甘蔗渣與褐煤共熱解半焦的特性

易霜，何選明，鄭輝，林紅濤，李翠華，李沖

（湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型碳材料重點實驗室，武漢科技大學化學工程與技術(shù)學院，湖北 武漢430081）

甘蔗渣與褐煤共熱解半焦的特性

易霜，何選明，鄭輝，林紅濤，李翠華，李沖

（湖北省煤轉(zhuǎn)化與新型碳材料重點實驗室，武漢科技大學化學工程與技術(shù)學院，湖北 武漢430081）

利用自制的干餾裝置進行褐煤與甘蔗渣的低溫共熱解實驗，并探究甘蔗渣的添加量對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率及半焦品質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明，在甘蔗渣摻混比為 20%時，產(chǎn)物產(chǎn)率的實驗值與理論值偏差達到最大，此時焦油產(chǎn)率的實驗值比理論值高出9.61%；FTIR檢測表明半焦中主要含有—OH、C=C和C=O官能團，且甘蔗渣的添加能促進半焦中苯類化合物轉(zhuǎn)化為其他類低分子化合物；SEM檢測表明褐煤與甘蔗渣共熱解半焦比煤樣單獨熱解半焦孔隙發(fā)達；BET分析表明甘蔗渣與褐煤的相互作用不僅能提高共熱解半焦比表面積，而且能改善孔徑分布，使共熱解半焦孔徑有減小的趨勢。半焦吸附重金屬離子實驗表明未經(jīng)任何處理的煤半焦及甘蔗渣半焦對鉛離子去除率分別達到78.42%和87.80%。

褐煤；生物質(zhì)；共熱解；半焦；吸附

我國油氣資源匱乏及發(fā)展進程的加快使得我國石油的對外依存度不斷增高，自1993年我國成為石油凈進口國，到2014年我國石油對外依存度已接近60%。盡管近年來石油價格下跌，但是為了保證我國的能源安全及社會的可持續(xù)發(fā)展，提高煤炭的利用效率及其他可再生能源的利用率具有重要的意義。生物質(zhì)作為一種可再生能源，利用過程中釋放的二氧化碳等于植物光合作用所消耗的二氧化碳，能實現(xiàn)二氧化碳零排放；生物質(zhì)利用過程同時也能減少SOx和NOx的排放［1］，可減少對環(huán)境的污染。生物質(zhì)與煤共熱解技術(shù)是高效利用煤炭資源及生物質(zhì)資源的重要技術(shù)手段，同時也是煤燃燒、氣化及液化等技術(shù)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵［2-3］。由共熱解技術(shù)可得到氣液固三相產(chǎn)物——煤氣、焦油及半焦，其用途廣泛［4］。相比于燃料單獨熱解，共熱解不僅可以提高焦油等目標產(chǎn)物產(chǎn)率，而且可以一定程度上改善產(chǎn)物品質(zhì)以及降低污染物排放等［5］，因此對共熱解技術(shù)的研究具有重要經(jīng)濟效益及社會效益。

生物質(zhì)與煤的共熱解條件（如溫度、壓力、升溫速率、生物質(zhì)種類及添加比例等）、機理及動力學等已被廣泛研究。ABOYADE等［6］研究表明溫度和壓力對熱解產(chǎn)物產(chǎn)率及分布影響較小，而生物質(zhì)添加比對焦油產(chǎn)率及組成有較大影響。武宏香等［7］對煤與不同種類生物質(zhì)進行熱重分析及動力學研究，實驗結(jié)果表明混合熱解實驗數(shù)據(jù)與單獨熱解參數(shù)按混合比例計算特性參數(shù)不同，并證明生物質(zhì)與褐煤的共熱解過程中存在協(xié)同作用。相比于對共熱解過程的研究，共熱解產(chǎn)物（如半焦）的應(yīng)用研究相對較少，僅有少量文獻［8-9］報道了煤或者生物質(zhì)單獨熱解半焦的結(jié)構(gòu)特征及對有機物的吸附能力，鮮有對生物質(zhì)與褐煤共熱解半焦的結(jié)構(gòu)特征及對重金屬離子的吸附效果的研究。

因此，本實驗利用自制的鋁甑低溫干餾實驗裝置制備褐煤與甘蔗渣在不同摻混比時的共熱解產(chǎn)物，在探究褐煤與甘蔗渣最佳摻混比的同時，利用紅外光譜（FTIR）、電鏡掃描（SEM）、比表面積測定儀（BET）對最佳摻混比的共熱解半焦的結(jié)構(gòu)特性和半焦吸附重金屬離子進行研究。

