第26卷第4期電站系統(tǒng)工程2010年7月Power System Engineeri文章編號(hào):1005-006X(2010)04001304生物質(zhì)與煤混合熱解特性的研究山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院王憲紅程世慶劉坤胡云鵬孫鵬摘要:采用熱重分析法(TGA)對(duì)幾種常見天然生物質(zhì)(麥稈、棉稈和楊木屑)、兩種不同變質(zhì)程度的煤以及兩者混合物的熱解特性進(jìn)行了研究·試驗(yàn)升溫速度5℃hmin,終溫850℃,結(jié)果表明:生物質(zhì)熱解溫度低,熱解速度快,而煤相對(duì)熱解速度慢,熱解溫度高隨煤變質(zhì)程度提高,TG曲線向高溫區(qū)移動(dòng),熱解溫度升高,最終失重半減小,試驗(yàn)無(wú)煙煤和煙煤的最終失重率分別為17%和3007%生物質(zhì)與煤混合熱解時(shí),總體熱解特性分階段呈現(xiàn)生物質(zhì)和煤的熱解特征,但從實(shí)際微分曲線與按比例折算后的曲線比較結(jié)果看,400℃之前,生物質(zhì)對(duì)煤的熱解影響不明顯,在400℃之后,生物質(zhì)的加入對(duì)煤的熱解產(chǎn)生抑制作用,煤的熱解速率降低,煤的揮發(fā)分越低抑制作用越強(qiáng)關(guān)鍵詞:生物質(zhì):煤;熱解:熱重分析(TGA)中圖分類號(hào):TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudy on the Co-pyrolysis of Biomass and Coal BlendingWANG Xian-hong, CHENG Shi-qing, LIU Kun, HU Yun-peng, SUN PengAbstract: Thermo-gravimetric analysis(TGA)method has been used to investigate the pyrolysis characteristics of theatural biomass (including wheat stalks, cotton stalks and poplar scraps), different kinds of coals respectively and theblending of coal and biomass mixed in different proportions. The conditions were: heating rate 5C/min; final temperature850C. The results showed that: the maximum pyrolysis rate was high and its coresponding temperature was low enoughfor the biomass, but the coal was quite the contrary. With the deepness of coalification, TG curve removed to a highertemperature, which meant that the pyrolysis temperature of coal was higher with a higher degree of coalification. In thisexperiment, the weight losses of anthracite and bituminite at the final temperature were 17% and 30.07% respectivelyWhen the biomass and coal were mixed and pyrolyzed together, the general characteristics were basically thesuperposition of each component, and agreed with the individual pyrolysis characteristics of the biomass or the coal atdifferent periods. However, the comparison of the differential thermo-gravimetric curves(DtG) with the calculatedurves for the co-pyrolysis of biomass samples and coal in different proportions revealing that the biomass hadbvious influence on the pyrolysis of coal before 400C, nevertheless, after 400C, the addition of biomass had aninhibition on the pyrolysis of coal, the pyrolysis rate of coal decreased, the lower of the coal s volatile, the stronger of theKey words: biomass; coal; pyrolysis; thermal-gravimetric analysis (TGA)生物質(zhì)能源是光合作用產(chǎn)生的有機(jī)可燃物的總稱,中國(guó)本文采用熱重分析方法,對(duì)相同升溫速率下常見生物質(zhì)生物質(zhì)資源十分豐窩,但日前主要利用方式為直接燃燒,其與不同變質(zhì)程度的煤以不同比例摻混進(jìn)行熱解實(shí)驗(yàn),從熱解利用程度和利用率不高,大量的生物質(zhì)被白白浪費(fèi),且易速率角度出發(fā)探討生物質(zhì)與煤共熱解時(shí)生物質(zhì)對(duì)煤熱解過造成環(huán)境污染。