生物质与煤共气化特性研究

第32卷第4期煤炭转化Vol 32 No 42009年10月COAL CONVERSION生物质与煤共气化特性研究宋新朝)王芙蓉赵霄鹏张永奇2)毕继诚?摘要在热天平装置中研究了生物质焦、煤焦以及生物质焦与煤焦混合物的水蒸气气化特采用程序升温热重法对生物质焦(稻秆焦、高粱秆焦和玉米秆焦)、神木煤焦以及生物质焦与煤焦混合物进行了水蒸气气化实验.结果表明,生物质焦和煤焦在一定温度下的气化速率为:高梁焦>稻秆焦>玉米焦>神木煤焦.并对三种生物质焦、煤焦、生物焦和煤焦混合物的水蒸气气化反应进行了动力学分析,分析认为,连续反应模型可以在一定程度上反应焦样的水蒸气气化反应动力学关键词生物质,煤,共气化中图分类号TQ5450引言秆焦和玉米秆焦)、煤焦及两者混合物的水蒸气气化实验.实验在上海天平仪器厂生产的ZRP一2P型热生物质作为一种可再生能源,其高效洁净利用分析仪上进行,在原热天平上增加了水蒸气发生器,日益受到人们的关注生物质的热解气化是一种高装置见图1.将稻秆(D)、高粱秆(G)、玉米秆(Y)和效的能源利用方式,可以生产燃料气或化学合成气我国农作物秸秆产量大,高效洁净的大规模利用技术落后12,致使生物质资源浪费严重生物质的能量密度低,单独气化温度较低,气化时生成较多的焦油,不仅降低了生物质的利用效率,而且对气化过程的稳定运行造成不利影响;此外,生物质的供给受到季节的影响,使生物质单独气化的规模受到限制.煤图1热天平装置的气化温度高,生物质与煤共气化通过提高气化温Fig. I Schematic diagram of the thermogravimetric度,不仅可以提高生物质的气化效率减少焦油的生成,而且可以解决生物质供给的季节性问题,为生物-Electric heater: 2-Nitrogeni 3--TG signal: 4质的高效利用提供一条新的技术途径已有研究表Steam generation: 5-Computer: 6--Sample明,生物质与煤共气化过程可能具有协同作用,神木煤(SM)分别放在带有盖子的器皿中放入马弗主要是因为生物质具有较高的挥发分含量、生物质炉中,在900℃下恒温放置7min左右,制得稻秆焦焦具有较高的反应性以及生物质灰中的碱金属对煤(DJ)、高粱秆焦(G)、玉米秆焦(YJ)和神木煤焦焦气化过程有很好的催化作用.56国内外对生物(SMJ).焦样经研磨,取80目以下的样品作为热重实质与煤的共气化研究目前仍停留在实验室阶段小型验用料.稻秆焦(DJ)高粱秆焦(G)、玉米秆焦(YJ)分中试阶段本文采用热天平考察了三种农作物秸秆别与神木煤焦(SM)以1:4的质量比混合均匀,样焦和一种煤焦及其混合物的水蒸气气化特性,旨为品分别记作DSM,GSM和YSM,作为混合物共气生物质与煤混合物的流化床气化提供一些基础化原料样品的工业分析和元素分析见第45页表1数据2结果与讨论实验部分为了考察不同生物质及生物质与煤混合物的气2.1生物质焦和煤焦的单独气化化特性,在热天平上进行了生物质焦(稻秆焦、高粱中国煤化工进行,每次放样约CNMHG国家高技术研究发展计划(863)项日(2007AA05Z327)1)硕士山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司,048006山西晋城;2)教授,中国科学院山西煤炭化学研究所,030001太原收稿日期:200907-10;修回日期:20090830第4期宋新朝等生物质与煤共气化特性研究4表1生物质和煤及其焦样的工业分析和元素分析(%,adTable 1 Proximate and ultimate analysis of biomassand coal and their char(%.,ad)Proximate analysiUltimate