生物质与煤混合热解特性及硫污染物析出特性研究
作者单位：山东大学
学位级别：硕士
导师姓名：程世庆
授予年度：2007年
学科分类：080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理]
摘 要：煤炭在我国一次能源中占有主导地位。燃煤排放的硫污染物已经成为大气污染物中的主要污染源。因此,合理利用煤炭资源,控制硫污染物排放已经成为当前能源利用和污染物控制工作的重点。作为一种可再生新能源,开发利用生物质燃料不仅能缓解能源危机,而且可以减轻环境污染,同时节省能源。与燃料煤相比,生物质形成的时间短,其结构疏松,热解和燃烧过程具有自己的特点。生物质与煤混和燃烧能够减少硫氧化物和氮氧化物的排放。热解不仅是燃烧和气化的必经步骤,而且其本身也是一种高能量密度产物的独立工艺。煤的热解是煤燃烧过程中的一个重要初始阶段,是硫污染物形成的主要环节。因此,研究生物质与煤的共热解过程以及生物质对煤热解过程中硫污染物排放的影响,对于开发新的脱硫技术和洁净煤技术有着重要的意义,也为生物质与煤的混合燃烧硫污染物排放规律提供理论基础。 本文应用热分析技术,研究四种常见生物质(麦秆、玉米秆、棉秆、杨木屑)和三种不同变质程度的煤的热解特性,深入探讨生物质与不同变质程度的煤混和热解时的热解特性以及生物质与煤混合热解时的协同作用;应用热重—色谱—质谱偶联技术,对四种生物质与不同变质程度的煤混合热解中产生的HS和COS气体进行了在线检测,研究生物质对煤热解析出HS和COS气体的影响。 采用热重分析法(TGA)对几种常见天然生物质(麦秆、玉米秆、棉秆、杨木屑)的热解过程进行了研究。生物质热解过程可以分成3个阶段:加热(脱水阶段)、快速失重(主要裂解阶段)和缓慢失重(炭化阶段)。第1个阶段从室温到230℃,在该阶段中,生物质只是失去表层水分,重量略有下降。第2个阶段处于230～400℃范围,该区域是热解过程的主要阶段,生物质受热分解,随着温度的升高,挥发分相应析出。最后一个阶段处于400～850℃,是残留物的缓慢分解过程,这一阶段发生的分解非常缓慢,产生的质量损失很小,该阶段被认为是C-C键和C-H键的进一步裂解造成的,在最后生成焦炭和灰分,此时的微分值变化缓慢。 采用热重分析法对三种不同变质程度的煤的热解过程进行了研究。煤的热解过程可以分为四个阶段,第一阶段为脱水阶段,在100℃之前,主要失去表面的化学结合水以及脱除煤吸附和孔隙中封闭的二氧化碳、甲烷。第二阶段,100～300℃为保持阶段,煤样温度继续升高。第三阶段,300～550℃为热分解阶段,煤样发生强烈分解,热重曲线陡然下降,此阶段为煤的主要热分解阶段,此阶段的微分值急剧变化。这一阶段中的原始分子结构将开始发生解聚和分解反应,导致大量挥发物的逸出。第四阶段,550～850℃又称二次脱气阶段。在这一阶段,以分子间缩聚反应为主,半焦变成焦炭。随煤化程度的升高,整个TG曲线向高温区移动,说明煤的变质程度越高,热解温度越高。无烟煤、烟煤和褐煤的最终失重率分别为17%、30.07%和33.4%。可见,煤的变质程度越高,最终失重率越小。 采用热重分析法,在相同升温速率下,对生物质与不同变质程度的煤的掺混样品进行热解实验,探讨了生物质与煤热解特性的差异,以及它们共热解时生物质对煤热解过程的影响。研究表明,生物质与煤的热解特性差异很大:生物质热解温度低,热解速度快,而煤相对热解速度慢,热解温度高;在生物质与煤混合热解时,总体热解特性分阶段呈现生物质和煤的热解特征;将各生物质样品与煤混合热解的实际微分曲线与按比例折算后曲线进行比较,得出结论:从热解速率角度分析,在400℃之前,生物质对煤的热解影响不明显。在400℃之后,生物质与煤的混合热解过程中,两者有不同程度的协同作用。 采用热重—色谱—质谱连用技术,对三种秸秆类生物质与三种变质程度的煤混合热解中产生的HS气体进行了在线检测,研究生物质对煤热解析出HS气体的影响。研究表明:生物质与不同变质程度的煤的混合热解过程中HS析出有着相似的规律,即生物质的加入使煤析出HS提前,且随着生物质比例的增加,HS在更低的温度下有更大的析出速度。生物质与煤混合热解时,在380℃以前析出的HS的浓度和析出量都比煤单独热解时的高,且随着生物质加入比例的增加而增加,这是生物质加氢作用的影响。且随着煤中含氢量、挥发分的增加,生物质对煤热解过程的加氢作用表现得越不明显。380℃之后,生物质对煤热解过程中的HS析出有一定程度的抑制作用。这种抑制作用并不随着生物质掺入比例的增加而增强。此阶段是生物质加氢作用和矿物质固硫作用的综合结果。 各种生物质对不同变质程度煤热解过程中COS的析出有明显影响。总体规律为:生物质的加入,使煤热解过程中COS的析出提前,析出量增加。随着生物质比例的增加,COS析出时间提前和析出量增加更为明显。生物质对无烟煤热解析出COS的促进作用最强,烟煤次之,对褐煤的影响最小。随着煤中含氧量的增加,生物质对煤热解过程中COS析出促进作用表现得越不明显。
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