生物质与煤热解特性及动力学研究

煤焦与生物质焦共气化动力学研究的开题报告一、选题背景与意义煤焦是煤焦化过程中的副产品，目前被广泛用作冶金行业的还原剂和高炉燃料。

然而，煤焦的生产和使用会产生大量的二氧化碳和其他环境污染物，对环境造成严重影响。

因此，探索煤焦的替代品是当前能源转型和环境保护的迫切需求。

生物质焦作为一种可再生和环境友好的替代品，其应用前景巨大。

而对于煤焦和生物质焦的共气化过程，其动力学机理的研究可以为生物质焦的应用提供重要参考。

因此，本研究旨在探究煤焦和生物质焦的共气化动力学，并研究其反应特性、反应机理及其对环境的影响，为生物质焦的应用提供有力支撑。

二、研究内容和关键问题1. 煤焦和生物质焦的基本性质分析，如热重分析、元素分析等。

2. 煤焦和生物质焦共气化实验的设计和实施，探究反应温度、反应时间和反应压力等因素对共气化反应的影响。

3. 对共气化反应过程中产物的分析，了解其组成和产率变化。

4. 基于实验结果对共气化反应动力学进行分析，研究反应特性和反应机理。

5. 基于实验结果探究共气化反应对环境的影响，如气体排放、能量利用等。

三、研究方法和方案本研究将采用实验研究的方法，具体步骤如下：1. 煤焦和生物质焦的基本性质分析，如热重分析、元素分析等。

2. 各种物料的制备和处理，以获得合适的反应物。

3. 共气化反应器的设计及实施，控制反应温度、时间和压力等条件。

4. 分析反应过程中产生的气体和液体产物，使用色谱法、质谱法、FTIR法等技术对其进行检测和鉴定。

5. 通过对实验数据的处理和分析，探究共气化过程的动力学机理和反应特性。

6. 针对实验结果，探究其对环境的影响并提出优化建议。

四、预期成果和意义本研究将探究煤焦和生物质焦的共气化动力学，研究其反应特性、反应机理及其对环境的影响。

预期成果如下：1. 获得煤焦和生物质焦的基本性质和共气化反应过程中产物的组成和变化规律。

2. 对共气化反应动力学进行分析，探究反应特性和反应机理。

3. 探究共气化反应对环境的影响，并提出优化建议，为生物质焦的应用提供有力支撑。

生物质热解与煤热解气化比较与现状关键词：生物质煤热解研究表明[1]，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。

现今单一煤种的热解在各方面都已经得到广泛的研究，而生物热解方面也正在取得巨大的研究成果。

煤热解的气体产物以一氧化碳、甲烷和氢气为主，其中固体产物为固体焦和焦油。

生物质热解气化产物主要是不饱和烃类气体和大量的氢气，还有不饱和烃类液体例如苯等。

但是相比之下，由于大量水分的存在，生物质热解气化失重率比较大，而由于硫的掺杂，煤气化热解的产物中含有大量含硫氮化合物，使之燃烧会造成严重的环境污染。

为了提高脱硫脱氮的效率和改善煤单独热解产物不饱和度较高的问题，科学各界开始对生物质同煤共热解进行了研究和探索。

研究结果[2]表明，生物质可阻止强粘结性煤热解过程中颗粒之间的粘结，得到粒状焦炭;生物质热解生成较多的H2，有利于煤中硫和氮的脱除;同时随着温度的升高、煤粒度的减小和煤变质程度的降低，热解脱硫和脱氮率增大。

根据研究[2]可知，生物质热解的最大热解峰（低于400摄氏度）和煤的最大热解峰（高于400摄氏度）不重合，而且差值有的在100摄氏度以上。

由此可知，生物质与煤共同热解没有明显的协同作用。

为了解决不同步热解的问题，科学界提出了两步法煤与生物热解、利用煤的黑度比生物质高的特点以辐射的加热方式进行同步加热、两段管式炉分步控温进行热解等。

这些方法的核心都在于利用生物质的富氢产物为煤脱硫脱氮提供天然低廉的氢来源，同时也提高了煤的轻质液相产率，气体中的不饱和烃含量降低，将富裕的生物氢转移到了缺氢的煤焦中。