1 實驗部分

1.1 原料及處理方法

實驗所用原料為農(nóng)業(yè)廢棄物甘蔗渣（GZ）和澳大利亞褐煤（AH）。原料甘蔗渣含水量為 35%～ 40%，將其在空氣中晾曬48h后置于溫度為40℃的鼓風干燥箱中干燥4h，使其含水量低于15%，然后經(jīng)粉碎機粉碎后使粒徑小于0.355mm，裝入密封袋備用，煤樣的制備可參照GB474—2008。甘蔗渣和澳大利亞褐煤的粒徑分布如表1所示，工業(yè)分析和元素分析如表2所示。

表1 甘蔗渣和澳大利亞褐煤的粒徑分布

表2 樣品的工業(yè)分析和元素分析

1.2 實驗方案與方法

在褐煤中添加甘蔗渣，按照甘蔗渣所占樣品總質(zhì)量的0、10%、20%、25%、30%、40%、100%制樣。具體實驗過程如下：取各配比樣品 10g，放入鋁甑干餾爐中，在特定的升溫程序（終溫為510℃，升溫速率為500℃/h，保溫時間為30min）下進行低溫干餾實驗。比較干餾所得各項產(chǎn)物的產(chǎn)率與理論計算值的差異，選取實驗值與理論值偏差最大的甘蔗渣摻混比為最佳配比，并對原料及最 佳配比條件下的混合樣的熱解半焦進行FTIR檢測、電鏡掃描（SEM）、比表面積測定（BET）及重金屬離子吸附實驗。

研究涉及的褐煤與甘蔗渣的鋁甑低溫干餾實驗裝置參照文獻［10］，傅里葉紅外檢測的實驗儀器和方法參照文獻［11］。半焦的鉛離子吸附試驗條件如下：初始鉛離子濃度為50mg/L、半焦加入量為50mg、溶液pH為6、吸附時間為6h、吸附溫度為25℃，

具體操作參照文獻［12］。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱解產(chǎn)物產(chǎn)率

圖1為褐煤與甘蔗渣在不同摻混比時共熱解產(chǎn)物產(chǎn)率分布圖。由圖 1可知，半焦為共熱解的主要產(chǎn)物，隨著甘蔗渣的添加，半焦產(chǎn)率呈下降趨勢，而熱解氣和焦油的產(chǎn)率卻逐漸增加。由工業(yè)分析可知，這是因為甘蔗渣的固定碳含量低于煤樣而揮發(fā)分遠高于煤樣。在甘蔗渣摻混比為40%時，熱解焦油產(chǎn)率增加至12.78%，相比于煤樣單獨熱解提高了44.24%。從化學結(jié)構(gòu)特征分析，甘蔗渣由半纖維素、纖維素和木質(zhì)素等大分子化合物組成，它由 R—O—R等鍵能較低的橋鍵連接，因此容易分解為小分子化合物并以揮發(fā)分的形式析出。而煤是芳香族化合物通過鍵能較高的C—C高度交織在一起的高分子化合物，很難分解為小分子化合物。圖1中共熱解各項產(chǎn)物產(chǎn)率隨摻混比的增加而非線性變化說明煤樣與甘蔗渣之間存在相互作用。

