生物质与煤混合热解特性的研究 生物质与煤混合热解特性的研究

生物质与煤混合热解特性的研究

  • 期刊名字:电站系统工程
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  • 论文作者:王宪红,程世庆,刘坤,胡云鹏,孙鹏
  • 作者单位:山东大学能源与动力工程学院
  • 更新时间:2020-03-24
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第26卷第4期电站系统工程2010年7月Power System Engineeri文章编号:1005-006X(2010)04001304生物质与煤混合热解特性的研究山东大学能源与动力工程学院王宪红程世庆刘坤胡云鹏孙鹏摘要:采用热重分析法(TGA)对几种常见天然生物质(麦秆、棉秆和杨木屑)、两种不同变质程度的煤以及两者混合物的热解特性进行了研究·试验升温速度5℃hmin,终温850℃,结果表明:生物质热解温度低,热解速度快,而煤相对热解速度慢,热解温度高随煤变质程度提高,TG曲线向高温区移动,热解温度升高,最终失重半减小,试验无烟煤和烟煤的最终失重率分别为17%和3007%生物质与煤混合热解时,总体热解特性分阶段呈现生物质和煤的热解特征,但从实际微分曲线与按比例折算后的曲线比较结果看,400℃之前,生物质对煤的热解影响不明显,在400℃之后,生物质的加入对煤的热解产生抑制作用,煤的热解速率降低,煤的挥发分越低抑制作用越强关键词:生物质:煤;热解:热重分析(TGA)中图分类号:TK6文献标识码: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)生物质能源是光合作用产生的有机可燃物的总称,中国本文采用热重分析方法,对相同升温速率下常见生物质生物质资源十分丰窩,但日前主要利用方式为直接燃烧,其与不同变质程度的煤以不同比例掺混进行热解实验,从热解利用程度和利用率不高,大量的生物质被白白浪费,且易速率角度出发探讨生物质与煤共热解时生物质对煤热解过造成环境污染。生物质是低碳燃料,由于其生长过程中吸收程的影响cO2,因此被认为可实现温室气体零排放。另外,生物质是一种可再生能源,开发利用生物质不仅能缓解能源危机,而1实验系统与实验内容且可以减轻环境污染叫单一煤种的热解行为己得到广泛研究,特别是热分析技1.1实验系统术的应用,使得煤的热解行为研究取得了很大进展,生实验采用瑞士Mler- Toledo公司的 TGASDTA851热物质的热解行为也已得到了广泛研究,生物质与煤的共分析系统,图为热分析系统原理图该系统包括热重差热热解,不少国内外人士做了相关研究, vuthalurul'应用热分析方法,从煤与生物质单独热解时的对应温度角度出发,得天平处于恒温室内(220±0℃)。热分析仪的保护气和热出煤与生物质各自处于不同的温度区间,两者的混合热解无解载气皆为高纯氮气(99%),保护气流量为30mL/min明显协同作用; Chatphol Mee和 Behdad Moghtaderil)热解载气流量为40mL/min现无明显协同作用: A. G Coll在固定床和流化床两种反12实验内容应器上研究煤和生物质共热解,作者尚不能确定协同反应是实验煤样为来自两个不同地方的煤种,分别为无烟煤和否存在烟煤,生物质样品选择量大面广的农作物稍秆—麦秆、棉收稿日期:2010024·通讯作者:程世庆秆和杨木屑。试验前将各种物料摩细至180~200日074~王宪红(1984),女,硕士研究生,济南,2500610098mm),烘干并混合均匀后,放到密封器皿中待用。样品电站系统工程2010年第26卷分析数据见表1忸温浴热重天平排气→40.010200400600800热重/费L「L步分析人计算机图3无烟煤和烟煤的DTG曲线热分析仪系统原理图表1实验样品工业分析及元素分析工业分析,w。%元素分析,w/%0.75无烟煤15328669166732265363082239烟煤25521.253963334325841.171.995麦秆7567366796412051028751390.12棉秆31035173.5445.145.7441.091250.17杨木屑27109284044723862941414<0011无烟煤2.