生物質(zhì)與煤共熱解特性研究

劉 勇，尹 凡，吳 剛，唐宇晴

(宿州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 宿州 234000)

生物質(zhì)與煤共熱解特性研究

劉 勇，尹 凡，吳 剛，唐宇晴

(宿州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 宿州 234000)

采用熱重分析的方法對(duì)三種生物質(zhì)(花生殼、木屑、核桃殼)和煤樣在高純N2氣氛下，按照一定升溫速率(20 K/min)分別進(jìn)行單獨(dú)熱重實(shí)驗(yàn)及不同摻混比例生物質(zhì)與煤樣進(jìn)行共熱解實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：生物質(zhì)與煤進(jìn)行共熱解時(shí)，隨著生物質(zhì)添加量的增加，樣品的失重速率增加，且熱解的開始溫度向低溫區(qū)平移并大大縮短了熱解所需的時(shí)間。

生物質(zhì)；煤；共熱解

我國(guó)煤炭資源豐富，且我國(guó)在生產(chǎn)和消耗煤的方面穩(wěn)居世界第一[1-2]，由于煤炭是不可再生的能源，并且煤炭的燃燒對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染[3-4]，限制了煤的利用。同時(shí)我國(guó)也是農(nóng)業(yè)大國(guó)，據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，僅僅在廢棄的農(nóng)林和植物秸稈等生物質(zhì)的儲(chǔ)存量，約等于9億t的標(biāo)準(zhǔn)煤[5]。與煤炭相比，生物質(zhì)的成本更低，可再生，能夠?qū)崿F(xiàn)零排放等。目前生物質(zhì)在我國(guó)大部分還是直接燃燒和丟棄，這樣不僅是對(duì)資源造成浪費(fèi)也會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成污染[6-7]。生物質(zhì)與煤共同熱解不僅可以提高煤的轉(zhuǎn)化速率，對(duì)于降低煤炭燃燒時(shí)造成的環(huán)境污染和預(yù)防自然資源的浪費(fèi)具有積極的意義[8-9]。本文選用皖北礦務(wù)局的祁東礦煙煤，研究生物質(zhì)(花生殼，木屑，核桃殼)與煤的共熱解特性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

NETZSCH-STA409C型熱重分析儀，TQ-3A碳?xì)浞治鰞x，WDL-6E微機(jī)快速一體硫機(jī)，F(xiàn)A1104B型天平，SX-20-12型箱式電阻爐，HTGT-3000自動(dòng)工業(yè)分析儀，XL-1廂式電阻爐，粉碎機(jī)，烘箱，發(fā)熱量測(cè)定儀，722分光光度計(jì)和一些簡(jiǎn)單的玻璃儀器等。

材料：實(shí)驗(yàn)用煤樣為皖北祁東礦煙煤(MY)，生物質(zhì)采用花生殼(HSK)，木屑(MX)和核桃殼(HTK)，煤樣的粒度和生物質(zhì)粒度大小均選擇小于0.2 mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用熱重分析儀，使用材質(zhì)為Al2O3的坩堝，用高純N2作為實(shí)驗(yàn)的保護(hù)氣，流量控制為50 mL/min，熱解升溫速率設(shè)置為20 ℃/min，每次加入樣品的量為(10+0.8) mg。生物質(zhì)(核桃殼、花生殼和木屑)的添加量分別為5%、10%、15%、20%、25%、40%、60%、80%。煤和生物質(zhì)的工業(yè)分析及元素分析見表1。

表1 煤與生物質(zhì)的工業(yè)分析、元素分析及發(fā)熱量

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 煤樣單獨(dú)熱解的TG-DTG曲線分析

圖1 煤樣單獨(dú)熱解的TG-DTG曲線

由圖1可知，煤在40℃到1000℃的加熱過(guò)程中總的失重量占總質(zhì)量的36.65%。煤在此溫度區(qū)間的熱解過(guò)程大致上可以分為三個(gè)階段：第一階段溫度區(qū)間小于400℃，試樣表面的部分水分和易揮發(fā)性的組分由于受熱析出，失重量占樣品總質(zhì)量的5.88%；第二階段是400 ℃到580 ℃，這一階段主要發(fā)生劇烈的熱解縮聚反應(yīng)，失重速率迅速增加，失重量占整個(gè)失重的22.01%；第三階段為580 ℃至1000 ℃，因?yàn)槊菏軣岚l(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)并逐漸形成焦炭，反應(yīng)緩慢而趨于停止，存在少量的可揮發(fā)性組分緩慢地析出，此階段的失重量達(dá)到了7.71%。

2.2 煤樣與花生殼共熱解TG/DTG曲線分析

由圖2可知，在230 ℃至350 ℃區(qū)間試樣開始出現(xiàn)失重峰，樣品熱解的DTG曲線中單一的花生殼和煤樣均只有一個(gè)失重峰，而混合試樣均具有兩個(gè)失重峰，且隨著花生殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加失重峰逐漸地向低溫區(qū)移動(dòng)，且樣品發(fā)生劇烈縮聚反應(yīng)的溫度區(qū)間也在不斷向低溫區(qū)移動(dòng)?；ㄉ鷼?0%和15%的TG曲線在320 ℃至460 ℃的低溫區(qū)的失重率增加，但是在高溫區(qū)隨著溫度的增加其失重率逐漸下降。從25%到80%之間樣品的失重率隨著花生殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加不斷增加。

