小粒径低阶煤与生物质共热解特性及协同效应研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong559
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我国低阶煤资源丰富,低阶煤热解是一种易于实现的高值化利用煤炭的途径,但是单纯的低阶煤热解转化率不高。生物质和低阶煤的热解过程相似,低阶煤的H/C比较低,生物质的H/C比较高,利用两种物质理化性质上的差异,将小粒径低阶煤与生物质充分混合共热解研究它们的共热解特性,推动两种资源在物质结构和性质上的取长补短,实现低阶煤与生物质的高效清洁利用。本文以次烟煤和玉米秸秆为研究对象,通过工业分析、元素分析和热值测试等了解研究对象的基本物质特性,在此基础上通过同步热分析仪开展了次烟煤与玉米秸秆的热解特性研究,发现由于生物质与低阶煤在物质结构和化学特性上的差异,使两者的挥发物的热解温度范围不同。次烟煤的热分解主要发生在220℃-715℃左右,在445℃下达到最大的失重速率,为1.79%/min。玉米秸秆的热分解主要发生在160℃-525℃左右,在335℃下达到最大的失重速率,为6.38%/min。随着升温速率从10℃/min增大到40℃/min,次烟煤的脱挥发分指数D从2.102×10-7增大到7.355×10-7,玉米秸秆的脱挥发分指数D从1.470×10-6增大到6.438×10-6,提升升温速率可以很好的改善次烟煤与玉米秸秆挥发分的释放。利用次烟煤与玉米秸秆共热解TG曲线的试验值和理论计算值之间的偏差?W来评估协同效应可以发现,当升温速率从30℃/min增大到40℃/min时,?W从3.115%增大到8.035%。在高升温速率下,次烟煤与玉米秸秆的共热解过程发生了协同效应,促进了共热解过程挥发分的释放。随着升温速率的提高,次烟煤与玉米秸秆共热解过程的协同效应增强。建立了热解过程的动力学模型并用Malek法推导了热解反应机理,发现次烟煤热解的最概然机理函数为反应级数n=2,对应的反应机理函数为1)1)()=(1-)2,()=(1-)-1-1。玉米秸秆热解的最概然机理函数为收缩圆柱体,对应的反应机理函数为1)1)()=2(1-)12,()=1-(1-)12。通过次烟煤与玉米秸秆及其混合物在固定床热解装置中的热解试验,研究了玉米秸秆的添加对次烟煤热解产物分布及性能的影响。发现次烟煤与玉米秸秆及其混合物热解产物中热解炭产率最高,玉米秸秆热解挥发分产率明显高于次烟煤热解挥发分产率,玉米秸秆的加入使得热解炭产率降低了0.17%、热解油产率降低了1.93%,热解水产率升高了0.78%,热解气产率升高了1.32%。通过气相色谱仪对气体组成的检测发现次烟煤与玉米秸秆及其混合物热解烃类气体产物中CH4产率最高,无机气体产物中CO2产率最高。玉米秸秆的加入使得含H类气体产物产率降低,CO和CO2产率升高,热解气热值降低。通过JSM-IT200扫描电子显微镜对次烟煤及其热解炭、玉米秸秆及其热解炭的表观形貌和结构进行观察,发现次烟煤颗粒表面粗糙,经热解后热解炭表面形成许多致密的小孔,导致热解炭孔隙率增大。玉米秸秆颗粒表面光滑,经热解后热解炭表面形成丰富的大孔结构,部分大孔在热应力和表面张力作用下坍塌使一些孔隙连接在一起形成孔道。本研究为次烟煤与玉米秸秆共热解过程中的协同作用提供理论支撑,为次烟煤与玉米秸秆共热解技术的规模工程化应用提供参考依据。
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