生物质与煤共气化特性研究

第32卷第4期煤炭转化Vol. 32 No.42009年10月C0AI. CONVERSIONOet, 2009生物质与煤共气化特性研究宋新朝"王芙蓉” 赵霄鹏"张永奇2) 毕继 诚’摘要在热天平装置中研究了生物质焦、煤焦以及生物质焦与煤焦混合物的水蒸气气化特性.采用程序升温热重法对生物质焦(稻秆焦、高粱秆焦和玉米秆焦)、神木煤焦以及生物质焦与堞焦混合物进行了水蒸气气化实验.结果表明,生物质焦和煤焦在一定温度下的气化速率为:高梁焦>稻秆焦>玉米焦>神木煤焦.并对三种生物质焦、煤焦、生物焦和煤焦混合物的水蒸气气化反应进行:了动力学分析,分析认为,连续反应模型可以在一定程度上反应焦样的水蒸气气化反应动力学.关键词生物质,煤,共气化中图分类号TQ545秆焦和玉米秆焦)、煤焦及两者混合物的水蒸气气化)引.言实验.实验在上海天平仪器厂生产的ZRP-2P型热生物质作为一种可再生能源,其高效洁净利用分析仪上进行,在原热天平上增加了水蒸气发生器，日益受到人们的关注.生物质的热解气化是一种高装置见图1.将稻秆(D)、高粱秆(G)、玉米秆(Y)和效的能源利用方式,可以生产燃料气或化学合成气.3我国农作物秸秆产量大，高效洁净的大规模利用技术落后1.2],致使生物质资源浪费严重.生物质的能之量密度低,单独气化温度较低,气化时生成较多的焦油,不仅降低了生物质的利用效率,而且对气化过程的稳定运行造成不利影响;此外,生物质的供给受到季节的影响,使生物质单独气化的规模受到限制.煤图1热天平装置的气化温度高,生物质与煤共气化通过提高气化温Fig. 1 Schematic diagram of the thermogravimetric度,不仅可以提高生物质的气化效率,减少焦油的生apparatus成，而且可以解决生物质供给的季节性问题,为生物1-- Eletric heater;2-- Nittrogen;13--- TG signal;4-质的高效利用提供一-条新的技术途径.已有研究表Steam generation;5一- Computer:6-- Sample明,生物质与煤共气化过程可能具有协同作用0.0，神木煤(SM)分别放在带有盖子的器皿中,放入马弗主要是因为生物质具有较高的挥发分含量、生物质炉中,在900 C下恒温放置7 min左右,制得稻秆焦焦具有较高的反应性以及生物质灰中的碱金属对煤(DI)、高粱秆焦(G])、玉米秆焦(YJ)和神木煤焦焦气化过程有很好的催化作用.(5.6]国内外对生物(SM]).焦样经研磨,取80目以下的样品作为热重实质与煤的共气化研究目前仍停留在实验室阶段小型验用料.稻秆焦(D])、高粱秆焦(GJ)、玉米秆焦DJ> YJ.生物质因其种类75 ml/min.实验在室温到1 200 C之间进行，升温不同,其所含纤维素、半纤维素及木质索的量和结构速率20C/min.根据热重仪得出的相关原始数据，也不同,所含矿物质的种类和量也不同,都将导致气由式(1)计算焦样-水蒸气气化碳转化率X,绘出碳化反应速率的不同.转化率-温度关系图(见图2).由连续反应模型方程2.2生物质焦与煤焦的共气化式(2)计算焦样的反应速率k,绘出反应速率温度在生物质焦与煤焦共气化时,采用生物质焦与.关系图(见图3).煤焦的质量比为1: 4,实验条件与单独气化的条件W.- W.x= W.(I-V-A)X100%(1)相同.由式(1)计算焦样-水蒸气气化碳转化率X,结dx果见图4.由图4可以看出,三种生物质焦与煤焦混(2)k= dr(1-x) .00F图2显示出三种生物质焦和神木煤焦在水蒸气叫三器气氛下气化的热失重过程碳转化率随温度的变化关30一系.由图2可知,生物质焦的气化温度低,三种生物0-1020-DJ- SMU;J一YJ60-750 800850900 950 1000 105011001150u/C40-图4焦样水蒸气气化碳转 化率温度关系莒20-Fig. 4 Relationship between carbon conversionfraction and temperature60070080090010011001200合物的失重过程基本一致,主要因为混合物中煤焦1/C的重量比较大,占80%.由图4还可以看出,相同温图2焦样水蒸气气化碳转化率温度关系度下混合焦转化率增大的顺序为GSMJ> DSMJ>Fig. 2 Relationship between carbon conversionYSMJ,与生物质焦反应速率的顺序相同.Robert质焦约在700 "C左右就开始发生气化反应,而煤焦等[5]研究表明,富含钾的生物质与煤共气化时,生物在850 C才开始与水蒸气反应.图3显示出生物质质中的钾对煤焦的气化起催化作用.本实验所用生焦和煤焦的反应速率-温度关系.由图3可知，随温物质中,GJ的钾含量最大(3.93%),而YJ的钾含度升高反应速率加快,相同温度下三种生物质的气量最小(1.18%),实验结果可能与碱金属的催化作化反应速率均大于煤焦.由工业分析可以看出,三种用有关.生物质的挥发分含量相差不大,但都远大于神木煤.2.3生物质焦和煤焦 及其混合物的水蒸气气化动而在制焦过程中,大量挥发分的脱除使生物质焦的力学分析孔比表面积增大,气化剂易与固体表面接触，所以反由800C到1050C实验结果得到焦样碳转化应速率较快.三种生物质焦-定温度下的气化速率率和时间的关系,由连续反应模型方程式(2)得到反46煤炭转化2009年应速率k,根据Arrhenius方程式(3)得到Ink与表2焦样水蒸气气化连续反应模型的动力学参数值1/T的关系式(4).绘制出Ink与1/T的关系图,结Table 2 Kinetic parameters of chars during steamgasification for the homogeneous model果见图5,可求得焦样水蒸气气化反应的活化能EActivation energy/Pre exponential factor/和指前因子A,结果见表2.Sample(kJ : mol-)GJ181.72. 715X107k=Aexp(云)(3)D149.57, 430X105YJ188.82.300X I07Ink=InA- R(4)SMJ261.18.304X 109GSMJ247.4 .2. 820X109DSMJ227.34. 303X I04252. 14.379X109三种混合焦水蒸气气化反应活化能增大的顺序为DSMU首-YSMUDSMJ稻秆焦>玉米秆焦>神木煤反映了焦样的水蒸气气化反应动力学,可作为求解焦.对三种生物质焦、煤焦及其混合物的水蒸气气化动力学参数的模型.三种生物质焦和煤焦水蒸气气反应进行了动力学分析,结果表明,连续反应模型可化反应活化能增大的顺序为DJ