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文檔簡介
1、<p> 麥秸燃燒和二氧化碳?xì)饣募訅簾嶂胤治龇磻?yīng)研究</p><p> Ole rathmann and Jytte B lllerup</p><p> Riso 國家實(shí)驗(yàn)室燃燒研究所</p><p> DK-400 Rodkide,DENMARK</p><p> 關(guān)鍵詞:麥秸生物質(zhì),加壓,氣化反應(yīng)</p>
2、;<p><b> 摘要</b></p><p> 由于生物質(zhì)如麥秸等是一種用于先進(jìn)加壓發(fā)電廠且不排放二氧化碳的相關(guān)燃料,因此生物燃料的特性正在引起人們的關(guān)注。在這項(xiàng)研究中,通過等溫?zé)崃糠治?,將研究研磨成粉的麥秸在加壓?0巴的情況下的燃燒和二氧化碳?xì)饣磻?yīng),得到的結(jié)果將和一種典型的亞煙煤進(jìn)行比較。最近,已建成的臥式加壓熱量分析儀器投入使用,它可在1200℃,45巴的操作條
3、件下工作。在這項(xiàng)研究中,濕度和特定壓力對反應(yīng)物氧氣和二氧化碳各自的影響是很明顯的。因?yàn)闅饣磻?yīng)也有一氧化碳的抑制作用,所以,具體的總壓力作用不能被觀測到。還有對使用未完全研磨成粉的秸稈片的研究。</p><p><b> 介紹</b></p><p> 生物燃料用于發(fā)電和提供熱量有許多好處,其中最明顯的是不產(chǎn)生二氧化碳和節(jié)約將用盡的化石燃料。此外,在丹麥,國家立法
4、去推動(dòng)使用當(dāng)?shù)乜衫玫纳镔|(zhì),如廢棄木材、秸稈等。鑒于將來,生物質(zhì)燃料的特性研究將與它的燃燒和氣化相關(guān),為高效率的加壓類電廠服務(wù),如IGCC。因此,在斯堪的納維亞和其他地方,研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在各自的國家行動(dòng)起來,研究生物質(zhì)燃料的相關(guān)特性,主要問題是氣壓、溫度和氣體混合物對反應(yīng)效率的影響。</p><p> 利用大樣品垂直加壓熱量分析儀器,人們已經(jīng)研究了特別是木材、秸稈和黑色液炭在適度反應(yīng)率下的氣化反應(yīng)。布萊克德和瑞
5、瑟福特(1985)研究木材、纖維素和木質(zhì)素在溫度達(dá)到800℃、氣壓在1到40巴的情況下的高溫分解。莫萊等人(1993)研究在充滿蒸汽條件下,木炭、炭和黑色液炭的氣化反應(yīng),以及把它與煤和褐煤進(jìn)行比較。但懷特等人(1993b)研究質(zhì)地粗糙的壓制木材和泥炭在850℃、1-20巴條件下的高溫分解和炭汽化為二氧化碳的氣化反。施特勞斯等人(1993)研究了在充滿蒸汽、750-950℃條件下,大量樣品秸稈炭的氣化反應(yīng)。白克曼等人和懷特(1993)研究
6、了黑色液炭,它上關(guān)于在650-800℃、1-30巴情況下,加壓二氧化碳和蒸汽的氣化反應(yīng)研究,同時(shí)存在一氧化碳。從下面的圖可以看出:在高溫分解中,木炭產(chǎn)量隨高溫分解壓力的增加而明顯增加,但反應(yīng)特性有稍微降低。木炭同泥炭和褐煤的反應(yīng)相似,大約比煤的反應(yīng)快一個(gè)數(shù)量級,黑色液炭的反應(yīng)比木材快兩個(gè)數(shù)量級,有蒸汽的氣化反應(yīng)比有二氧化碳的反應(yīng)快4倍。反應(yīng)特性隨溫度的增加而急劇增加,這可以從煤的反應(yīng)中看出來。持續(xù)增加總統(tǒng)壓力,氣體百分比有所降低,這增加
