experimental yielda.芳環(huán)類化合物 aromatic compounds;b.酚類化合物 phenolic compounds;c,羰基類化合物 carbonyl compounds圖4不同摻混比例下木屑與煤共熱解過程中液體理論產(chǎn)率與實驗產(chǎn)率對比Fig 4 Comparison of calculated and experimental liquid products yields during co-pyrolysisin different mixture ratio)從總體來講,木屑與煤共熱解協(xié)同反應(yīng)效應(yīng)對氣態(tài)產(chǎn)物的影響規(guī)律較為明顯,而對液體產(chǎn)物的影響規(guī)律性較弱;氣體產(chǎn)率高于液體產(chǎn)率。2.3原料特性對共熱解固態(tài)產(chǎn)物的影響將木屑與煤單獨熱解后的固體產(chǎn)率依其在混合物中的混合比例按(2)式進行加權(quán)計算,可以得到兩者在不同混合比例下共熱解固體產(chǎn)物的理論產(chǎn)率。式中:ym混合物熱解固體理論產(chǎn)率;x-木屑在原料中的質(zhì)量分數(shù),%;Y一木屑單獨熱解固體理論產(chǎn)率xc一煤在原料中的質(zhì)量分數(shù),%;Y—煤單獨熱解固體理論產(chǎn)率。由圖5可以得出,木屑與煤化程度較高的無煙煤共熱解產(chǎn)生較多的固體產(chǎn)物。木屑與褐煤共熱解時,固體產(chǎn)率較低,且遠低于理論產(chǎn)率,共熱解效果較為明顯,這是由于煤化程度較低的褐煤與木屑性質(zhì)更為接近,從表1中可以看出褐煤含有更多的揮發(fā)分,在較8:2木屑與煤摻混比低的溫度下就能與木屑共熱解產(chǎn)生較多H2,有利于煤理論產(chǎn)率 calculated yield:一■一木屑/褐煤 sawdust/lignite;后續(xù)的進一步熱解,從而使共熱解后得到的固體產(chǎn)物實驗產(chǎn)率 experimental vie:-日一木屑褐煤 sawdust/lignite大幅減少。木屑與褐煤的共熱解固體實驗產(chǎn)率隨著木屑/無煙煤 sawdust/anthracite摻混比例的增加逐漸增大,但摻混比例大于5:5后,固圖5木屑與煤共熱解過程中固體理論產(chǎn)率與實驗體產(chǎn)率基本保持不變。木屑與無煙煤的共熱解固體產(chǎn)率對比產(chǎn)率隨著木屑摻混比例的增加逐漸降低。Fig 5 Solid yields of mixtures co-pyrolysisrV凵中國煤化工3結(jié)論CNMHG3.1煤化程度越高木屑與煤共熱解過程中CO和CH4的產(chǎn)率越多,CO2的產(chǎn)率越少,液體產(chǎn)物越多。生物質(zhì)化學工程第49卷3.2木屑與煤摻混比例對于共熱解產(chǎn)物的影響規(guī)律性不是非常明顯。5:5的摻混比例,生成的CO氣體的量最少,2:8和8:2的摻混比例下,兩者產(chǎn)率較為接近;摻混比例對于CH4產(chǎn)率的影響與對CO產(chǎn)率的影響基本一致;在共熱解溫度<500℃時,摻混比例5:5的條件下CO2的產(chǎn)率最高,而在共熱解溫度>500℃時,隨著煤的摻混比例的增加CO2逐漸減少。3.3煤化程度越低固體產(chǎn)率越低;木屑與褐煤,隨著摻混比例的增加共熱解固體產(chǎn)率逐漸增大,大于5:5后,固體產(chǎn)率基本保持不變;木屑與無煙煤的共熱解固體產(chǎn)率隨著摻混比例的增加逐漸降低。參考文獻[1JJONES JM, KUBACKI M L, KUBICA K, et al. 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