鉴于生物质与聚合物及生物质与煤的共热解或两步法热解具有很大的优势，加强生物质与聚合物的共热解和生物质与煤的共热解及两步法热解的研究显得很有必要。

深入研究生物质与聚合物共热解的协同作用的机理，加强研究生物质与煤共热解中脱硫、脱氮及固体焦具有较强吸附能力的机理，同时，进一步研究改进生物质与煤两步法热解的工艺，为实现生物质中富裕的氢向煤的转移提供可能。

生物质的快速热解及热解机理研究生物质是一种可再生的能源资源，其快速热解技术在能源利用和环境保护方面具有重要意义。

本文将探讨生物质的快速热解及其热解机理研究。

快速热解是一种高温、短时间内对生物质进行加热分解的过程，通过这一过程可以得到液体燃料、气体燃料和固体炭等有用的产物。

快速热解技术在能源转化和减少碳排放方面具有重要的应用价值。

生物质的热解机理是指生物质在高温下发生化学和物理反应的过程。

热解过程中，生物质中的纤维素、半纤维素和木质素等主要成分会发生热解反应，产生液体、气体和固体产物。

热解反应主要包括干馏、裂解、气化和炭化等过程。

干馏是指在缺氧或低氧条件下，生物质中的挥发性物质被释放出来。

这些挥发性物质主要包括水、酸、醛、酮等。

干馏是生物质热解的第一步，对于液体和气体产物的生成具有重要影响。

裂解是指在高温下，生物质中的高分子化合物被断裂为低分子化合物。

裂解过程中，纤维素和半纤维素会分解为糖类、酚类和醇类等低分子化合物。

木质素则会分解为苯酚类和芳香烃类化合物。

裂解反应是生物质热解的关键步骤，对于液体和气体产物的生成具有重要影响。

气化是指生物质在高温下与气体反应生成气体的过程。

气化过程中，生物质中的碳水化合物被分解为一氧化碳和氢气等气体产物。

气化反应是生物质热解的重要环节，产生的气体可用于发电、供热和合成化学品等领域。

炭化是指生物质在高温下失去挥发性物质，生成固体炭的过程。

炭化过程中，生物质中的无机物质也会得以保留，形成矿物质残留物。

炭化反应是生物质热解的最终阶段，产生的固体炭可以用作燃料或其他工业用途。

研究生物质的快速热解及热解机理对于提高生物质能源的利用效率和减少环境污染具有重要意义。

研究人员通过实验和数值模拟等手段，探索不同反应条件下生物质热解的机理和影响因素。

研究结果表明，反应温度、反应时间、生物质种类和粒径等因素对于热解产物的种类和产率有重要影响。

在实际应用中，快速热解技术可以将农林废弃物、城市固体废弃物和能源作物等生物质资源转化为有用的能源产品。

生物质成型燃料热解与燃烧特性研究杨帅，甘云华，杨泽亮华南理工大学电力学院摘要：利用NETZSCH STA409PC型热重-差热分析仪对由木屑、秸秆等农林废弃物制成的生物质成型燃料的热解与燃烧过程进行热重分析。

对TG、DTG曲线进行分析，结果表明生物质成型燃料热解过程分为干燥、热解与炭化3个阶段，热解过程随着升温速率升高出现热滞后现象。

对热解剧烈失重区间建立了反应动力学模型，求解出此温度区间的表观活化能、频率因子等动力学参数，生物质成型燃料燃烧过程出现两次明显失重过程。

在煤炭、石油等化石能源日益枯竭和环境问题日趋严重的背景下，生物质能作为唯一可储存、可运输的可再生能源，其高效转换和洁净利用已经被全社会广泛关注[1～3]。

生物质能的技术研究和开发利用已成为世界重大热门课题之一，许多国家都制订了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、巴西的酒精能源计划等，其中生物质能源的开发利用都占有相当大的比重。