2.3 煤樣與核桃殼共熱解TG/DTG曲線分析

由圖3可知，核桃殼與煤的混合熱解過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段的溫度區(qū)間為230 ℃至410 ℃，該階段主要發(fā)生核桃殼的熱解，隨著核桃殼在樣品中所占比例的增加其失重速率增加。第二階段在410 ℃以上，主要是煤的熱解并伴隨核桃殼的炭化。這兩個(gè)階段分別體現(xiàn)了核桃殼和煤?jiǎn)为?dú)熱解的特性。隨著核桃殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，混合物的失重率也增加，這是由于核桃殼的加入使樣品中可揮發(fā)性的物質(zhì)增加，促使TG曲線整體向低溫區(qū)平移，煤熱解的起始溫度提前，熱解的速率逐漸增大且時(shí)間減少。通過(guò)計(jì)算，混合試樣的失重率并不僅僅只是試樣中核桃殼失重率與煤失重率的簡(jiǎn)單相加，而是核桃殼與煤樣共同作用的結(jié)果。

圖3 煤樣與核桃殼共熱解TG-DTG曲線

2.4 煤樣與木屑共熱解TG/DTG曲線分析

由圖4可知，TG曲線上代表失重的區(qū)間有兩段，分別與DTG曲線上兩個(gè)失重峰相對(duì)應(yīng)。第一階段劇烈失重溫度區(qū)間在250 ℃到430 ℃，在該溫度區(qū)間失重程度最大。劇烈失重的溫度區(qū)間與木屑單獨(dú)熱解時(shí)大致相同，失重速率的增加與木屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加成正相關(guān)。說(shuō)明在該溫度區(qū)間內(nèi)主要是木屑中的木屑素與纖維素發(fā)生熱解所引起的。第二階段急劇失重在430 ℃以后，在該階段主要是以煤的熱解反應(yīng)為主，并且伴隨著木屑的炭化。

圖4 煤樣與木屑共熱解TG-DTG曲線

3 結(jié)論

(1)隨著生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，樣品的失重率也在不斷增加，樣品發(fā)生劇烈失重的溫度區(qū)間也隨著生物質(zhì)在樣品中質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加不斷向低溫區(qū)移動(dòng)，即隨著生物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不斷增加，樣品逐步表現(xiàn)出了生物質(zhì)顆粒的熱解特性。同時(shí)通過(guò)計(jì)算，混合樣的失重也不僅僅只是樣品中生物質(zhì)失重與煤失重的簡(jiǎn)單相加，而是生物質(zhì)與煤相互作用的結(jié)果。

(2)樣品中所含生物質(zhì)不同對(duì)樣品的失重速率及失重率的影響也不同，花生殼對(duì)樣品的共熱解影響最強(qiáng)，木屑次之，核桃殼最弱，但是都比煤樣的失重率和失重速率大。

[1] 宋利強(qiáng),周 敏,孟 磊,等.稻殼與煤的共熱解特性[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化,2011(4):114-118.

[2] 朱孔遠(yuǎn),諶倫建,馬愛玲,等.生物質(zhì)與煤熱解特性及動(dòng)力學(xué)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010(3):202-206.

[3] 李世光,徐紹平.煤與生物質(zhì)的共熱解[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2002,25(1):7-12.

[4] 孫云娟,蔣劍春,徐俊明,等.生物質(zhì)與煤共熱解研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代化工,2010,30(2):1-5.

[5] 嚴(yán) 東,周 敏,宋利強(qiáng).煤與稻殼共熱解熱重分析及動(dòng)力學(xué)[J].化學(xué)工程,2012,40(9):60-68.

[6] 何選明,潘 葉,陳 康,等.生物質(zhì)與低階煤低溫共熱解轉(zhuǎn)化研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2012,35(4):11-15.

[7] 李 文,李保慶,孫成功,等.生物質(zhì)熱解、加氫熱解及其與煤共熱解的熱重研究[J].燃燒化學(xué)學(xué)報(bào),1996,24(4):341-347.

[8] 王曉鋼,魯光武,路進(jìn)升.生物質(zhì)與煤摻燒燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究[J].可再生能源,2014,32(1):87-92.

[9] 朱孔遠(yuǎn),諶倫建,黃光許,等.煤與生物質(zhì)共熱解的TGA-FTIR研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化,2010,33(3):10-14.

(本文文獻(xiàn)格式：劉 勇，尹 凡，吳 剛，等.生物質(zhì)與煤共熱解特性研究[J].山東化工,2017,46(11):15-17.)

Study on the Co-pyrolysis Characteristics of Biomass and Coal

LiuYong,YinFan,WuGang,TangYuqing

(School of Chemistry&Chemical Engineering,Suzhou University,Suzhou 234000,China)

Using the method of thermal gravimetric analysis, three kinds of biomass (peanut shell, sawdust, walnut shell) and coal samples under high pure N2atmosphere, according to a certain heating rate (20 K/min) were carried out separately thermogravimetric experiments and different mixing ratio of biomass and coal samples for co-pyrolysis experiment. The results showed that the weight loss rate of the samples increased with the increase of biomass, and the starting temperature of the pyrolysis of biomass and coal were greatly reduced and the time required for the pyrolysis was greatly shortened.

biomass;coal;co-pyrolysis

2017-04-07

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201610379019)；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201610379199)；宿州學(xué)院第十屆大學(xué)生科研項(xiàng)目(KYLXLKYB16-03)

劉 勇(1994—)，男，安徽合肥人，本科，主要從事煤化工及納米材料方面的研究。

TQ530.2

A

1008-021X(2017)11-0015-03