生物质与煤共热解特性研究

刘 勇，尹 凡，吴 刚，唐宇晴

(宿州学院 化学化工学院，安徽 宿州 234000)

生物质与煤共热解特性研究

刘 勇，尹 凡，吴 刚，唐宇晴

(宿州学院 化学化工学院，安徽 宿州 234000)

采用热重分析的方法对三种生物质(花生壳、木屑、核桃壳)和煤样在高纯N2气氛下，按照一定升温速率(20 K/min)分别进行单独热重实验及不同掺混比例生物质与煤样进行共热解实验。结果表明：生物质与煤进行共热解时，随着生物质添加量的增加，样品的失重速率增加，且热解的开始温度向低温区平移并大大缩短了热解所需的时间。

生物质；煤；共热解

我国煤炭资源丰富，且我国在生产和消耗煤的方面稳居世界第一[1-2]，由于煤炭是不可再生的能源，并且煤炭的燃烧对环境造成了严重的污染[3-4]，限制了煤的利用。同时我国也是农业大国，据有关部门统计，仅仅在废弃的农林和植物秸秆等生物质的储存量，约等于9亿t的标准煤[5]。与煤炭相比，生物质的成本更低，可再生，能够实现零排放等。目前生物质在我国大部分还是直接燃烧和丢弃，这样不仅是对资源造成浪费也会对自然环境造成污染[6-7]。生物质与煤共同热解不仅可以提高煤的转化速率，对于降低煤炭燃烧时造成的环境污染和预防自然资源的浪费具有积极的意义[8-9]。本文选用皖北矿务局的祁东矿烟煤，研究生物质(花生壳，木屑，核桃壳)与煤的共热解特性。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

NETZSCH-STA409C型热重分析仪，TQ-3A碳氢分析仪，WDL-6E微机快速一体硫机，FA1104B型天平，SX-20-12型箱式电阻炉，HTGT-3000自动工业分析仪，XL-1厢式电阻炉，粉碎机，烘箱，发热量测定仪，722分光光度计和一些简单的玻璃仪器等。

材料：实验用煤样为皖北祁东矿烟煤(MY)，生物质采用花生壳(HSK)，木屑(MX)和核桃壳(HTK)，煤样的粒度和生物质粒度大小均选择小于0.2 mm。

1.2 实验方法

实验用热重分析仪，使用材质为Al2O3的坩埚，用高纯N2作为实验的保护气，流量控制为50 mL/min，热解升温速率设置为20 ℃/min，每次加入样品的量为(10+0.8) mg。生物质(核桃壳、花生壳和木屑)的添加量分别为5%、10%、15%、20%、25%、40%、60%、80%。煤和生物质的工业分析及元素分析见表1。

表1 煤与生物质的工业分析、元素分析及发热量

2 实验结果与讨论

2.1 煤样单独热解的TG-DTG曲线分析

图1 煤样单独热解的TG-DTG曲线

由图1可知，煤在40℃到1000℃的加热过程中总的失重量占总质量的36.65%。煤在此温度区间的热解过程大致上可以分为三个阶段：第一阶段温度区间小于400℃，试样表面的部分水分和易挥发性的组分由于受热析出，失重量占样品总质量的5.88%；第二阶段是400 ℃到580 ℃，这一阶段主要发生剧烈的热解缩聚反应，失重速率迅速增加，失重量占整个失重的22.01%；第三阶段为580 ℃至1000 ℃，因为煤受热发生一系列的化学反应并逐渐形成焦炭，反应缓慢而趋于停止，存在少量的可挥发性组分缓慢地析出，此阶段的失重量达到了7.71%。

2.2 煤样与花生壳共热解TG/DTG曲线分析

由图2可知，在230 ℃至350 ℃区间试样开始出现失重峰，样品热解的DTG曲线中单一的花生壳和煤样均只有一个失重峰，而混合试样均具有两个失重峰，且随着花生壳质量分数的增加失重峰逐渐地向低温区移动，且样品发生剧烈缩聚反应的温度区间也在不断向低温区移动。花生壳为10%和15%的TG曲线在320 ℃至460 ℃的低温区的失重率增加，但是在高温区随着温度的增加其失重率逐渐下降。从25%到80%之间样品的失重率随着花生壳质量分数的增加不断增加。