我国作为一个农业大国，生物质能资源十分丰富，生物质能资源潜力折合7亿吨标准煤左右，而目前年实际使用量仅为2.2亿吨标准煤左右。

因此，我国的生物质资源的利用还有很大的开发潜力[4]。

生物质燃料可分为气化燃料、液化燃料与固化燃料。

目前，在技术经济上最可行的生物质能利用技术就是固化——生物质致密成型燃料技术。

该技术是将低能量密度的生物质（如农林废弃物）作为原材料，经过粉碎、烘干、混合、挤压等工艺，制成具有高能量密度的产品——生物质成型燃料（Biomass Moulding Fuel，简称“BMF”）。

这种生物质成型燃料克服了一般农作物秸秆、木屑等的疏松、密度小、单位体积热值低的缺点，具有强度大、便于贮运和装卸、形状和性质均一等优点。

而且其能量密度较加工前要大10倍左右，燃烧后排放的烟灰和SO2远低于重油，适合于工业锅炉使用，是一种可直接燃烧的新型清洁燃料，可以看作一种绿色煤炭，一种新型洁净能源。

生物质热解气相产物析出特性及本征动力学研究热解是生物质能转化为可利用的中间化学品的前沿技术之一。

生物质热解过程中添加适当的催化剂可以有选择性的获得所需产物以及增大产率。

但是不同金属盐对生物质热解产物的催化效果及催化机理并不相同。

因此研究金属盐对玉米秸秆及其三组分热解气体产物的影响具有一定的实用价值。

首先,在热重红外联用仪上开展玉米秸秆及三组分等温热解的实验研究,获得热分析基础数据,为后续等温快速热解实验提供参考。

研究发现,玉米秸秆三组分的热稳定性存在较大差异,这种区别会对气体的产生过程产生影响。

尽管主热解温度范围稍有差别,但是在温度超过550℃之后,玉米秸秆及三组分的热解均已完成,这对后期的微型流化床等温热解试验温度的确定提供了依据。

其次,进行不同温度下玉米秸秆及三组分热解实验,对单组分的热解气体释放特性进行深入分析。

在热解实验之前对微型流化床进行调试,优化玉米秸秆及其三组分热解时的相关实验条件,包括反应温度确定、流化气量选择、进料量等。

通过气体释放特性的差异可以看出4种气体组分生成机理并不相同,这与热重实验结果一致。

此外,对于每种气体组分,达到相同转化率的停留时间随着温度升高而逐渐缩短,说明高温对生物质热解反应的进行有益处。

再次,进行金属盐催化生物质热解实验,旨在进一步掌握三种金属盐（NaCl,K₂CO₃和Na₂CO₃）对玉米秸秆热解气体产物的催化机理。

在催化热解过程中,发现添加K₂CO₃、Na₂CO₃的加入促进了挥发分中含羰基、羧基化合物的分解进而使低温时生成CO、CO₂的转化率加快;而随着温度升高,三组分热解的相关反应都很容易发生,K₂CO₃、Na₂CO₃的参与作用并不明显,而且附着在三组分结构空隙中的金属盐还会阻碍气体从通道中析出,使CO、CO₂的转化率减慢。

生物质热解实验及其动力学模型研究摘要：在均相体系热动力学方程的基础上，采取9种动力学模式函数分别建立热解动力学模型。

采用热重分析仪，在氮气流环境中对玉米颗粒及松木颗粒进行热解实验，并在4种升温速率下观察实验现象，分析实验数据，得出生物质热解特性。

通过与Coats-Redfern积分法联用建立模型，拟合曲线，比较相关系数及标准偏差，初步得出较合适的动力学机理函数，然后分别使用双外推法与Malek法得出最概然机理函数并相互校验。

通过两种方法选取机理函数可以得到更好的准确性，并可比较两种方法的优劣，从而解决了热解最概然机理函数的选取问题中的方法选择问题，即能够更准确地求得反应动力学因子，对于生物质热解研究及实际应用具有重要意义。

引言玉米秸秆及松木屑是两种储量丰富，代表性强的生物质能源。

关于物质反应动力学的研究最早可以追溯到20世纪20年代，于50年代真正的建立与发展。

随着最初在均相等温体系中所用的传统动力学模型已无法描述非均相体系的复杂性，对于固相反应的机理讨论与研究也不断深入，Galway-Brown在其1999年所出版的专著中对一些常用的机理函数进行了总结。

