生物質與煤共熱解特性研究

劉 勇，尹 凡，吳 剛，唐宇晴

(宿州學院 化學化工學院，安徽 宿州 234000)

生物質與煤共熱解特性研究

劉 勇，尹 凡，吳 剛，唐宇晴

(宿州學院 化學化工學院，安徽 宿州 234000)

采用熱重分析的方法對三種生物質(花生殼、木屑、核桃殼)和煤樣在高純N2氣氛下，按照一定升溫速率(20 K/min)分別進行單獨熱重實驗及不同摻混比例生物質與煤樣進行共熱解實驗。結果表明：生物質與煤進行共熱解時，隨著生物質添加量的增加，樣品的失重速率增加，且熱解的開始溫度向低溫區平移并大大縮短了熱解所需的時間。

生物質；煤；共熱解

我國煤炭資源豐富，且我國在生產和消耗煤的方面穩居世界第一[1-2]，由于煤炭是不可再生的能源，并且煤炭的燃燒對環境造成了嚴重的污染[3-4]，限制了煤的利用。同時我國也是農業大國，據有關部門統計，僅僅在廢棄的農林和植物秸稈等生物質的儲存量，約等于9億t的標準煤[5]。與煤炭相比，生物質的成本更低，可再生，能夠實現零排放等。目前生物質在我國大部分還是直接燃燒和丟棄，這樣不僅是對資源造成浪費也會對自然環境造成污染[6-7]。生物質與煤共同熱解不僅可以提高煤的轉化速率，對于降低煤炭燃燒時造成的環境污染和預防自然資源的浪費具有積極的意義[8-9]。本文選用皖北礦務局的祁東礦煙煤，研究生物質(花生殼，木屑，核桃殼)與煤的共熱解特性。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

NETZSCH-STA409C型熱重分析儀，TQ-3A碳氫分析儀，WDL-6E微機快速一體硫機，FA1104B型天平，SX-20-12型箱式電阻爐，HTGT-3000自動工業分析儀，XL-1廂式電阻爐，粉碎機，烘箱，發熱量測定儀，722分光光度計和一些簡單的玻璃儀器等。

材料：實驗用煤樣為皖北祁東礦煙煤(MY)，生物質采用花生殼(HSK)，木屑(MX)和核桃殼(HTK)，煤樣的粒度和生物質粒度大小均選擇小于0.2 mm。

1.2 實驗方法

實驗用熱重分析儀，使用材質為Al2O3的坩堝，用高純N2作為實驗的保護氣，流量控制為50 mL/min，熱解升溫速率設置為20 ℃/min，每次加入樣品的量為(10+0.8) mg。生物質(核桃殼、花生殼和木屑)的添加量分別為5%、10%、15%、20%、25%、40%、60%、80%。煤和生物質的工業分析及元素分析見表1。

表1 煤與生物質的工業分析、元素分析及發熱量

2 實驗結果與討論

2.1 煤樣單獨熱解的TG-DTG曲線分析

圖1 煤樣單獨熱解的TG-DTG曲線

由圖1可知，煤在40℃到1000℃的加熱過程中總的失重量占總質量的36.65%。煤在此溫度區間的熱解過程大致上可以分為三個階段：第一階段溫度區間小于400℃，試樣表面的部分水分和易揮發性的組分由于受熱析出，失重量占樣品總質量的5.88%；第二階段是400 ℃到580 ℃，這一階段主要發生劇烈的熱解縮聚反應，失重速率迅速增加，失重量占整個失重的22.01%；第三階段為580 ℃至1000 ℃，因為煤受熱發生一系列的化學反應并逐漸形成焦炭，反應緩慢而趨于停止，存在少量的可揮發性組分緩慢地析出，此階段的失重量達到了7.71%。

2.2 煤樣與花生殼共熱解TG/DTG曲線分析

由圖2可知，在230 ℃至350 ℃區間試樣開始出現失重峰，樣品熱解的DTG曲線中單一的花生殼和煤樣均只有一個失重峰，而混合試樣均具有兩個失重峰，且隨著花生殼質量分數的增加失重峰逐漸地向低溫區移動，且樣品發生劇烈縮聚反應的溫度區間也在不斷向低溫區移動。花生殼為10%和15%的TG曲線在320 ℃至460 ℃的低溫區的失重率增加，但是在高溫區隨著溫度的增加其失重率逐漸下降。從25%到80%之間樣品的失重率隨著花生殼質量分數的增加不斷增加。

