煤与生物质共热解的协同特性研究

煤质技术中国科技核心期刊矿业类核心期刊堞与生物质共热解的协同特性研究高岩,鲁光辉(1.山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿选煤厂,山西古交030206;2.中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院,北京100083)摘要:通过对玉米秸秆和平顶山烟煤在不同粒度及升温速率下的热重分析,说明平頂山烟煤和玉米秸秆最大失重率对应的峰值温度分别为500℃和350℃左右,二者热解温差较大,无法形成协同作用;在达到相冋失重量的情况下,热解温度越高,其升溫速率也越高。在一定升温速率下,随着粒度的变化,玉米秸秆的热解温度变化不大,而平顶山烟煤的变化相对较大。通过对比实验1(将样品从常温加热至850℃并保温30min)和实验2(直接放入850℃高温中并保温30min)的挥发分,说明实验2的挥发性物质比实验1平均值升高约1.75%;随着混合物中煤质量分数的增加,实际挥发物质比理论挥发物质总体有升高趋势,说明生物质的存在对煤的热解有一定程度的协同作用。关键词:煤;生物质;热解;热重分析;挥发性物质中图分类号:TD849;TQ530.2文献标识码:A文章编号:1006-6772(2013)03-0053-04Collaborative characteristics of coal and biomass co-pyrolysisGAO Yan, LU Guanghui(1. Tunlan Coal Preparation Plant, Shanxi Coking Coal Group Co., Ld., Gujiao 030206, China;2. School of Chmeical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology(Beijing), Beying 100083, China)Abstract: The thermal gravimetric analysis of corn stalk and Pingdingshan bituminous coal of different particle sizeIt various heating rate, show that the peak temperature corresponding to the maximum weight loss ratio of corn stalkand bituminous coal is around 350 C and 500C, which vary considerably When the weight loss is same, the higherthe pyrolysis temperature, the greater the heating temperature. At certain heating temperature, with the change ofparticle size, the pyrolysis temperature of con stalk vary less, while that of Pingdingshan bituminous coal is just theopposite The procedure of NO I experiment is heating samples from normal temperature to 850 C, then keep warmfor 30 minutes, the procedure of NO. 2 experiment is keeping the samples warm at 850 C for 30 minutes.Investigatethe volatile component of these two experiments. The results show that, the NO. 2 test is about 1. 75 percent higherthan NO. 1 test. With the increase of bituminous coal in mixture, the real volatile component is higher thantheoretical value, that means the biomass has cooperative effects on bituminous coaKey words: bituminous coal; biomass; pyrolysis; thermal gravimetric analysis; volatile component收稿日期:2013-03-15责任编辑:白娅翅作者简介:高岩(1986-),男,山西汾阳人,选煤助理工程师,2010年毕业于河南作。