如圖2所示，將共熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的實驗值與理論計算值（質(zhì)量加權(quán)值）對比可知，兩者存在明顯偏差。隨著甘蔗渣摻混比的增加，兩者偏差逐漸增大，在甘蔗渣摻混比為20%時，偏差達到最大，此時焦油產(chǎn)率的實驗值比理論計算值高出9.61%。有研究表明熱解氣氛會影響熱解過程［13］。甘蔗渣熱解過程在煤樣之前，因此熱解析出的揮發(fā)分如H2、CO等易與煤樣反應(yīng)［14］，從而影響熱解過程的反應(yīng)機理、轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)物分布。另一方面，甘蔗渣的H/C為1.79，是褐煤的2.63倍，高的H含量能阻止煤樣在熱解過程中的自由基再聚合及與半焦發(fā)生二次反應(yīng)，從而提高了熱解過程轉(zhuǎn)化率。此外，甘蔗渣中堿/堿土金屬如K、Ca、Na等含量較高，而堿/堿土金屬對煤熱解過程具有一定的催化作用，能促進共熱解過程中“半焦-煤”及“煤氣-煤”之間的反應(yīng)［15］。然而，當甘蔗渣摻混比超過30%時，焦油產(chǎn)率的實驗值反而低于理論計算值。這是因為甘蔗渣密度低，當摻混比增加到一定程度時，甘蔗渣提前熱解產(chǎn)生的炭黑覆蓋在煤表面，阻塞煤的氣孔從而影響熱傳遞及揮發(fā)分的析出。由于促進作用和抑制作用的補償效應(yīng)，因此存在一個最佳摻混比。本實驗甘蔗渣與褐煤的最佳摻混比為20%，低于其他相關(guān)文獻的報道［10，16］，這是因為空氣干燥基的甘蔗渣樣品堆密度（80～90kg/m3）低于其他研究者所選用的藻類生物質(zhì)的堆密度（200～220kg/m3）。本實驗甘蔗渣的最佳摻混比為20%，因此以下研究分析均以20%摻混比混合樣為研究對象，探究甘蔗渣的添加對熱解半焦性質(zhì)的影響。

圖1 共熱解產(chǎn)物產(chǎn)率圖

圖2 共熱解產(chǎn)物產(chǎn)率實驗值與理論值

2.2 熱解半焦紅外分析

為了研究甘蔗渣的添加對共熱解過程的影響及熱解半焦中官能團的變化，將原料、煤樣和甘蔗渣單獨熱解所得到的半焦產(chǎn)物和最佳摻混比的混合物共熱解時的半焦產(chǎn)物進行FTIR檢測。譜圖中3200～3500cm-1處的吸收峰是—OH伸縮振動產(chǎn)生的，主要為酚類化合物；2840～3000cm-1處的吸收峰是脂肪族C—H的伸縮振動產(chǎn)生的；在1500～1800cm-1是C=C、C=O和COOH產(chǎn)生的吸收峰，主要為酮、醛、酸及酯類化合物［17］；1450cm-1附近的吸收帶是由甲基、亞甲基的彎曲振動產(chǎn)生的［18-19］；1000～1350cm-1處的吸收峰是由C—O、C—C碳骨架及C—N（脂肪族氨類）伸縮振動的；600～950cm-1范圍內(nèi)的是苯環(huán)C—H的彎曲振動產(chǎn)生的；650cm-1處的是—OH彎曲振動產(chǎn)生的。

圖3為甘蔗渣和甘蔗渣半焦紅外譜圖，圖4為褐煤和煤半焦紅外譜圖。圖 3中甘蔗渣吸收峰吸收峰較多，將甘蔗渣及甘蔗渣半焦吸收峰對比發(fā)現(xiàn)，甘蔗渣半焦2927cm-1處的脂肪族C—H的伸縮振動峰消失，1731cm-1的 C=C、C=O產(chǎn)生的吸收峰、1394cm-1處的甲基和亞甲基的彎曲振動峰、1253cm-1和1051cm-1處的C—O、C—C伸縮振動峰及603cm-1處的苯環(huán)C—H的彎曲振動峰均明顯減弱，由此說明熱解過程使甘蔗渣中脂肪族化合物和苯環(huán)上的H均減少。另外，C=C、C=O官能團的減少說明熱解使其轉(zhuǎn)化為CO、CO2，并以揮發(fā)分等小分子化合物在熱解過程中釋放出來。圖4中褐煤和煤半焦紅外譜圖對比可知，煤半焦紅外譜圖僅在3415cm-1處的—OH伸縮振動峰有明顯增強，2960cm-1和2857cm-1處的R—CH3的不對稱和對稱的C—H伸縮振動吸收峰［20］消失，低波數(shù)段吸收峰幾乎與褐煤的吸收峰一致。這可能是熱解過程中褐煤的—CH3和—CH2—鍵斷裂后形成的 CH3·和CH2·等含氫多的自由基與含氧關(guān)能團發(fā)生了反應(yīng)，使得煤半焦中—OH明顯增加。圖5為共熱解半焦紅外譜圖。圖中煤半焦的3415cm-1處的—OH伸縮振動峰明顯低于甘蔗渣焦，這是因為甘蔗渣主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，—OH等含氧官能團比褐煤中的多。將共熱解半焦紅外譜圖與原料半焦的譜圖對比發(fā)現(xiàn)，共熱解半焦吸收峰基本介于煤半焦和甘蔗渣半焦吸收峰之間，這說明二者具有一定的加和性。但是共熱解半焦在1571cm-1附近的苯環(huán)吸收峰［20］低于原料半焦的吸收峰，這說明在共熱解過程中兩者的相互作用促進了苯類化合物轉(zhuǎn)化為其他類低分子化合物。

