煤焦與生物質(zhì)焦共氣化動力學研究.pdf

1、生物質(zhì)能作為一種以化學能形式貯存在生物質(zhì)體內(nèi)的能量，由于其具有可再生性、性能也比較穩(wěn)定、并且很少受自然因素制約等特點，可以作為新的補給能源，在一定程度上解決煤、石油等化石能源儲量有限的問題。而且生物質(zhì)由于具有揮發(fā)分含量高、氣化反應(yīng)性高、灰分含量低等特點，比較適合做氣化原料。生物質(zhì)氣化技術(shù)已有一百多年的發(fā)展歷史。但生物質(zhì)單獨氣化也存在一些缺點，如技術(shù)落后、規(guī)模小、效率低。但將生物質(zhì)與煤共氣化可以很好地彌補生物質(zhì)單獨氣化存在的原料供應(yīng)不穩(wěn)定

2、及床層不穩(wěn)定等缺陷。因此，將煤與生物質(zhì)共氣化已成為新的研究熱點并受到重視。
　　 同時煤或生物質(zhì)的氣化是由其熱解和焦的氣化兩個主要過程組成，因焦的氣化速率遠低于煤及生物質(zhì)的熱解速率，所以煤或生物質(zhì)的氣化特性主要依賴于其脫除揮發(fā)分后生成焦的反應(yīng)速率。本文選取了三種不同種類的生物質(zhì)-鋸木屑、白松和玉米秸稈，將其制成半焦作為研究對象。另外，還選取了錫林浩特褐煤并將其制成半焦。對四種半焦進行了基礎(chǔ)的煤質(zhì)分析，對四種焦樣還進行了比表面積及

3、孔徑分布測試。在此基礎(chǔ)上運用熱分析技術(shù)，首先研究了三種生物質(zhì)半焦及褐煤半焦在常壓、1073K與二氧化碳氣化的反應(yīng)性差異，其次研究了褐煤半焦、鋸木屑半焦及不同配比混合焦在常壓、純水蒸氣和純二氧化碳、不同溫度下的氣化特性，最后研究了三種不同配比的部分氣化混合焦在四個溫度條件下分別與兩種氣化劑的再氣化反應(yīng)。分別用容積反應(yīng)模型、未反應(yīng)收縮核模型和混合反應(yīng)模型對實驗數(shù)據(jù)進行了擬合，并從中選出了最適合模型求取了氣化反應(yīng)動力學參數(shù)，分析了動力學參數(shù)間

4、的補償效應(yīng)，最后探討了生物質(zhì)半焦與褐煤半焦混合后再分別與水蒸氣及二氧化碳共氣化過程中的交互作用。
　　 根據(jù)常壓熱天平實驗數(shù)據(jù)，分別計算了三種生物質(zhì)半焦、褐煤半焦及三種不同配比混合焦的固定碳轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、反應(yīng)性指數(shù)及平均比氣化速率，結(jié)果表明：
　　 (1)三種生物質(zhì)半焦及褐煤半焦的反應(yīng)活性由高到低的順序為鋸木屑半焦>褐煤半焦>玉米秸稈半焦>白松半焦。
　　 (2)褐煤半焦、鋸木屑半焦與二氧化碳及水蒸氣的氣化反

5、應(yīng)過程都是典型的非均相吸熱反應(yīng)，升高溫度反應(yīng)速率常數(shù)增大，即在較高的溫度下有較高的反應(yīng)活性。
　　 (3)褐煤半焦、鋸木屑半焦及三種不同配比的混合焦在與二氧化碳反應(yīng)過程中，反應(yīng)速率均隨碳轉(zhuǎn)化率的增加而單調(diào)下減。而當與水蒸氣反應(yīng)過程中，隨著碳轉(zhuǎn)化率的增加，氣化反應(yīng)速率先增大后減小，最后降到零。而在同一轉(zhuǎn)化率下，溫度升高，氣化反應(yīng)速率增加，另外，最大反應(yīng)速率是隨著溫度的升高而增加。
　　 (4)三種不同配比的混合焦在與二氧化

6、碳及水蒸氣反應(yīng)過程中，當反應(yīng)溫度為1073K時，混合焦的反應(yīng)速率大致介于鋸木屑半焦和褐煤半焦之間，而當反應(yīng)溫度大于等于1173K時，混合焦的反應(yīng)速率低于單一焦樣的反應(yīng)速率。
　　 (5)同一氣化劑條件下，褐煤半焦、鋸木屑半焦及三種不同配比混合焦的反應(yīng)性指數(shù)、平均比氣化速率均隨溫度的升高而增加；除個別實驗外，同一氣化溫度下混合焦的反應(yīng)性指數(shù)、平均比氣化速率均小于單一焦樣的值，并且均隨著混合焦中生物質(zhì)半焦量的逐漸增大而減小。

7、　　 (6)當褐煤半焦、鋸木屑半焦和混合焦與二氧化碳及水蒸氣反應(yīng)過程中，未反應(yīng)收縮核模型對實驗數(shù)據(jù)的線性擬合度高。并由此得出了有關(guān)的動力學參數(shù)k，A，Ea表明：五種焦樣的反應(yīng)速率常數(shù)介于0.0807～19.2618之間；五種焦樣與純二氧化碳反應(yīng)的活化能介于149～181kJ/mol之間，與純水蒸氣反應(yīng)的活化能介于125～194kJ/mol之間。并且分析指前因子和活化能發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在動力學補償效應(yīng)，其分析可由過渡態(tài)理論予以解釋。

8、r>　　 (7)對于MX20％XLHT80％的混合焦來說，隨著混合焦氣化率的增加，水蒸氣再氣化動力學分析所得的活化能值亦增加；而對于MX35％XLHT65％和MX50％XLHT50％的混合焦來說，隨著混合焦氣化率的增加，水蒸氣再氣化動力學分析所得的活化能值不斷減小。但當部分氣化混合焦與二氧化碳反應(yīng)時，其動力學分析所得的活化能變化與水蒸氣再氣化動力學研究結(jié)果相反。
　　 (8)純二氧化碳及純水蒸氣作氣化劑時，只有在1073K，M

9、X20％XLHT80％混合焦在氣化過程中存在促進作用，其它實驗條件時則產(chǎn)生明顯的抑制作用。
　　 (9)三種不同配比混合焦氣化最大失重速率不等于生物質(zhì)焦和煤焦單獨氣化速率的疊加值，除個別數(shù)據(jù)外，從整體上來看混合焦的氣化最大失重速率低于生物質(zhì)焦和煤焦單獨氣化速率的疊加值。
　　 (10)不同配比的混合焦當與二氧化碳及水蒸氣氣化過程中，只有MX20％XLHT80％混合焦在1073K反應(yīng)結(jié)束后，固體產(chǎn)物質(zhì)量的實驗值小于理論計算