尽管如此，由于非均相反应机理的复杂性，实际物料的非规整性以及物质理化性质的多变性等，实际选择的最概然机理函数f(α)往往并不能真实反映热解的机理，从而造成同一物质反应，所得动力学因子却相差甚远的现象。

因此，采用双外推法与Malek 法两种方法联用进行最概然机理函数的选取，提高了机理函数选取的准确性，并在此基础上对热解动力学特性进行研究。

1热解实验1.1实验材料实验选用的材料为取自河北某地的松木屑和玉米秸秆。

将实验材料进行一系列的晾晒、磨制，并通过筛分得到粒径分别为500目、160目以及80目的物料。

1.2实验条件本实验采用美国TA公司生产的SDT—Q600型同步热重分析仪。

称重10mg各粒径松木和玉米，放入器皿中准备进行实验，实验过程中采取氮气流进行保护，并设定氮气流量100ml／min、压力0.1MPa、设定4种升温速率分别为10、20、40、50℃／min，并将热解终温设为850℃。

生物质型煤热解半焦的燃烧特性研究摘要：为开拓低阶粉煤资源高效分质利用途径，在前期制备的能满足直立炉热解要求的生物质型煤的基础上，利用同步热分析仪研究了生物质型煤热解半焦的燃烧性能，并与原煤、原煤半焦及型煤的燃烧性能进行了对比，考察了热解温度对半焦燃烧性能的影响规律。

由结果可知，生物质型煤热解半焦的燃烧特征温度低于原煤半焦；随热解温度的升高，原煤半焦的燃烧特征温度呈线性增加，而型煤半焦燃烧特征温度的增加幅度较小；在热解温度较高时，型煤半焦的燃尽性能较好；型煤半焦的综合燃烧特性略差于相同热解温度的原煤半焦，但差别很小。

热解温度为650℃的型煤半焦具有最好的燃尽性能和综合燃烧特性。

低阶煤分质转化利用是实现低阶煤高效清洁利用的有效途径。

受煤炭机采率提高因素的影响，低阶粉煤产量巨大，其合理高效利用尤其重要。

目前，低阶粉煤分质利用工程化过程中面临诸多技术难题，如高温物料输送困难、高温密封不严、高温气固分离难、焦油品质差以及半焦利用难等。

将低阶粉煤制备成型煤，再进行分质转化，是克服上述工程化难题的有效途径之一。

生物质资源来源广，储量大，且具有挥发分高、氮硫含量低、灰分低和CO2零排放的特点。

生物质型煤技术可以将生物质的优势和低阶粉煤资源利用结合起来，实现低阶煤高效清洁利用及农林废弃生物质的资源化利用。

生物质型煤经中低温热解分质转化，可提取其中蕴藏的油、气和化学品资源，同时得到具有一定块度的生物质型煤半焦。

不少研究者从成型粘结剂、成型工艺条件、成型机理以及型煤热解特性等方面对以低阶粉煤为原料制备生物质型煤进行了研究，而关于生物质型煤热解半焦的利用研究则鲜有报道。

经提质后的生物质型煤半焦，其发热量增加，水分降低，燃烧时有害物质排放量减少，是优质的固体燃料。

由于生物质与煤在组成和性质上的差异、热解过程中二者之间的相互作用以及热解工艺条件的变化等因素均会对生物质型煤半焦的性质产生影响，进而影响其燃烧过程，因此，有必要对生物质型煤热解半焦的燃烧性能进行研究，为指导其工业利用提供理论基础，为低阶粉煤的清洁高效利用开辟新的途径。