生物質(zhì)是低碳燃料,由于其生長(zhǎng)過程中吸收程的影響cO2,因此被認(rèn)為可實(shí)現(xiàn)溫室氣體零排放。另外,生物質(zhì)是一種可再生能源,開發(fā)利用生物質(zhì)不僅能緩解能源危機(jī),而1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容且可以減輕環(huán)境污染叫單一煤種的熱解行為己得到廣泛研究,特別是熱分析技1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)術(shù)的應(yīng)用,使得煤的熱解行為研究取得了很大進(jìn)展,生實(shí)驗(yàn)采用瑞士Mler- Toledo公司的 TGASDTA851熱物質(zhì)的熱解行為也已得到了廣泛研究,生物質(zhì)與煤的共分析系統(tǒng),圖為熱分析系統(tǒng)原理圖該系統(tǒng)包括熱重差熱熱解,不少國(guó)內(nèi)外人士做了相關(guān)研究, vuthalurul'應(yīng)用熱分析方法,從煤與生物質(zhì)單獨(dú)熱解時(shí)的對(duì)應(yīng)溫度角度出發(fā),得天平處于恒溫室內(nèi)(220±0℃)。熱分析儀的保護(hù)氣和熱出煤與生物質(zhì)各自處于不同的溫度區(qū)間,兩者的混合熱解無(wú)解載氣皆為高純氮?dú)?99%),保護(hù)氣流量為30mL/min明顯協(xié)同作用; Chatphol Mee和 Behdad Moghtaderil)熱解載氣流量為40mL/min現(xiàn)無(wú)明顯協(xié)同作用: A. G Coll在固定床和流化床兩種反12實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)器上研究煤和生物質(zhì)共熱解,作者尚不能確定協(xié)同反應(yīng)是實(shí)驗(yàn)煤樣為來(lái)自兩個(gè)不同地方的煤種,分別為無(wú)煙煤和否存在煙煤,生物質(zhì)樣品選擇量大面廣的農(nóng)作物稍稈—麥稈、棉收稿日期:2010024·通訊作者:程世慶稈和楊木屑。試驗(yàn)前將各種物料摩細(xì)至180~200日074~王憲紅(1984),女,碩士研究生,濟(jì)南,2500610098mm),烘干并混合均勻后,放到密封器皿中待用。樣品電站系統(tǒng)工程2010年第26卷分析數(shù)據(jù)見表1忸溫浴熱重天平排氣→40.010200400600800熱重/費(fèi)L「L步分析人計(jì)算機(jī)圖3無(wú)煙煤和煙煤的DTG曲線熱分析儀系統(tǒng)原理圖表1實(shí)驗(yàn)樣品工業(yè)分析及元素分析工業(yè)分析,w。%元素分析,w/%0.75無(wú)煙煤15328669166732265363082239煙煤25521.253963334325841.171.995麥稈7567366796412051028751390.12棉稈31035173.5445.145.7441.091250.17楊木屑27109284044723862941414<0011無(wú)煙煤2.煙煤具體試驗(yàn)方案為:將質(zhì)量為10±01mg的各實(shí)驗(yàn)樣品田4無(wú)煙煤和煙煤的TG曲線放入熱分析儀的坩堝內(nèi),程序升溫速率設(shè)定為5℃min,由而對(duì)生物質(zhì)而言,隨著碳化程度的提高,開始熱解溫度室溫25℃升至850℃。兩種煤與不同生物質(zhì)混合熱解時(shí),逐漸升高。取煤樣質(zhì)量10±01mg,生物質(zhì)質(zhì)量分別取0.5、1、2、3和5mg,其它條件同上2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.1生物質(zhì)與煤?jiǎn)为?dú)熱解過程圖2和圖3分別為各種生物質(zhì)和煤?jiǎn)为?dú)熱解的質(zhì)量微分DTG)曲線。煤的熱解與生物質(zhì)的熱解過程有著很大的區(qū)別,各種生物質(zhì)的開始熱解溫度都在200℃左右,而無(wú)煙a)煤和煙煤的開始熱解溫度都在400℃以上。可見,與煤相比,生物質(zhì)的熱解溫度比較低:生物質(zhì)的熱解主要集中在200~400℃,煙煤的熱解主要集中在400~550℃,無(wú)煙02煤的熱解主要集中在更高的溫度區(qū)間。