圖3 甘蔗渣和甘蔗渣半焦紅外譜圖

圖4 褐煤和煤半焦紅外譜圖

圖5 共熱解半焦紅外譜圖

2.3 熱解半焦微觀結(jié)構(gòu)

為研究甘蔗渣的加入對低溫共熱解半焦的表面形貌和結(jié)構(gòu)的影響，采用TESCAN VEGA3型掃描電鏡考察了原料褐煤、甘蔗渣和褐煤單獨熱解半焦、甘蔗渣添加量為20%時的共熱解半焦的表面形態(tài)，SEM電鏡掃描圖如圖6所示。

圖6（a）和（b）分別為褐煤、褐煤半焦的SEM圖。對比可知，褐煤表面光滑且平整，沒有明顯的孔隙和裂紋，通過熱解得到的煤半焦表面有少量孔隙。而圖 6（c）中共熱解半焦的表面存在大量孔隙和凹槽。這是因為煤在熱解過程中小分子化合物將以揮發(fā)分形式析出，而揮發(fā)分析出時會在半焦表面及內(nèi)部留下通道［21］，因此褐煤單獨熱解半焦表面也存在少量孔隙。由于甘蔗渣的揮發(fā)分高，添加甘蔗渣之后大量揮發(fā)分析出會在共熱解半焦上留下通道而形成孔隙；另一方面，由產(chǎn)率分析可知甘蔗渣的添加有利于褐煤中固體產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成揮發(fā)性產(chǎn)物，大量的揮發(fā)分析出使共熱解半焦表面有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)。圖6（d）為甘蔗渣半焦的SEM圖，圖中可清晰看出甘蔗渣半焦中的纖維管狀結(jié)構(gòu)以及表面大量的孔隙結(jié)構(gòu)。低溫熱解過程并沒有明顯改變甘蔗渣半焦形貌特征，這說明在低溫共熱解過程與褐煤相互作用的主要是甘蔗渣中的揮發(fā)性物質(zhì)。

圖6 褐煤、褐煤半焦、共熱解半焦、甘蔗渣半焦的SEM圖

2.4 熱解半焦比表面積

為了進一步研究共熱解半焦孔結(jié)構(gòu)特征，利用SA3100比表面積孔隙測定儀在液氮飽和溫度下（77K）對樣品進行靜態(tài)等溫吸附測量，再計算樣品的比表面積和其他孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。表3為褐煤半焦、甘蔗渣半焦及混合半焦在沒有經(jīng)過任何活化處理所測得的比表面積和孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。根據(jù)孔分類規(guī)定：孔寬度小于2nm的為微孔，2～50nm的為中孔，大于50nm的為大孔［22］，表3中3種半焦樣品的孔平均寬度分別為 23.287nm、36.001nm和22.347nm，均屬于中孔。3種半焦中，甘蔗渣半焦的孔平均寬度最大，比表面積、孔體積最小，與經(jīng)過活化的生物質(zhì)半焦相比，孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)相差甚遠，這說明甘蔗渣等生物質(zhì)制備活性炭時需要一定的活化擴孔過程。相比之下，沒有經(jīng)過活化的褐煤半焦具有較大的比表面積和孔體積，孔平均寬度也明顯比甘蔗渣半焦的小。混合半焦的比表面積為292.89m2/g，比褐煤半焦的比表面積略低，這是因為混合半焦是由20%的甘蔗渣和80%的褐煤共熱解所得到的，而按此摻混比下的混合半焦比表面積理論加權(quán)值僅為265.15m2/g；實驗所測混合半焦比表面積與理論加權(quán)值相比提高了10.46%。另外，混合半焦孔平均寬度為22.348nm，比褐煤半焦的甘蔗渣半焦的孔平均寬度均小，這說明甘蔗渣與褐煤的相互作用不僅能提高混合半焦比表面積，而且能改善孔徑分布，使共熱解半焦孔徑有減小的趨勢。

