煤焦與生物質(zhì)焦共氣化動(dòng)力學(xué)研究

1、煤焦與生物質(zhì)焦共氣化動(dòng)力學(xué)研究生物質(zhì)能作為一種以化學(xué)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(diǎn),可以作為新的補(bǔ)給能源,在一定程度上解決煤、石油等化石能源儲(chǔ)量有限的問(wèn)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(diǎn),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(dú)氣化也存在一些缺點(diǎn),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(bǔ)生物質(zhì)單獨(dú)氣化存在的原料供應(yīng)不穩(wěn)定及床層不穩(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(diǎn)并受到重視。同時(shí)煤或生物質(zhì)的氣化是由其熱解和焦的氣化兩個(gè)主要過(guò)程組成

2、,因焦的氣化速率遠(yuǎn)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(lài)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(lèi)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(duì)象。另外,還選取了錫林浩特褐煤并將其制成半焦。對(duì)四種半焦進(jìn)行了基礎(chǔ)的煤質(zhì)分析,對(duì)四種焦樣還進(jìn)行了比表面積及孔徑分布測(cè)試。在此基礎(chǔ)上運(yùn)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?xì)饣姆磻?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(gè)溫度條件下分別與兩種氣化劑的再氣化反應(yīng)。分別

3、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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,并從中選出了最適合模型求取了氣化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù),分析了動(dòng)力學(xué)參數(shù)間的補(bǔ)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(guò)程中的交互作用。根據(jù)常壓熱天平實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分別計(jì)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?yàn)殇從拘及虢?amp;gt;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應(yīng)過(guò)程都是典型的非均相吸熱反應(yīng),

4、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(guò)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(dāng)與水蒸氣反應(yīng)過(guò)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碳及水蒸氣反應(yīng)過(guò)程中，當(dāng)反應(yīng)溫度為1073K時(shí)，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(dāng)反應(yīng)溫度大于等于1173K時(shí),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

5、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(gè)別實(shí)驗(yàn)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。(6)當(dāng)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(guò)程中,未反應(yīng)收縮核模型對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線(xiàn)性擬合度高。并由此得出了有關(guān)的動(dòng)力學(xué)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149181kJ/mol之間，與純水蒸氣反應(yīng)的活化能介于125194kJ/mo1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(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng),其分析可由過(guò)渡

6、態(tài)理論予以解釋。(7)對(duì)于MX20%XLHT80%合焦來(lái)說(shuō)，隨著混合焦氣化率的增加，水蒸氣再氣化動(dòng)力學(xué)分析所得的活化能值亦增加；而對(duì)于MX35%XLHT65%MX50%XLHT50%的混合焦來(lái)說(shuō),隨著混合焦氣化率的增加,水蒸氣再氣化動(dòng)力學(xué)分析所得的活化能值不斷減小。但當(dāng)部分氣化混合焦與二氧化碳反應(yīng)時(shí),其動(dòng)力學(xué)分析所得的活化能變化與水蒸氣再氣化動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果相反。(8)純二氧化碳及純水蒸氣作氣化劑時(shí)，只有在1073K,MX20%XLHT80%焦在氣化過(guò)程中存在促進(jìn)作用,其它實(shí)驗(yàn)條件時(shí)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(dú)氣化速率的疊加值,除個(gè)別數(shù)據(jù)外,從整體上來(lái)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(dú)氣化速率的疊加值。(10)不同配比的混合焦當(dāng)與二氧化碳及水蒸氣氣化過(guò)程中,只有MX20%XLHT80%焦在1073K反應(yīng)結(jié)束后，固體產(chǎn)物質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)值小于理論計(jì)算值；而在其他條件時(shí),則實(shí)驗(yàn)值大于理論計(jì)算值,這與前面的碳轉(zhuǎn)化率實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算值的比較結(jié)果相符。(11)不僅鋸木屑半焦與褐煤半焦以1：4比例混合在1073K氣化時(shí)