2.3 煤样与核桃壳共热解TG/DTG曲线分析

由图3可知，核桃壳与煤的混合热解过程分为两个阶段：第一阶段的温度区间为230 ℃至410 ℃，该阶段主要发生核桃壳的热解，随着核桃壳在样品中所占比例的增加其失重速率增加。第二阶段在410 ℃以上，主要是煤的热解并伴随核桃壳的炭化。这两个阶段分别体现了核桃壳和煤单独热解的特性。随着核桃壳质量分数的增加，混合物的失重率也增加，这是由于核桃壳的加入使样品中可挥发性的物质增加，促使TG曲线整体向低温区平移，煤热解的起始温度提前，热解的速率逐渐增大且时间减少。通过计算，混合试样的失重率并不仅仅只是试样中核桃壳失重率与煤失重率的简单相加，而是核桃壳与煤样共同作用的结果。

图3 煤样与核桃壳共热解TG-DTG曲线

2.4 煤样与木屑共热解TG/DTG曲线分析

由图4可知，TG曲线上代表失重的区间有两段，分别与DTG曲线上两个失重峰相对应。第一阶段剧烈失重温度区间在250 ℃到430 ℃，在该温度区间失重程度最大。剧烈失重的温度区间与木屑单独热解时大致相同，失重速率的增加与木屑质量分数的增加成正相关。说明在该温度区间内主要是木屑中的木屑素与纤维素发生热解所引起的。第二阶段急剧失重在430 ℃以后，在该阶段主要是以煤的热解反应为主，并且伴随着木屑的炭化。

图4 煤样与木屑共热解TG-DTG曲线

3 结论

(1)随着生物质质量分数的不断增加，样品的失重率也在不断增加，样品发生剧烈失重的温度区间也随着生物质在样品中质量分数的增加不断向低温区移动，即随着生物质质量分数的不断增加，样品逐步表现出了生物质颗粒的热解特性。同时通过计算，混合样的失重也不仅仅只是样品中生物质失重与煤失重的简单相加，而是生物质与煤相互作用的结果。

(2)样品中所含生物质不同对样品的失重速率及失重率的影响也不同，花生壳对样品的共热解影响最强，木屑次之，核桃壳最弱，但是都比煤样的失重率和失重速率大。

[1] 宋利强,周 敏,孟 磊,等.稻壳与煤的共热解特性[J].中国农机化,2011(4):114-118.

[2] 朱孔远,谌伦建,马爱玲,等.生物质与煤热解特性及动力学研究[J].农机化研究,2010(3):202-206.

[3] 李世光,徐绍平.煤与生物质的共热解[J].煤炭转化,2002,25(1):7-12.

[4] 孙云娟,蒋剑春,徐俊明,等.生物质与煤共热解研究现状[J].现代化工,2010,30(2):1-5.

[5] 严 东,周 敏,宋利强.煤与稻壳共热解热重分析及动力学[J].化学工程,2012,40(9):60-68.

[6] 何选明,潘 叶,陈 康,等.生物质与低阶煤低温共热解转化研究[J].煤炭转化,2012,35(4):11-15.

[7] 李 文,李保庆,孙成功,等.生物质热解、加氢热解及其与煤共热解的热重研究[J].燃烧化学学报,1996,24(4):341-347.

[8] 王晓钢,鲁光武,路进升.生物质与煤掺烧燃烧特性的实验研究[J].可再生能源,2014,32(1):87-92.

[9] 朱孔远,谌伦建,黄光许,等.煤与生物质共热解的TGA-FTIR研究[J].煤炭转化,2010,33(3):10-14.

(本文文献格式：刘 勇，尹 凡，吴 刚，等.生物质与煤共热解特性研究[J].山东化工,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

国家大学生创新训练项目(201610379019)；安徽省大学生创新训练项目(201610379199)；宿州学院第十届大学生科研项目(KYLXLKYB16-03)

刘 勇(1994—)，男，安徽合肥人，本科，主要从事煤化工及纳米材料方面的研究。

TQ530.2

A

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