E-mail:sgya58@126.com。ah中国煤化工CNMH事炭分选工引用格式:高岩鲁光辉煤与生物质共热解的协同特性硏究]洁净煤术,2013,19(3):53-56高岩等:煤与生物质共热解的协同特性研究体流量为60mL/min。实验方法为非等温常压热0引言解,实验从常温开始,升温速率分别为30,50K/min,中国是煤炭资源丰富,石油、天然气较贫乏的终温为900℃。国家,煤炭在国家一次性能源构成和消费结构中智能箱式高温炉(马弗炉、电阻炉)为北京独创直占到70%以上。中国煤炭的利用主要是直接或科技有限公司生产的DC-B系列,采用4组9段升间接燃烧,利用率低,煤炭资源中高硫、高灰煤比重温程序,自行设定升温过程。设置好程序后,将混大。煤炭直接燃烧产生的大量SO2,NO2和CO2合均匀的生物质煤及其混合物分别做标记后进行气体和烟尘排放到环境中,造成了严重的环境污实验。染25。生物质是可再生的清洁能源之一,中国的实验1:将样品从常温加热至850℃并保温生物质资源生产潜力可达650亿ta,相当于每年化30min;石资源消耗总量的3倍以上,资源丰富,储量大6实验2:直接放入850℃高温中并保温30min。但中国生物质能利用率低,如秸秆大多在农田里就实验结束后在干燥条件下冷却至常温并测量其值。地堆放和集中燃烧,不仅污染环境,还造成了能源的严重浪费。生物质热解是生物质利用的基2实验结果与分析础,生物质热解可以得到富氢气体煤与生物质共2.1生物质与煤的热重分析热解时,生物质热解产生的氢可作为煤热解氢源,玉米秸秆和平顶山烟煤的热重分析如图1同时降低煤热解成本12。为了实现资源的综合利所示。用,本文以玉米秸秆和平顶山烟煤为原料,采用热由图1可知,玉米秸秆和平顶山烟煤的DTG曲重分析仪和马弗炉分析煤与生物质共热解时是否线在100℃均出现失重峰,且玉米秸秆的峰较大,这具有协同效应。是试样受热时失水的结果,与表1中玉米秸秆的水1实验条件分较大一致。玉米秸秆DTG曲线在200~400℃出现了比较明显的2个峰,前一个侧峰是肩状峰,由半1.1样品制备纤维素热解形成;后一个较大的峰由纤维素热解形将平顶山烟煤分别用瓷研钵磨碎至0.147~成,试样的大部分失重都发生在该区域,失重率大0.075m和-0.075m;玉米秸秆取自焦作农村,是热解的主要阶段。同样,平顶山烟煤的主要热解自然风干后分别用瓷研钵磨至0.250-0.147m温度为400-600℃。生物质和煤最大失重率对应和0.147~0.075mm,将玉米坩埚放在马弗炉内加的峰值温度分别为350,500℃左右由此可知,二者热至900℃并保温2h,除去杂质避免影响后续实热解温差较大,从热解温度方面看,二者共热解时验。按煤在煤与生物质混合物中质量分数为0,无法形成协同作用。12.5%,25.0%,37.5%,50.0%,62.5%,75.0%,玉米秸秆和平顶山烟煤热解时,升温速率和粒87.5%,100%,分别将二者混合均匀。试样工业度对物质热解都有一定程度的影响。当升温速率分析见表由30K/min增大到50K/min时,不同粒度的生物表1试样工业分析%质和煤达到最大失重速率的温度均有所升高,TG和样品MDTG曲线向高温方向移动,即在达到相同失重量的玉米秸秆7.54情况下,热解温度越高,其升温速率也越高。在68.246.8617.36平顶山烟煤0.9727.3713.42定升温速率下,随着粒度的变化,玉米秸秆的热解温度变化不大,而平顶山烟煤的变化相对较大。不1.2设备及实验方法同的升温速率和粒度能够促进二者在相同条件下热重分析采用德国 NETZSCH公司生产的实现共热解中国煤化工ST4P型热重分析仪。样品坩锅由A2O3材料2.2挥发分CNMHG制成,实验气氛为高纯N2,样品为(15±0.1)mg,气实验12所得实验结果分别见表2表3。《洁净煤技术》2013年第19卷第3期煤质技术中国科技核心期刊矿业类核心期刊0.250-0.147mm,10K/min0.2500.147mm,30Kmin0.250-0.147mm,10Kmin0.147~0.075mm,10Kmin0.147~0.075mm,30Kmin5E.0.2500.147mm,30K/min0.147-0.075mm,l0K/min0.147-0.075mm,30Kmin温度/℃温度/℃Ca)玉米秸秆0.147~0.075mm147-0.075mm,30 K/min30K/m0.147~0.075mm,0.147-0.075mm50 K/min50 K/min0.075mm,30K/m5 -8--0.075 mm, 30 K/min/--0.075mm,50Kmin0.075mm,50Km200温度/℃温度/℃b)平顶山烟煤图1玉米秸秆和平顶山烟煤的热重分析表2实验1结果实验编号煤的质量分数/%总质量1/g总质量2/g减少量/g实际挥发物质/%理论挥发物质/%差值/%30.392929.56260.830330.0.74127525.028.328727.64880.6799-0.0337.524..344523.84970.494849.3662.30-12.944567850.032.057231.48340.573857.2155.841.3730.424529.88240.542149.2229.572629.142942.990.2487.527.888227.49160.39669100.027.579427.27760.3018注:总质量1为加热前试样和坩埚的质量;总质量2为加热后灰分和坩埚的质量;实际挥发物质为实际测定煤和生物质的挥发物质;理论挥发物质是根据煤和生物质的实际挥发物质按照二者比例计算得出。