烟煤具体试验方案为:将质量为10±01mg的各实验样品田4无烟煤和烟煤的TG曲线放入热分析仪的坩埚内,程序升温速率设定为5℃min,由而对生物质而言,随着碳化程度的提高,开始热解温度室温25℃升至850℃。两种煤与不同生物质混合热解时,逐渐升高。取煤样质量10±01mg,生物质质量分别取0.5、1、2、3和5mg,其它条件同上2实验结果与分析2.1生物质与煤单独热解过程图2和图3分别为各种生物质和煤单独热解的质量微分DTG)曲线。煤的热解与生物质的热解过程有着很大的区别,各种生物质的开始热解温度都在200℃左右,而无烟a)煤和烟煤的开始热解温度都在400℃以上。可见,与煤相比,生物质的热解温度比较低:生物质的热解主要集中在200~400℃,烟煤的热解主要集中在400~550℃,无烟02煤的热解主要集中在更高的温度区间。相对与生物质的热解,煤的热解速度慢,热解温度高如图4所示,随煤化程度的升高,整个TG曲线向高温区移动,说明煤的变质程度越髙,热解温度越高,失重率越度(℃小,无烟煤和烟煤的最终失重率分别为17%和3007%,这个结果与前人的结论一致△“0.01000温度(c)温度(℃1无烟煤2单独生物质3~7.10mg无烟煤分别加入05m,lmg1麦秆2棉秆3扬木屑2mg、3mg、5mg生物质图2各种生物质的DTG曲线图5生物质与无烟煤以不同比例混合热解DTG曲线第4期王宪红等:生物质与煤混合热解特性的研究22生物质与煤的混合热解为了深入研究生物质对煤热解的影响,我们从热解速率221生物质与煤混合热解的总体过程角度出发,将生物质样品与煤单独热解时各温度点的热解速图5~图6分别示出了麦秆、棉秆和杨木屑等3种生物率进行折算,与实验值相比质与无烟煤和烟煤两种煤混合热解时的DTG曲线折算式如下可以看出;生物质与煤以不同比例混合热解时,DTGD=D,xs +Dexs曲线有两个峰:第一个剧烈失重区域比较明显,与生物质单式中,Dm生物质单独热解时各温度点的热解速率:Dm独热解的剧烈失重区域大体相同;第二个失重区域则很微度点的热解速率:5一混合热解时生物质样品占单独热弱,与无烟煤单独热解的剧烈失承区域大体相同,而无烟煤解时生物质的质量分数;5—混合热解时煤占单独热解的热解速率远小于生物质热解速率,例如,无烟煤加入05时煤的质量分数mg、1mg、2mg、3mg、5mg麦秆时,DTG曲线第一个峰由于在煤的热解实验和生物质与煤的混合热解实验中,的峰值温度分别为304.5℃、3015℃、307.5℃、3083℃、煤的质量取10mg不变,故5m取1;5,为混合热解尖验中3091℃,与麦秆单独热解时的峰值温度几乎相同:最大热生物质的掺入质量与生物质单独热解时质量(10mg)的比解速率分别为00038mg/s、-0.0077mg/s、40.0148mg/s0.0219mgs、0.0363mgys,最终失重率分别为19.|图7~图8为麦秆05mg、1mg、2mg、3mg、5mg23%、283%、30%、361%表明生物质与煤的共同热分别与无烟煤、烟煤混合热解的实际微分曲线与按比例折算解时,基本上分阶段呈现生物质和煤的热解特性,且随着生曲线的对比图,其他生物质不同比例与煤混合后的结果与麦物质掺入质量的增加,第一个剧烈失重区域中的热解速率增秆类似,本文不再列出大,最终失重率增大0014.02(a)0.5mg( b)I mg温度(℃;测够水温度(c假004c)2 mg(d)温度(℃);,等蟹新水A004000000实验值2计算值日7麦秆和无烟煤混合后DTG曲线的实验值和计算值对比200400600B00温度(℃)(c)1烟煤2单独生物质3-710mg烟煤分别加入05m,1m,2m、43mg、5mg生物质图6生物质与烟煤以不同比例混合热解DTG曲线22.2生物质与煤混合热解速率的试验对比站系统工程2010年第26巷度慢,热解温度高。