煤与生物质（稻秸秆）共热解反应及动力学分析

用综合热分析仪，对煤（褐煤、无烟煤）与稻秸秆按不同比例混合及各自单独热解反应进行了热解实验。结果表明，生物质与煤的热解过程可简化看作是在较低温度段（400℃以下）热解以生物质为主；在高温段（600℃～850℃）热解以煤为主。生物质对煤的热解过程有促进作用，随着生物质参混比例的上升，使煤的热解高峰区的温度向低温区移动。但是促进程度是随着生物质的量的增加而减小的，并且对褐煤的促进作用要比对无烟煤的作用明显。

煤与生物质（稻秸秆）共热解反应

在动力学分析中，发现褐煤和生物质单独热解过程在整个热解温度范围内可用coats-Redfern法按反应级数n=1的过程来计算出热力学参数；但是两者混合后的热解过程，由于反应机理及过程发生了变化，并不能用简单的热解动力学模型来描述；最后，对无烟煤与稻秸秆（质量比例3：2）的混合物按升温速率分别为10℃/min和20℃/min的热解过程作了对比试验，总结出升温速率对热解反应的影响。关 键 词：煤与生物质 稻秸秆 热重分析 动力学参数中图分类号：TK6 一 引言 生物质是人类利用最早、最多、最直接的能源，同时也是低碳燃料和唯一可运输及储存的可再生能源，可实现CO2的零排放。我国生物质储量丰富，因此生物质能的开放和利用有着重大意义[1]。同时我国煤炭资源丰富，在今后很长一段时间内对煤炭的依赖性还很大。生物质与煤混合燃烧发电和热解转化技术是高效洁净合理利用我国两大优势能源的有效途径之一，不但可降低CO2、NOX 、SOX的排放量，而且可以有效解决生物质单独使用时的焦油问题。

对于煤与生物质共热解的问题，国内外的学者作了不同结论的实验研究。对于其协同性问题，存在两个对立的观点。Chatphol.M[2]、Collot.A.G[3]等人，各自在实验中得到无协同作用的结论；而Nikkhah.K[4]、McGee.B[5]等人则在共热解试验中得出有协同性的结论。阎维平[6]用生物质混合物与褐煤的共热解试验证明生物质粉末对煤的热解有一定的促进和抑制的作用，两者间有协同性存在；而李文[7]、李世光[8]等人则通过试验说明两者无明显的协同作用。虽然各国学者对煤与生物质的共热解，做了很多实验研究，但是对反应机理和有无协同性等问题并未作出结论。 由于煤的种类众多，生物质与煤共热解的特性与煤的种类也应该有关，且还没学者对共热解过程进行深入的动力学分析，因此，本实验选用稻秸秆作为生物质试样，与褐煤及无烟煤分别进行了共热解的实验研究，寻求共热解的影响因素并进行了动力学分析。

二 实验部分 1 实验样品 实验所考察的稻秸秆来自常州地区的稻子，褐煤选自云南富源煤矿，无烟煤来自山西长治的潞安矿。三者粒径均在20目到60目之间，将物料干燥后制成不同比例的试样，以备热重实验使用。表1为三种物料的工业分析参数； 名称 Mad Aad Vad Fcad 稻秸杆 18.16 15.97 53.52 11.85 褐煤 14.16 24.63 10.32 50.89 无烟煤 0.84 6.27 14.50 78.39 表1 试样的工业分析 Table 1 Industrial analysis of test samples 2 实验方法及仪器 采用德国制STA-49综合热分析仪，进行实验。将试样置于热天平支架的坩埚内，通入足量纯氮气，按规定的升温速率进行升温（10℃/min和一组20℃/min），由计算机控制和采集数据。气体流量为200mg/min，试样用量不超过1.5mg，温度范围由室温到1100℃左右。三 实验结果与分析 1 生物质（稻秸秆）与煤单独实验结果及分析 对生物质及煤的热重实验已有很多学者研究过[9-12]。

本次实验主要用来作对比试验。图1 稻秸秆、褐煤和无烟煤热解曲线Fig.1 The TG 、DTG curves of corn stalk、lignite、hard coal pyrolysis themselves 图1为三种样品单独热解的TG和DTG曲线。由图可知，稻秸杆在50℃以上由于干燥和水分析出开始明显的失重；在200℃-400℃主要为半纤维素和纤维素吸热分解使失重速率加快且在325℃达到最大，热解后含碳较少；在大于400℃后，主要为木质素的热解，反应速率较低，热解后含碳较多。另外，无烟煤由于水分、挥发分少，最大热解速率小于褐煤且对应的热解区间也比褐煤偏向高温区。两种煤的热解过程中都出现两个热解效率的高峰。第一个峰值，主要是一次气体析出，此时放出含有C、H、O的化合物；第二个峰值主要为二次气体析出造成，主要是甲烷和氢，量比较的小。与生物质相比，两种煤热解所需要的温度较高，其热解总发生在比生物质热解温度高的区域。 2 稻秸秆与两种煤共热解实验结果及分析 图2是稻秸秆与煤（褐煤及无烟煤）按不同比例混合后热解曲线。可以看出，所有共热解过程主要包括物料干燥、水分析出段和两个热解高峰区。除去在150℃以前的水分析出和干燥阶段以后，共热解曲线明显呈现两个特征区。在350℃以前是以稻秸秆热解为主，在350℃以后是以煤的热解为主。这是由于生物质稻秸秆与煤的不同的热解温度决定的。
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