相對(duì)與生物質(zhì)的熱解,煤的熱解速度慢,熱解溫度高如圖4所示,隨煤化程度的升高,整個(gè)TG曲線向高溫區(qū)移動(dòng),說(shuō)明煤的變質(zhì)程度越髙,熱解溫度越高,失重率越度(℃小,無(wú)煙煤和煙煤的最終失重率分別為17%和3007%,這個(gè)結(jié)果與前人的結(jié)論一致△“0.01000溫度(c)溫度(℃1無(wú)煙煤2單獨(dú)生物質(zhì)3~7.10mg無(wú)煙煤分別加入05m,lmg1麥稈2棉稈3揚(yáng)木屑2mg、3mg、5mg生物質(zhì)圖2各種生物質(zhì)的DTG曲線圖5生物質(zhì)與無(wú)煙煤以不同比例混合熱解DTG曲線第4期王憲紅等:生物質(zhì)與煤混合熱解特性的研究22生物質(zhì)與煤的混合熱解為了深入研究生物質(zhì)對(duì)煤熱解的影響,我們從熱解速率221生物質(zhì)與煤混合熱解的總體過程角度出發(fā),將生物質(zhì)樣品與煤?jiǎn)为?dú)熱解時(shí)各溫度點(diǎn)的熱解速圖5~圖6分別示出了麥稈、棉稈和楊木屑等3種生物率進(jìn)行折算,與實(shí)驗(yàn)值相比質(zhì)與無(wú)煙煤和煙煤兩種煤混合熱解時(shí)的DTG曲線折算式如下可以看出;生物質(zhì)與煤以不同比例混合熱解時(shí),DTGD=D,xs +Dexs曲線有兩個(gè)峰:第一個(gè)劇烈失重區(qū)域比較明顯,與生物質(zhì)單式中,Dm生物質(zhì)單獨(dú)熱解時(shí)各溫度點(diǎn)的熱解速率:Dm獨(dú)熱解的劇烈失重區(qū)域大體相同;第二個(gè)失重區(qū)域則很微度點(diǎn)的熱解速率:5一混合熱解時(shí)生物質(zhì)樣品占單獨(dú)熱弱,與無(wú)煙煤?jiǎn)为?dú)熱解的劇烈失承區(qū)域大體相同,而無(wú)煙煤解時(shí)生物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù);5—混合熱解時(shí)煤占單獨(dú)熱解的熱解速率遠(yuǎn)小于生物質(zhì)熱解速率,例如,無(wú)煙煤加入05時(shí)煤的質(zhì)量分?jǐn)?shù)mg、1mg、2mg、3mg、5mg麥稈時(shí),DTG曲線第一個(gè)峰由于在煤的熱解實(shí)驗(yàn)和生物質(zhì)與煤的混合熱解實(shí)驗(yàn)中,的峰值溫度分別為304.5℃、3015℃、307.5℃、3083℃、煤的質(zhì)量取10mg不變,故5m取1;5,為混合熱解尖驗(yàn)中3091℃,與麥稈單獨(dú)熱解時(shí)的峰值溫度幾乎相同:最大熱生物質(zhì)的摻入質(zhì)量與生物質(zhì)單獨(dú)熱解時(shí)質(zhì)量(10mg)的比解速率分別為00038mg/s、-0.0077mg/s、40.0148mg/s0.0219mgs、0.0363mgys,最終失重率分別為19.|圖7~圖8為麥稈05mg、1mg、2mg、3mg、5mg23%、283%、30%、361%表明生物質(zhì)與煤的共同熱分別與無(wú)煙煤、煙煤混合熱解的實(shí)際微分曲線與按比例折算解時(shí),基本上分階段呈現(xiàn)生物質(zhì)和煤的熱解特性,且隨著生曲線的對(duì)比圖,其他生物質(zhì)不同比例與煤混合后的結(jié)果與麥物質(zhì)摻入質(zhì)量的增加,第一個(gè)劇烈失重區(qū)域中的熱解速率增稈類似,本文不再列出大,最終失重率增大0014.02(a)0.5mg( b)I mg溫度(℃;測(cè)夠水溫度(c假004c)2 mg(d)溫度(℃);,等蟹新水A004000000實(shí)驗(yàn)值2計(jì)算值日7麥稈和無(wú)煙煤混合后DTG曲線的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值對(duì)比200400600B00溫度(℃)(c)1煙煤2單獨(dú)生物質(zhì)3-710mg煙煤分別加入05m,1m,2m、43mg、5mg生物質(zhì)圖6生物質(zhì)與煙煤以不同比例混合熱解DTG曲線22.2生物質(zhì)與煤混合熱解速率的試驗(yàn)對(duì)比站系統(tǒng)工程2010年第26巷度慢,熱解溫度高。隨煤化程度升髙高,TG曲線向高溫區(qū)移動(dòng),熱解溫度越高,最終失重率越小,試驗(yàn)無(wú)煙煤和煙煤的最終失重率分別為17%和3007%生物質(zhì)與煤混合熱解時(shí),總體熱解特性分階段呈現(xiàn)生物質(zhì)和煤的熱解特征,且隨著生物質(zhì)摻入質(zhì)量的增加,生物質(zhì)和煤混合物的第一個(gè)劇烈失重區(qū)域中的熱解速率逐漸溫度(℃(c)2 mg(d)3 mg(3)生物質(zhì)與煤混合熱解后的實(shí)際微分曲線與計(jì)算曲線相比,在400℃之前基本吻合,在400℃之后有所不同,生物質(zhì)的加入對(duì)煤的熱解產(chǎn)生抑制作用,煤的熱解速率降低,煤的揮發(fā)分越低,抑制作用越強(qiáng)?？嘉墨I(xiàn)]牛勝利,路春美,高攀,等.