随煤化程度升髙高,TG曲线向高温区移动,热解温度越高,最终失重率越小,试验无烟煤和烟煤的最终失重率分别为17%和3007%生物质与煤混合热解时,总体热解特性分阶段呈现生物质和煤的热解特征,且随着生物质掺入质量的增加,生物质和煤混合物的第一个剧烈失重区域中的热解速率逐渐温度(℃(c)2 mg(d)3 mg(3)生物质与煤混合热解后的实际微分曲线与计算曲线相比,在400℃之前基本吻合,在400℃之后有所不同,生物质的加入对煤的热解产生抑制作用,煤的热解速率降低,煤的挥发分越低,抑制作用越强。考文献]牛胜利,路春美,高攀,等.生物质再燃降低NO排放的实验研究温度(℃燃料化学学报,2008,365)583~587(e)5 mg2]徐建国,魏兆龙用热分析法研究煤的热解特性门燃烧科学与技1实验值2计算值术19995(2)176~179图8麦秆和烟煤混合后DTG曲线的实验值和计算值对比]张妮,曾凡桂,降文萍中国典型动力煤中热解动力学分析门太从图7~图8中可以看出,生物质以不同比例与煤混合原理工大学大学学报,2005.36(5)549~5524]王鹏、文芳等煤的热解特性研究[煤炭转化200428()8~热解的实际微分曲线与按比例折算后的曲线吻合程度存在13.差别。在400℃之前基本吻合,而在400℃之后却出现不(s于嫻,章明川沈轶等生物质热解特性的热重分析门上海交同程度的偏离。400℃之后,生物质与煤的混合热解特性不通大学学报,2002,36(10)1475~1478能简单的认为是各组分热解特性的简单叠加。由此可以认阿赖艳华,吕明新,马春元等.秸秆类生物质热解特性及其动力学为:从热解速率角度分析,在400℃之前,生物质对煤的研究[门太阳能学报,2002.23(2)203~206热解彩响不明显,在400℃之后,生物质与煤的混合热解⑦7陈祎,罗永浩陆方,等生物质废弃物的热解研究小燃料化学学报,2007,35(3)370~374过程中,两者有不同程度的协同作用,总体来看,实验结果[8] Vuthaluru Hbehavior of coal/biomass blends during比计算值明显偏低,且温度越高,差距越大co-pyrolysis([]. Fuel Processing Technology, 2004, 85(2): 187-195时,由图7~图8可以看到,麦秆与煤混合热解时,(9) Chatphol Meesn, Behdad Moghtaden, Lack of synergetic effects按计算应该存在无烟煤的热解峰但实际试验中这个峰消失the pyrolytic characteristics of woody biomass coal blends low and了,而烟煤的热解峰仍旧存在,且与计算值吻合较好,但在high heating rate regimes [] Biomass and Bioenergy, 2002,(23):热解后期,试验结果明显地比计算值偏低,表明生物质的加55~66.入对煤的热解产生了抑制作用,对于煤来说,挥发分越低[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这种抑制作用越强fluidized bed reactors [] Fuel, 1999. (78): 667--679[]朱学栋朱子彬煤化程度和升温速率对热分解影响的研究门煤3结论炭转化19922)43~47(1)生物质热解温度低,热解速度快,而煤相对热解速编辑:巨川《电站系统工程》入编《中文核心期刊要目总览》2008年版依据文献计量学的原理和方法,经研究人员对相关文献的检索、计算和分析,以及学科专家评审,《电站系统工程》期刊入编《中文核心期刊要目总览》200年版(即第五版)之能源与动力工程类的核心期刊定量评价指标体系采用了被索量、被摘量、被引量、他引量、被摘率、影响因子、获国家奖或被国内外重要检索工具收录、基金论文比、Web下载量等9个评价指标,选作评价指标统计源的数据库及文摘刊物达到80余种,统计到的文献数量共计32400余万篇次,涉及期刊12400余种,参加核心期刊评审的学科专家多达550多位.经过定量筛选和专家定性评审,从我国正在出版的中文期刊中评选出1980余种核心期刊

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