analysisY6.676.1469.5617.6342.304.6638.521.130.58D5.5812.0665.2317.1338.614.2837.741.080.65SM8.765.5832.4153.2573.084.524.580.980.3000是是时上00750800850900950100010501100GJ1.1231.874.3262.6953.900.4010.781.100.83Y0.9725.832.6170.5966.230.354.521.230.87D0.8941.322.2355.5651.220.493.881.111.10图3焦样反应速率温度关系SM0.879.141.49865087.070.400.26.410.8Fig 3 Relationship between char reactionPercent of weight10mg,水蒸气流量为25mL/min,氮气流量为依次增大的顺序为GJ>D>YJ.生物质因其种类75mL/min实验在室温到1200℃之间进行,升温不同,其所含纤维素、半纤维素及木质素的量和结构速率20℃/min.根据热重仪得出的相关原始数据,也不同,所含矿物质的种类和量也不同,都将导致气由式(1)计算焦样-水蒸气气化碳转化率X,绘出碳化反应速率的不同转化率温度关系图(见图2)由连续反应模型方程2.2生物质焦与煤焦的共气化式(2)计算焦样的反应速率k,绘出反应速率温度关系图(见图3)在生物质焦与煤焦共气化时,采用生物质焦与煤焦的质量比为1:4,实验条件与单独气化的条件100%(1)相同.由式(1)计算焦样水蒸气气化碳转化率X结果见图4.由图4可以看出,三种生物质焦与煤焦混▲-DSMI图2显示出三种生物质焦和神木煤焦在水蒸气气氛下气化的热失重过程碳转化率随温度的变化关系.由图2可知,生物质焦的气化温度低,三种生物是匙图4焦样水蒸气气化碳转化率温度关系Fig 4 Relationship between carbon conversionfraction and temperature800900t/℃合物的失重过程基本一致,主要因为混合物中煤焦的重量比较大,占80%由图4还可以看出,相同温图2焦样水蒸气气化碳转化率温度关系度下混合焦转化率增大的顺序为GSM>DSMJ>2 Relationship between carbon conversionfraction and temperatureYSMJ,与生物质焦反应速率的顺序相同. Robert质焦约在700℃左右就开始发生气化反应而煤焦等”研究表明富含钾的生物质与煤共气化时,生物在80℃才开始与水蒸气反应图3显示出生物质质中的钾对煤焦的气化起催化作用,本实验所用生焦和煤焦的反应速率温度关系由图3可知,随温物质中,G的钾含量最大(3.93%),而YJ的钾含度升高反应速率加快,相同温度下三种生物质的气量最小(.18%),实验结果可能与碱金属的催化作化反应速率均大于煤焦.由工业分析可以看出,三种用有关生物质的挥发分含量相差不大但都远大于神木煤.23M凵中国煤化工勿的水蒸气气化动而在制焦过程中,大量挥发分的脱除使生物质焦的CNMHG孔比表面积增大,气化剂易与固体表面接触所以反0℃到1050℃实验结果得到焦样碳转化应速率较快.三种生物质焦一定温度下的气化速率率和时间的关系,由连续反应模型方程式(2)得到反46煤炭转化2009年应速率k,根据 Arrhenius方程式(3)得到lnk与表2焦样水蒸气气化连续反应模型的动力学参数值1/T的关系式(4)绘制出lnk与1/T的关系图,结Table 2 Kinetic parameters of chars during steamsification for the homogeneous model果见图5,可求得焦样水蒸气气化反应的活化能EActivation energy/和指前因子A,结果见表22.715X1k=Aexp(DT)(3)7,430×1052.300X10Ink=InA-RT8.304×1092.820×104.303×103三种混合焦水蒸气气化反应活化能增大的顺序为DSMJ稻秆焦>玉米秆焦>神木煤反映了焦样的水蒸气气化反应动力学,可作为求解焦对三种生物质焦煤焦及其混合物的水蒸气气化动力学参数的模型.三种生物质焦和煤焦水蒸气气反应进行了动力学分析,结果表明,连续反应模型可化反应活化能增大的顺序为D