7、了對木材的</p><p> 在這項(xiàng)工作中,我們已經(jīng)研究了秸稈燃燒和二氧化碳?xì)饣磻?yīng)的效率,而秸稈被認(rèn)為是一種在將來丹麥先進(jìn)電站和供熱站中重要的生物質(zhì)燃料。這項(xiàng)工作已簽下協(xié)議并被執(zhí)行,并且丹麥在利用在歐洲聯(lián)盟APAS項(xiàng)目中的埃斯和??死氐膸椭?,它也得到丹麥能源部的支持。</p><p><b> 實(shí)驗(yàn)</b></p><p> 燃料樣品
8、是從丹麥發(fā)電站或直接供熱站得到的普通使用的麥秸。所有秸稈被粉末,秸稈樣品的顆粒直徑小于0.2㎜,在一個(gè)爐子中,經(jīng)過7分鐘900℃的高溫分解熱實(shí)驗(yàn),且在常壓和無氧氣進(jìn)條件下,得到粉末秸稈炭、秸稈節(jié)點(diǎn)塊、秸稈節(jié)點(diǎn)和顆粒。在表1中給出的位加工的復(fù)合燃料和近似復(fù)合物極其相似,但和灰復(fù)合物不同,特別是關(guān)于K2O和P2O5。</p><p> PTGA儀用于這項(xiàng)研究,它是一種杜邦臥式熱量分析儀的改進(jìn)型,最近在RISO建成。
9、燃料樣品被放在一個(gè)直徑1㎝的小鉑盤上,鉑盤懸掛在一個(gè)水平平衡臂上,同時(shí)把它置于和熱天平連在一起的反應(yīng)試管中。反應(yīng)試管通過加熱器從外部加熱,且整個(gè)熱天平操作被置于一個(gè)壓力為351的器皿中。壓力和流控制通過許多閥和流控制操作。測試氣體從惰性氣體氮?dú)饣蝾A(yù)先混合好的氣體中選擇,通過填充器把測試氣體送到反應(yīng)試管的尾部,通過加熱測試氣體去控制溫度。在測試試管中,一種氣體對應(yīng)一種反應(yīng)速率,在1000℃、1厘米每秒時(shí)被看作轉(zhuǎn)換時(shí)間,在樣品狀態(tài),混合氣體
10、的轉(zhuǎn)換時(shí)間大約是100s。平衡系統(tǒng)是來自杜邦公司的部件,且反應(yīng)試管爐子和所有外部系統(tǒng)都是新的。PTGA儀能在45巴和1200℃條件下工作。樣品可加到150㎎來研究,但是對于低密度的燃料,它的顆粒大小的極限由燃料的量決定,一般5-10g。數(shù)據(jù)資料每2s記錄1次。</p><p> 高溫分解實(shí)驗(yàn)在一種惰性測試氣體和變化的溫度下進(jìn)行。燃燒和氣化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)在等溫情況下進(jìn)行,溫度的控制通過采用惰性氣體來控制,它可采用氮?dú)狻?/p>
11、氧氣或氮?dú)?、二氧化碳和一氧化碳的混合氣體。能夠測得最大轉(zhuǎn)化率,它由測試氣體的轉(zhuǎn)換時(shí)間和反應(yīng)物到樣品的最大擴(kuò)散速率及樣品的最大擴(kuò)散速率設(shè)定。試驗(yàn)重量信號通過浮力和平衡臂長度延伸可以補(bǔ)償,它在標(biāo)準(zhǔn)化測試基礎(chǔ)上進(jìn)行。對于反應(yīng)實(shí)驗(yàn),重量補(bǔ)償之后,X和R有一個(gè)變化:</p><p><b> (1)</b></p><p><b> (2)</b>&l
12、t;/p><p> 在干燥無灰基的條件下,mc和mc0是瞬時(shí)和初始各自的炭量。</p><p> 每一個(gè)實(shí)驗(yàn)具有各自的特征:反應(yīng)轉(zhuǎn)化到50%時(shí),R0.5和隨X變化的變值R。X是一個(gè)約數(shù),用來表達(dá)每個(gè)反應(yīng)類型,它被一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的反應(yīng)式f(x)(當(dāng)x=0.5時(shí)標(biāo)準(zhǔn)值取0.1)表示。一定的反應(yīng)度對應(yīng)一個(gè)估計(jì)的反應(yīng)時(shí)間,它可通過下面式子算得:</p><p><b>
