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平朔煤和生物质共热解实验研究

摘要：利用热重分析技术对平朔煤、生物质及两者混合物的热解特性进行了研究，考察了生物质掺混比例对平朔煤热解的影响。结果表明，不同掺混比例下生物质与平朔煤共热解时，平朔煤的挥发分析出温度和最大热解速率对应的温度呈现出规律性变化。将混合样品热解时的实际失重速率曲线与按比例折算后的曲线进行对比，发现实际失重速率曲线与折算曲线有所偏差，并不是平朔煤与生物质热解失重速率的简单加和，说明混合热解过程中有协同作用。同时，利用Coats－Redfern法，对平朔煤、生物质及两者混合物的热解主要阶段用一级反应过程描述，计算其动力学参数，发现反应活化能E和指前因子A随着生物质掺混比例不同呈现出规律性变化，对其规律进行了机理分析，证明了掺混生物质对平朔煤热解起到了促进作用，认为平朔煤与生物质共热解过程存在协同效应。

生物质能属于可再生能源，是仅次于煤、石油和天然气之后的第四大能源，具有来源广、污染低、可再生和CO2零排放等优点。中国生物质资源十分丰富，仅农作物秸秆的年产量便有7亿t以上，折合标准煤约为3.5亿t[1]。但是，生物质分布分散、能量密度低、收集运输和预处理费用高、热值低、水分大、转化利用需要外热源。平朔煤内在水分低、灰分较高、硫含量和氯含量高、发热量居中、灰熔点高于1500℃、具有中高挥发分、属于较为年轻的烟煤，所以热解相对易于进行。平朔煤与生物质混合热解可以有效地解决他们单独利用时的问题，同时充分利用了生物质中丰富的碱金属和氢，有可能存在协同效应。

目前，世界各国学者对生物质与煤共热解过程进行了相关研究。Jones等[2]用热重分析仪和气相色谱－质谱联用分析仪，对低阶煤和松木屑在慢速升温条件下进行了混合热解。结果表明，低阶煤和松木屑热解温度区域有部分重叠，而且混合物料热解时挥发分产率有所增加，所以混合物料之间存在协同效应。Wei等[3]对大雁煤、铁法煤、豆秸秆和木质废弃物在自由下落床中进行了共热解实验，发现混合物热解半焦的反应活性增强，认为煤与生物质共热解存在协同效应。阎维平等[4]用生物质混合物和煤共热解，发现生物质对煤的热解同时具有一定的促进和抑制作用，生物质混合物与煤共热解存在协同效应。Collot等[5]在固定床和流化床两种反应器上对欧洲白桦树和DawMill煤进行了共热解研究，固定床实验中发现，焦油产率比其各自单独热解时高4%，而在流化床实验中，挥发分产率比理论值高5%左右。在用森林残余物和波兰煤共热解时发现，除了掺混比例为1：1时，半焦产率与计算值有所差异外，其他掺混比例下，实验值与计算值相一致。

Collot等[5]认为，这些差异太小不能说明它们之间存在协同效应。Pan等[6]在常压下，用热重分析仪对松木屑和多种劣质煤进行了共热解实验研究，热解温度在383~1173K，升温速率为100K/min。结果表明，混合物料之间不存在协同效应。李文等[7]用锯末、稻壳与大同煤按不同比例混合热解，得到共热解转化率为煤与生物质各自转化率之和的结论；当锯末和兖州煤共热解时，两者热解峰之间有重叠区，认为锯末与兖州煤共热解略有协同作用。李世光等[8]利用慢速加热的方法对煤与生物质共热解实验研究，当煤开始热解时，生物质已基本上完全热解，两者之间难以产生协同反应。

本实验采用热重分析方法，对木屑、稻秸秆以及平朔煤在不同掺混比例下进行了热解实验，考察不同掺混比例的木屑和稻秸秆对平朔煤热解特性的影响，并采用一级反应模型求解热解反应的动力学参数，以考察平朔煤与生物质共热解过程中是否存在协同效应。

1实验部分

1.1实验原料

实验选用山西平朔煤、上海地区常见的木屑和崇明地区的稻秸秆。先用磨机将平朔煤和生物质分别研磨，磨碎至一定粒径，然后再将磨细的煤和生物质进行不同比例掺混，并磨碎至粒径小于150目(0.106mm)，储存于105℃干燥箱内备用。原料的工业分析和元素分析见表1。

1.2实验设备

实验所用的仪器为北京恒久科学仪器厂的HCT－2型差热分析仪，该仪器可以对微量试样同时进行差热分析、热重分析及热重微分测量，可在线同步精确测定样品在反应过程中的质量变化，天平灵敏度为0.1μg。

1.3实验步骤

每次实验时，取不同掺混比例的混合样品10mg均匀地放入Al2O3坩埚中，并置于热重分析仪的加热炉内，然后在高纯氮气(99.999%)气氛下以10K/min的升温速率升温至1273K，流量为70mL/min，实验结束后在高纯氮气气氛下冷却至室温。

2结果与讨论

2.1生物质与平朔煤单独热解实验

图1为三种原料单独热解时的DTG曲线。由图1可知，木屑热解的挥发分初析温度和终止温度为528~753K，稻秸秆为508~743K，平朔煤为658~933K。木屑和