生物質(zhì)再燃降低NO排放的實(shí)驗(yàn)研究溫度(℃燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2008,365)583~587(e)5 mg2]徐建國(guó),魏兆龍用熱分析法研究煤的熱解特性門燃燒科學(xué)與技1實(shí)驗(yàn)值2計(jì)算值術(shù)19995(2)176~179圖8麥稈和煙煤混合后DTG曲線的實(shí)驗(yàn)值和計(jì)算值對(duì)比]張妮,曾凡桂,降文萍中國(guó)典型動(dòng)力煤中熱解動(dòng)力學(xué)分析門太從圖7~圖8中可以看出,生物質(zhì)以不同比例與煤混合原理工大學(xué)大學(xué)學(xué)報(bào),2005.36(5)549~5524]王鵬、文芳等煤的熱解特性研究[煤炭轉(zhuǎn)化200428()8~熱解的實(shí)際微分曲線與按比例折算后的曲線吻合程度存在13.差別。在400℃之前基本吻合,而在400℃之后卻出現(xiàn)不(s于嫻,章明川沈軼等生物質(zhì)熱解特性的熱重分析門上海交同程度的偏離。400℃之后,生物質(zhì)與煤的混合熱解特性不通大學(xué)學(xué)報(bào),2002,36(10)1475~1478能簡(jiǎn)單的認(rèn)為是各組分熱解特性的簡(jiǎn)單疊加。由此可以認(rèn)阿賴艷華,呂明新,馬春元等.秸稈類生物質(zhì)熱解特性及其動(dòng)力學(xué)為:從熱解速率角度分析,在400℃之前,生物質(zhì)對(duì)煤的研究[門太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2002.23(2)203~206熱解彩響不明顯,在400℃之后,生物質(zhì)與煤的混合熱解⑦7陳祎,羅永浩陸方,等生物質(zhì)廢棄物的熱解研究小燃料化學(xué)學(xué)報(bào),2007,35(3)370~374過程中,兩者有不同程度的協(xié)同作用,總體來(lái)看,實(shí)驗(yàn)結(jié)果[8] Vuthaluru Hbehavior of coal/biomass blends during比計(jì)算值明顯偏低,且溫度越高,差距越大co-pyrolysis([]. Fuel Processing Technology, 2004, 85(2): 187-195時(shí),由圖7~圖8可以看到,麥稈與煤混合熱解時(shí),(9) Chatphol Meesn, Behdad Moghtaden, Lack of synergetic effects按計(jì)算應(yīng)該存在無(wú)煙煤的熱解峰但實(shí)際試驗(yàn)中這個(gè)峰消失the pyrolytic characteristics of woody biomass coal blends low and了,而煙煤的熱解峰仍舊存在,且與計(jì)算值吻合較好,但在high heating rate regimes [] Biomass and Bioenergy, 2002,(23):熱解后期,試驗(yàn)結(jié)果明顯地比計(jì)算值偏低,表明生物質(zhì)的加55~66.入對(duì)煤的熱解產(chǎn)生了抑制作用,對(duì)于煤來(lái)說(shuō),揮發(fā)分越低[IO] Collot A G Zhuo Y, Tugwell D B, et a. Co-pyrolysis andco-gasification of coal and biomass in bench-scale fixed bed and這種抑制作用越強(qiáng)fluidized bed reactors [] Fuel, 1999. (78): 667--679[]朱學(xué)棟朱子彬煤化程度和升溫速率對(duì)熱分解影響的研究門煤3結(jié)論炭轉(zhuǎn)化19922)43~47(1)生物質(zhì)熱解溫度低,熱解速度快,而煤相對(duì)熱解速編輯:巨川《電站系統(tǒng)工程》入編《中文核心期刊要目總覽》2008年版依據(jù)文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的原理和方法,經(jīng)研究人員對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的檢索、計(jì)算和分析,以及學(xué)科專家評(píng)審,《電站系統(tǒng)工程》期刊入編《中文核心期刊要目總覽》200年版(即第五版)之能源與動(dòng)力工程類的核心期刊定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系采用了被索量、被摘量、被引量、他引量、被摘率、影響因子、獲國(guó)家獎(jiǎng)或被國(guó)內(nèi)外重要檢索工具收錄、基金論文比、Web下載量等9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),選作評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)源的數(shù)據(jù)庫(kù)及文摘刊物達(dá)到80余種,統(tǒng)計(jì)到的文獻(xiàn)數(shù)量共計(jì)32400余萬(wàn)篇次,涉及期刊12400余種,參加核心期刊評(píng)審的學(xué)科專家多達(dá)550多位.經(jīng)過定量篩選和專家定性評(píng)審,從我國(guó)正在出版的中文期刊中評(píng)選出1980余種核心期刊