表3实验2结果实验编号煤的质量分数/%总质量1/g总质量2/g减少量/g实际挥发物质/%理论挥发物质/%差值/%29.332428.49210.840329.526428.77200.754475.76.0.9425.029.91140.709170.8169.8537.528.606627.97540.631263.0963.36-0.2750.029.50760.602129.522529.00130.521250.571.5530.903430.443544.131.5730.763230.3500.41253.1500.020.281119.96290.3182中国煤化工注:总质量1为加热前试样和坩埚的质量;总质量2为加热后灰分和坩埚的质量;实际拌CNMHG挥发物质;理论挥发物质是根据煤和生物质的实际挥发物质按照二者比例计算得出。高岩等:煤与生物质共热解的协同特性研究煤质技术根据表2、表3得出煤的质量分数对挥发性物质差值的影响,具体如图2所示。8<过h6o80100煤的质量分数/%煤的质量分数/%a)实验1图2煤的质量分数对挥发性物质差值的影响由表2、表3可知,直接在850℃加热(实验2)[3]李丹阳.08年我国煤炭产量增长7.65%[EB/OL]比从常温加热到850℃(实验1)挥发性物质平均值[2009-01-14].http://www.cs.com.cn/sylm/jsbd/升高约1.75%。由图2可知,在煤与生物质共混的2009l/200901141720060.html高温条件下,随着混合物中煤质量分数的增加,差[4]牛顺生.2010年我国煤炭产量将达30亿吨[EB/OL]值总体呈增加趋势,说明实际挥发物质比理论挥发[2007-12-04].htp://business.sohu.com/20071204/物质总体有逐渐升高趋势,但在煤与生物质按照1:1混n253776953. shtm合时,实际挥发物质与理论挥发物质并不相同,且5]卢正彬董芃,窦洪华推广使用工业型煤过程中存在前者比后者大,即生物质的存在对煤的热解有一定的问题及解决方法[J].节能技术,2003,21(3):31程度的协同作用。32,433结论[6]董信光,张格睿程世庆生物质与煤混合热解过程中1)TG-DTG分析表明,生物质和煤最大失重率H2S的排放特性[I].洁净煤技术,2010,16(4):44对应的峰值温差很大,平顶山烟煤在500℃左右,玉米秸秆在350℃左右共热解时将难以形成协同(7]谌伦建赵跃民工业型煤燃烧与固硫[M]徐州:中效应国矿业大学出版社,20012)直接在850℃加热比从常温加热到850℃挥8]新华社我国生物质发电发展现状及潜力分析EBOL发性物质平均值升高约175%,随着混合物中煤质[2006-04-26].htp://business.sou.com/20060426量分数的增加,差值总体呈增加趋势,说明实际挥n243009579. shtml发物质比理论挥发物质总体有升高趋势,即生物质[9] Collot A G, Zhuo y, Tugwell D F. Co-pyrolysis and co的存在对煤的热解有一定程度的协同作用gasification of coal and biomass in bench-scale fixed-bed3)煤的质量分数大于50%时,混合物的实际挥and fluidized bed reactors[J]. Fuel, 1999, 78(6): 667发分性物质产率大于理论产率,这对共热解时煤的679用量有一定的指导作用[10]张志刚,闵小建,尚建选,等.以煤中低温热解为基础参考文献:的油电多联产技术路线分析与建议[门]洁净煤技术,2012,18(6):1-3[1]虞继舜煤化学[M].北京:冶金工业出版社,2005[2]煤炭网中国查明煤炭储量1.3万亿吨预测煤炭总资[1]阎维平,陈吟颖.生物质混合物与煤共热解的协同特源量为5.57万亿吨[EB/OL].[2008-11-06]性[Jhttp://www.coalcomcn/coalnewS/articleDisplay[12]秦丽娜,TH中国煤化工:):80-86CNMHG学模型的建立171063.hml[J].洁净煤技术,2013,19(1):92-96《洁净煤技术》2013年第19卷第3期