2.5 熱解半焦脫鉛離子

褐煤與甘蔗渣共熱解所得到的半焦存在大量的孔隙結(jié)構(gòu)使半焦的比表面積增大，這有利于半焦用作吸附劑，或者作為活性炭代替品用于污水處理、脫除重金屬離子等方面。表4為半焦對鉛離子的吸附性能參數(shù)，由表可知，在相同的實驗條件下，甘蔗渣半焦對鉛離子去除率和吸附容量均比煤半焦的高，說明生物質(zhì)半焦對鉛離子的脫除能力比煤半焦的高。相關(guān)研究［23-24］表明生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素中所含的羥基、羰基等活性基團易與金屬離子進行配位絡(luò)合反應(yīng)以及離子交換反應(yīng)，從而達到去除某些金屬離子的目的。由圖5也可看出甘蔗渣半焦的羥基官能團含量比褐煤半焦及共熱解半焦均要高，因此甘蔗渣半焦對鉛離子的去除率較高。另外，值得注意的是未經(jīng)任何處理的煤半焦及甘蔗渣半焦對鉛離子的去除率已分別達到78.42%和87.80%，與文獻［25］中活性炭在最佳吸附條件下對重金屬離子的吸附性能接近。盡管混合樣半焦對鉛離子的吸附作用不如煤半焦和甘蔗渣半焦，但混合樣半焦豐富的孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積說明了混合樣半焦有用作其他用途的潛力，仍有待進一步研究。

表3 半焦比表面積和孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)

表4 半焦對鉛離子吸附性能

3 結(jié) 論

通過分析褐煤與甘蔗渣在不同摻混比時的共熱解產(chǎn)物，主要得到以下結(jié)論。

（1）共熱解產(chǎn)物產(chǎn)率的實驗值與理論值存在明顯偏差，說明兩者存在相互作用。在甘蔗渣摻混比為20%時，偏差達到最大，此時焦油產(chǎn)率的實驗值比理論值高出9.61%。

（2）FTIR檢測表明熱解半焦中主要含有—OH、C=C和C=O等官能團；甘蔗渣的添加能促進半焦中苯類化合物轉(zhuǎn)化為其他類低分子化合物。

（3）SEM檢測表明褐煤與甘蔗渣共熱解半焦比煤樣單獨熱解半焦孔隙發(fā)達；BET分析表明甘蔗渣與褐煤的相互作用不僅能提高共熱解半焦比表面積，而且能改善孔徑分布，使共熱解半焦孔徑有減小的趨勢。

（4）未經(jīng)任何處理的煤半焦及甘蔗渣半焦對鉛離子去除率分別達到78.42%和87.80%；盡管混合樣半焦對鉛離子的吸附作用不如煤半焦和甘蔗渣半焦，但其他方面的用途有待進一步研究。

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Characteristics of co-pyrolysis char of sugarcane bagasse and lignite

YI Shuang，HE Xuanming，ZHENG Hui，LIN Hongtao，LI Cuihua，LI Chong
（Hubei Coal Conversion and New Carbon Materials Key Laboratory，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，Hubei，China）

Low-temperature co-pyrolysis of lignite and sugarcane bagasse was undertaken in a homemade carbonization apparatus to study the influence of different sugarcane bagasse ratios in lignite on the yields and quality of chars. The results show that the experimental value of yields deviated from the theoretical values most conspicuously at a mixing ratio of 20%，in which the experimental value of tar yield was 9.61% higher than the theoretical value； FTIR indicated that chars mainly contained —OH，C=C，C=O functional groups and sugarcane bagasse promoted benzene compounds in char transforming into low molecular compounds； SEM images demonstrated that co-pyrolysis char had well-developed pore structure compared with coal char；BET revealed that the interaction of sugarcane bagasse and lignite not only improved the surface area of co-pyrolysis char，but also improved the pore size distribution by reducing pore average width； chars adsorption experiments showed that the lead ion removal rate of coal char and bio-char reached 78.42% and 87.80% respectively.

lignite；biomass；co-pyrolysis；char；adsorption

TK 6；TQ 530.2

A

1000-6613（2016）10-3149-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.019

2016-03-14；修改稿日期：2016-05-11。

易霜（1991—），女，碩士研究生。E-mail horizon5213@ 126.com。聯(lián)系人：何選明，教授，博士生導師，主要研究方向為煤炭綜合利用與綠色煤化工。E-mail xmingh999@126.com。