基于物化結(jié)構(gòu)特征的生物質(zhì)與煤共氣化特性研究.pdf

1、生物質(zhì)資源豐富，且可再生。將生物質(zhì)與煤共氣化不僅可有效減少SOx、NOx等有害物排放，還可促進(jìn)碳的完全轉(zhuǎn)化，提高生物質(zhì)和煤氣化效率。開展生物質(zhì)與煤共氣化技術(shù)研發(fā)對實現(xiàn)煤的高效清潔利用意義重大。由于生物質(zhì)與煤共氣化過程中產(chǎn)生協(xié)同作用的機理尚不明確，尤其是關(guān)于共氣化過程中氣相產(chǎn)物的形成釋放機理及固體焦樣表面物化結(jié)構(gòu)特征的演變規(guī)律的研究并不深入，本文在對生物質(zhì)與煤氣化半焦微觀形貌及官能團的變化規(guī)律進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，從理論和試驗兩個方面系統(tǒng)的開

2、展褐煤與生物質(zhì)流化床共氣化特性的研究，考察了生物質(zhì)摻混比、空氣當(dāng)量比等對流化床共氣化的影響規(guī)律，揭示了生物質(zhì)與煤共氣化的協(xié)同作用機制。本文主要從以下幾方面開展研究工作:
　　進(jìn)行了生物質(zhì)和煤共氣化的熱分析實驗研究，詳細(xì)研究了升溫速率、反應(yīng)氣氛、摻混比例對共氣化特性的影響。采用C-R法及DAEM法對生物質(zhì)與煤共氣化動力學(xué)特性進(jìn)行研究，建立了共氣化的反應(yīng)動力學(xué)模型，獲得了共氣化動力學(xué)參數(shù)，并分析了關(guān)鍵反應(yīng)階段活化能的變化趨勢，確定了生

3、物質(zhì)與煤共氣化過程協(xié)同效應(yīng)發(fā)生的反應(yīng)階段。結(jié)果表明，褐煤與生物質(zhì)共氣化過程由干燥、預(yù)熱、揮發(fā)分析出和焦炭氣化四個階段組成，共氣化在揮發(fā)分析出階段沒有表現(xiàn)出明顯的協(xié)同作用，而在焦炭氣化階段，協(xié)同效應(yīng)明顯，且松木屑摻混比為50％時，協(xié)同作用最顯著。共氣化過程的熱解段可用均相反應(yīng)模型描述，氣化段的反應(yīng)機理符合未反應(yīng)收縮核模型。焦炭氣化段的活化能明顯高于熱解段。
　　在熱分析實驗的基礎(chǔ)上，利用TG-FTIR聯(lián)用技術(shù)開展了生物質(zhì)與煤共氣化氣

4、相產(chǎn)物析出規(guī)律的實驗研究，考察了升溫速率等因素對氣相產(chǎn)物析出的影響，并結(jié)合氣化半焦的微觀形貌(SEM-EDX)及官能團(FTIR)分析，揭示了可燃?xì)饨M分CO和CH4的析出機理。結(jié)果表明，CH4、CO和H2O是褐煤氣化過程中的主要氣相產(chǎn)物，松木屑?xì)饣釩O、CH4、H2O之外，還還用大量醇類、醛類、酸類和酚類等有機物。共氣化過程，CH4的析出歸因于褐煤和松木屑的甲基、亞甲基、甲氧基中C-H鍵的斷裂、重組，且貫穿于揮發(fā)分析出和焦炭氣化的

5、全過程;CO的析出集中于揮發(fā)分析出段和焦炭氣化段，在揮發(fā)分析出段主要歸因于羧基、甲氧基、羰基和醚鍵的斷裂，氣化段CO的析出主要是由于CO2參與焦炭的氣化反應(yīng)。升溫速率對可燃?xì)怏w析出有一定影響，較低的升溫速率有利于CO和CH4的生成。隨氣化反應(yīng)的進(jìn)行，半焦孔隙結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了先增多、至逐漸塌陷、后閉合的過程。
　　在自行設(shè)計搭建的流化床反應(yīng)器上，開展了生物質(zhì)與煤共氣化的試驗研究，系統(tǒng)的研究了摻混比例、空氣當(dāng)量比ER、水蒸汽/燃料比S/F等

6、操作條件對共氣化特性的影響，優(yōu)化了生物質(zhì)與煤流化床共氣化的關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)果表明，松木屑的加入，有利于氣體產(chǎn)物CO生成，對CH4無明顯影響，在摻混比例為50％時，二者的協(xié)同效應(yīng)最顯著。氣化氣熱值在空氣當(dāng)量比為0.26時達(dá)到最大值。共氣化中加入水蒸汽有利于H2的生成，在S/F=0.28時，氣化氣熱值、碳轉(zhuǎn)化率和氣化效率均達(dá)到最大值。
　　以生物質(zhì)與煤流化床共氣化試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以化工計算軟件AspenPlus為模擬平臺，結(jié)合氣化過程的反