第31卷　第4期2008年10月煤炭转化COAL CONV ERSIONVol.31　No.4Oct.2008　3煤炭科学研究总院青年创新基金资助项目(2004QN25).1)工程师;2)高级工程师,煤炭科学研究总院北京煤化工研究分院,100013　北京收稿日期:2008205229;修回日期:2008207226煤与生物质共热解特性初步研究3王　鹏1)　文　芳2)　边　文1)　邓一英1) 摘　要　初步研究了煤与生物质共热解时的协同作用.热解实验研究了大雁煤、木屑和两者混合物三个样品的热解特性,木屑与大雁煤热解特性相比,热解产物产率随温度变化特性形似,但热解的起始温度和热解温度区间有一定差别.两者混合物共热解时出现了协同作用,结果是半焦产率降低,焦油和气产率增加,热解气组成中H 2和C H 4降低,CO 和CO 2增加.关键词　煤,生物质,共热解,协同作用中图分类号　TQ530.20　引　言目前生物质能源占世界一次能源供应的12%,其中发达国家占3%,发展中国家占33%.由于其可再生性和低污染性,生物质能源被认为是未来可持续发展的主要能源之一.目前其利用技术主要包括直接燃烧技术和气化转化技术,而高效低污染的生物质IGCC 技术和生物柴油技术则是今后生物质工业化应用的主要方向.但由于生物质能存在分散性较广和能量密度较低的缺点,目前其规模利用和高效利用都较困难.[129]从国外发展趋势看,荷兰在Demoklec IGCC 电厂进行过20%废物和80%的煤共气化生产实验;美国正进行以煤、城市垃圾塑料和纸等为原料的IGCC 电厂设计.[10,11]而国内尚未见有生物质与煤共气化应用示范的报道.从国内外发展趋势看,受生物质资源分散性和能量密度低的特点限制,生物质与煤共气化转化技术将是目前和未来研究开发和应用的一个重点.[12]笔者采用大雁褐煤和木材加工厂锯末为实验样品,进行了煤与生物质共热解、共气化的条件实验,对两者共转化时可能的协同作用进行了初步研究.本文为煤与生物质共热解特性研究.1　实验部分1.1　样品分析表1为大雁煤和木屑实验样品的化验结果.由表1可知,大雁煤和生物质木屑组成相差较大.两个样品比较而言,大雁煤的全水、内在水含量和灰分均远高于木屑;木屑挥发分产率远高于大雁煤;两个样品硫含量均小于1%,属低硫含量;大雁煤因水和灰高,发热量特低,而木屑虽氧元素含量很高,但因高挥发分和低灰低水,故发热量达到了中等;大雁煤C 含量低于木屑,木屑O 含量特高,H 含量木屑要高于大雁煤,木屑H/C 比值为1.38,大雁煤H/C 比值为0.77,前者与后者相比,氢含量相对丰富.组成成分上木屑主要由纤维素和木质素组成,而大雁煤主要由缩聚的芳香结构组成.木屑堆密度要远小于大雁煤,说明生物质木屑能量密度低,不利于直接转化利用,这也是研究其与煤共热解、共气化特性的出发点之一.表1　大雁煤和木屑样品化验结果Table 1　Analysis results of D Y coal and sawdust samplesItemsQ net ,ar /(MJ ・kg -1)Accumulation density/(kg ・m -3)Proximate analysis/%3M tM adA arV arFC ar Ultimate analysis/%3,ar C H N O S D Y coal 27.019.5131.5823.0625.8511.8836.42 2.350.698.970.48575Sawdust　6.1　5.55　1.7673.8818.8118.4146.465.340.3240.450.12136 3Percent of weight.1.2　实验装置与方案热解实验装置主要由载气、温控、热解产物冷却收集、热解气分析及热解反应单元五部分组成.热解实验装置流程见图1.图1　热解实验装置流程Fig.1　Schematic diagram of pyrolysis test———G as cylinder ;2———Reductor ;329———Gas flowmeter ;4———Reactor ;5———Electric furnace ;6———Temperature controller ;7———Condenser ;8———Ice piscina ;10———G as sample collection point根据热解反应管恒温区长度及两样品的堆密度,可以确定实验样品的质量及混合样品的组成;根据对木屑和褐煤热解基本规律的了解,可以确定两个样品的热解温度,木屑样品的热解温度区间定为200℃～800℃,大雁煤样品的热解温度区间为400℃～900℃.