2.3 煤樣與核桃殼共熱解TG/DTG曲線分析

由圖3可知，核桃殼與煤的混合熱解過程分為兩個階段：第一階段的溫度區間為230 ℃至410 ℃，該階段主要發生核桃殼的熱解，隨著核桃殼在樣品中所占比例的增加其失重速率增加。第二階段在410 ℃以上，主要是煤的熱解并伴隨核桃殼的炭化。這兩個階段分別體現了核桃殼和煤單獨熱解的特性。隨著核桃殼質量分數的增加，混合物的失重率也增加，這是由于核桃殼的加入使樣品中可揮發性的物質增加，促使TG曲線整體向低溫區平移，煤熱解的起始溫度提前，熱解的速率逐漸增大且時間減少。通過計算，混合試樣的失重率并不僅僅只是試樣中核桃殼失重率與煤失重率的簡單相加，而是核桃殼與煤樣共同作用的結果。

圖3 煤樣與核桃殼共熱解TG-DTG曲線

2.4 煤樣與木屑共熱解TG/DTG曲線分析

由圖4可知，TG曲線上代表失重的區間有兩段，分別與DTG曲線上兩個失重峰相對應。第一階段劇烈失重溫度區間在250 ℃到430 ℃，在該溫度區間失重程度最大。劇烈失重的溫度區間與木屑單獨熱解時大致相同，失重速率的增加與木屑質量分數的增加成正相關。說明在該溫度區間內主要是木屑中的木屑素與纖維素發生熱解所引起的。第二階段急劇失重在430 ℃以后，在該階段主要是以煤的熱解反應為主，并且伴隨著木屑的炭化。

圖4 煤樣與木屑共熱解TG-DTG曲線

3 結論

(1)隨著生物質質量分數的不斷增加，樣品的失重率也在不斷增加，樣品發生劇烈失重的溫度區間也隨著生物質在樣品中質量分數的增加不斷向低溫區移動，即隨著生物質質量分數的不斷增加，樣品逐步表現出了生物質顆粒的熱解特性。同時通過計算，混合樣的失重也不僅僅只是樣品中生物質失重與煤失重的簡單相加，而是生物質與煤相互作用的結果。

(2)樣品中所含生物質不同對樣品的失重速率及失重率的影響也不同，花生殼對樣品的共熱解影響最強，木屑次之，核桃殼最弱，但是都比煤樣的失重率和失重速率大。

[1] 宋利強,周 敏,孟 磊,等.稻殼與煤的共熱解特性[J].中國農機化,2011(4):114-118.

[2] 朱孔遠,諶倫建,馬愛玲,等.生物質與煤熱解特性及動力學研究[J].農機化研究,2010(3):202-206.

[3] 李世光,徐紹平.煤與生物質的共熱解[J].煤炭轉化,2002,25(1):7-12.

[4] 孫云娟,蔣劍春,徐俊明,等.生物質與煤共熱解研究現狀[J].現代化工,2010,30(2):1-5.

[5] 嚴 東,周 敏,宋利強.煤與稻殼共熱解熱重分析及動力學[J].化學工程,2012,40(9):60-68.

[6] 何選明,潘 葉,陳 康,等.生物質與低階煤低溫共熱解轉化研究[J].煤炭轉化,2012,35(4):11-15.

[7] 李 文,李保慶,孫成功,等.生物質熱解、加氫熱解及其與煤共熱解的熱重研究[J].燃燒化學學報,1996,24(4):341-347.

[8] 王曉鋼,魯光武,路進升.生物質與煤摻燒燃燒特性的實驗研究[J].可再生能源,2014,32(1):87-92.

[9] 朱孔遠,諶倫建,黃光許,等.煤與生物質共熱解的TGA-FTIR研究[J].煤炭轉化,2010,33(3):10-14.

(本文文獻格式：劉 勇，尹 凡，吳 剛，等.生物質與煤共熱解特性研究[J].山東化工,2017,46(11):15-17.)

Study on the Co-pyrolysis Characteristics of Biomass and Coal

LiuYong,YinFan,WuGang,TangYuqing

(School of Chemistry&Chemical Engineering,Suzhou University,Suzhou 234000,China)

Using the method of thermal gravimetric analysis, three kinds of biomass (peanut shell, sawdust, walnut shell) and coal samples under high pure N2atmosphere, according to a certain heating rate (20 K/min) were carried out separately thermogravimetric experiments and different mixing ratio of biomass and coal samples for co-pyrolysis experiment. The results showed that the weight loss rate of the samples increased with the increase of biomass, and the starting temperature of the pyrolysis of biomass and coal were greatly reduced and the time required for the pyrolysis was greatly shortened.

biomass;coal;co-pyrolysis

2017-04-07

國家大學生創新訓練項目(201610379019)；安徽省大學生創新訓練項目(201610379199)；宿州學院第十屆大學生科研項目(KYLXLKYB16-03)

劉 勇(1994—)，男，安徽合肥人，本科，主要從事煤化工及納米材料方面的研究。

TQ530.2

A

1008-021X(2017)11-0015-03