13、; (3)</b></p><p><b> 結(jié)論</b></p><p> 少部分高溫分解實(shí)驗(yàn)用原始的粉末秸稈樣品在溫度為150-1000℃的范圍內(nèi)進(jìn)行,可以看到熱效率和壓力的影響。氣壓在20巴,熱速率為10℃/min、30℃/min或50℃/min時(shí),對炭產(chǎn)量沒有影響。當(dāng)熱速率為30℃/min時(shí),炭產(chǎn)量有些許增長:1.5巴、20巴、40巴對應(yīng)的
14、炭增量為15%、20%和22%(±2.5%),最大的高溫分解率發(fā)生在一個(gè)狹小的范圍內(nèi):342-355℃。為了明確壓力對炭產(chǎn)量的影響,更多的精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是必須的。如這些結(jié)果表明的那樣:常壓下,高溫分解對炭產(chǎn)量毫無影響。</p><p> 燃燒反應(yīng)在溫度為300-410℃間,壓強(qiáng)為1.5巴-40巴間,同時(shí)氧氣在0.08-0.8間測量時(shí),R0.5的結(jié)果如圖例2所示。反應(yīng)隨轉(zhuǎn)化度的增加而增加,X=0.2時(shí)的
15、值是X=0.5時(shí)的值的0.6倍,X=0.8是的值是X0.5是值的1.7倍。但是,在低溫時(shí),這些結(jié)果不能直接應(yīng)用于實(shí)際情況,不能和相應(yīng)的煤的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。在40℃,氧氣為0.26巴時(shí),其反應(yīng)效率是0.002s-1,大約是相應(yīng)煤的反應(yīng)效率的30倍。依靠溫度和氧氣部分的壓力得到110KJ/mole的反應(yīng)能和0.61的反應(yīng)級數(shù)。反應(yīng)能量和相關(guān)煤的能量近似,但反應(yīng)級數(shù)較低。沒有觀察到總壓力發(fā)揮重大影響。</p><p>
16、 二氧化碳的氣化反應(yīng)在流態(tài)化床上測量,相關(guān)的溫度范圍在850-1050℃,氣壓在20巴,反應(yīng)中是3中氣體的混合物,包括一種抑制化合物一氧化碳,數(shù)據(jù)如圖例3所示。一些實(shí)驗(yàn)稱:在4和40巴時(shí),CO2/CO部分的壓力沒有改變。在1000℃時(shí),R0.5被測定為0.006s-1,二氧化碳為0.7巴,一氧化碳不存在。隨著轉(zhuǎn)換程度增加,反應(yīng)效率也增加,X值為0.2、0.8時(shí),R0.5的值分別是X=0.5時(shí)R0.5的0.6和2倍。根據(jù)懷特等人1993年
17、測定的結(jié)果,此時(shí),秸稈的反應(yīng)效率大約比相應(yīng)的煤的反應(yīng)效率快16倍,比木材的反應(yīng)效率快1.5-2倍。R0.5的結(jié)果根據(jù)朗繆爾-欣謝爾伍德的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式可以算得,即:</p><p> R0.5=k1Pco2/(1+aPco+bPco2)</p><p> 式中k1、a、b依據(jù)阿列紐斯參數(shù),然而,對于a、b,采用負(fù)的活化能。盡管實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)非系統(tǒng)的變化,飽和度(用參數(shù)b來表示)被清楚
18、的觀測到,在缺乏一氧化碳和二氧化碳,壓力從0.7巴增加到2.2巴的條件下,反應(yīng)效率的增加低于按比例的增加。而且當(dāng)CO2/CO測試氣體由2/0巴變?yōu)?/2巴時(shí),反應(yīng)效率有明顯降低,從1.5-5倍。這清楚地表明在測試溫度下的抑制作用(用參數(shù)a來表示)。在飽和度和抑制作用的雙重影響下,隨著溫度的升高有一個(gè)預(yù)期的下降。目前,結(jié)論太少而不能決定一個(gè)明確的關(guān)于熱力學(xué)的參數(shù),但是如圖例3所示,根據(jù)朗繆爾-欣謝爾伍德的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式,從相關(guān)的煤的燃燒中
19、,結(jié)合參數(shù)k1的值,能夠得到有用的a和b的值。然而,參數(shù)k1的值和濕度有關(guān),且依據(jù)參數(shù)a和b的實(shí)際應(yīng)用。測試表明,隨著總壓力增大,反應(yīng)效率有適當(dāng)降低,當(dāng)持續(xù)供給二氧化碳和一氧化碳混合氣體,從4巴增加到40巴時(shí),反應(yīng)效率可能降低達(dá)2倍。相反,現(xiàn)今數(shù)據(jù)表明,黑色液體炭的反應(yīng),當(dāng)持續(xù)供給混合氣體時(shí),會(huì)增加反應(yīng)效率。</p><p> 在900-1000℃,氣壓在20巴,CO2/CO混合氣體為2/2巴條件下,測量未磨成
20、粉末的秸稈顆粒的反應(yīng)。相對于一般炭,粉末的節(jié)點(diǎn)顆粒達(dá)到反應(yīng)比它快2.5倍,節(jié)點(diǎn)顆粒在900℃比它慢2倍,但在950℃和1000℃,他是粉末秸稈反應(yīng)的3倍。谷物的反應(yīng)率比粉末快2.5倍。節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)顆粒令人驚奇的較快的反應(yīng),可能是由于樣品不緊密結(jié)構(gòu)的原因,但是對于節(jié)點(diǎn)這種行為也可能是由于灰中,催化劑K2O較為集中的緣故。</p><p><b> 討論和結(jié)論</b></p>&l
21、t;p> 在目前的麥秸研究中,PTGA儀器已經(jīng)被證明是一種在適當(dāng)反應(yīng)率下對生物質(zhì)燃料反應(yīng)分析的有價(jià)值的儀器。</p><p> 粉末秸稈高溫分解表明:隨著壓力的增加,炭產(chǎn)量僅有很小的增長。秸稈炭樣品的加壓燃料和氣化反應(yīng)研究表明在40巴高溫分解只有很低的發(fā)熱率,但是研究大多在20巴條件下進(jìn)行。</p><p> 秸稈燃燒反應(yīng)在低溫(大約350℃)且氧氣為0.08-0.8巴情況下,
22、相應(yīng)煤在同樣條件下反應(yīng)高一個(gè)等級。依靠氧氣部分壓力是較弱的,且沒有觀測的總體壓力(分壓是一個(gè)常數(shù))的重大作用。</p><p> 在大約950℃,CO2/CO壓力約為1巴條件下,研究二氧化碳的氣化反應(yīng)。它表明在二氧化碳飽和及一氧化碳抑制狀態(tài)下,根據(jù)朗繆爾-欣謝爾伍德的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)公式,這些結(jié)果能夠被理解,但是更多精確的測試必須去精確確定熱力學(xué)參數(shù)。毫無疑問,秸稈炭反應(yīng)的能量被發(fā)現(xiàn)比相干的煤高一個(gè)級數(shù),也比木材生物
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