部分热解实验参数如下:样品粒度,0.5mm ～0.9mm ;一次样品质量,木屑20g ,大雁煤60g ;混合样组成,木屑∶煤=3∶7,5∶5,8∶2(质量比);惰性载气,N 2;载气流量,0.3L/min ～0.4L/min ;压力,常压;温度,木屑为200℃～800℃,大雁煤为400℃～900℃;加热速率,10℃/min ;恒温时间,60min.2　结果与讨论热解实验共进行约50次,取得了大量实验数据,整理分析如下.2.1　大雁煤和木屑单独热解规律图2和图3为大雁褐煤样品热解产物产率及热解气随温度变化曲线.图4和图5为木屑样品热解产物产率及热解气随温度变化曲线.由图2～图5可知,木屑与大雁煤热解规律相似,随热解温度升高,热解半焦产率缓慢下降,热解气产率快速增加,大雁煤焦油产率在整个温度区间变化不大,平均在3.17%～4.11%之间,木屑焦油产率300℃以后增加到15.45%～21.25%之间.因影响水产率的决定性因素是样品本身的含水量,因14第4期 王　鹏等　煤与生物质共热解特性初步研究而水产率随温度变化的规律性不强.与大雁煤相比,木屑的焦油产率和气产率要高很多,这是由其高挥发分导致的,而半焦产率和水产率要低于大雁煤.热解气组成总的规律是,木屑热解气CO 和CO 2含量要远高于大雁煤热解气,而CH 4和H 2的体积含量要比大雁煤热解气体中的低,H 2组分含量随温度升高是先升后降,在500℃时含量最高.C H 4总体趋势是200℃以后随温度升高而下降,烃类组分C n H m 含量要小于大雁煤.生物质木屑主要由纤维素、半纤维素和木质素三种主要组成物及一些可溶于极性或弱极性溶剂的提取物组成.生物质的三种主要组成物常常被假设独立地进行热分解,半纤维素主要在225℃～350℃分解,纤维素主要在325℃～375℃分解,木质素在250℃～500℃分解.半纤维素和纤维素主要产生挥发性物质,而木质素主要分解为炭.一般纤维素在木材中平均占约43%.木屑热解过程不挥发的固体残余物变成半焦状的残渣,一般不生成胶质体,且无黏结现象.2.2　煤与生物质共热解规律将生物质与褐煤的混合物进行低温热解,是基于生物质和褐煤的热分解温度相近的特点,一般生物质主要热解温度为265℃～310℃,褐煤的初始分解温度约350℃.温度对混合样品热解产物产率的影响规律与单独样品热解规律相似,此处不再详述.木屑与煤混合比例对热解影响的结果是,随木屑质量配比的提高,半焦产率下降,气和焦油产率增加;热解气中CO 2和C H 4含量波动不大,CO 组分含量增加,C n H m 和L HV 降低,这一规律可对比上述两者单独热解时的特性得到很好的解释.图6和图7为600℃时混合比例对热解产物产图6　混合比例对热解产物产率的影响Fig.6　Effect of ratio to product yieldsof mixture sample◆———Char ;▲———Water ;×———Gas ;■———Tar图7　混合比例对热解气组成的影响Fig.7　Effect of ratio to gas composition ofmixture sample◆———H 2;■———CH 4;▲———CO ;×———CO 2;×◆———C n H m ;●———L HV率和热解气性质的影响曲线,图中横轴为木屑与大雁煤混合比例,如s3c7代表木屑:大雁煤为3∶7(质量比).为了解木屑与大雁煤共热解时是否发生了协同作用,将热解产物产率理论计算值(即按两者混合比例将两者单独热解时产物产率进行数值平均)与实测值进行了比较,因不同混合比例下实验结果规律相近,此处仅列出木屑与煤50%比例混合时热解产物产率的结果(见图8),图8a ,图8b 和图8c分别为图8　木屑与大雁褐煤50%配比时热解产物产率计算值与实测值对比曲线Fig.8　Comparison of pyrolysis products yield betweentest and theory valuea ———Char ;b ———Tar ;c ———Gas◆———Test ;■———Theory24煤　炭　转　化 2008年半焦(char )、焦油(tar )和干馏气(gas ),横轴为温度(℃),纵轴为产物产率(质量分数).由图8可知,混合样品半焦产率的实测值(test )小于计算值(theory ),焦油和煤气产率的实测值大于计算值.同时,对于不同配比的实验样品从温度影响角度分析,400℃时两者相互作用影响较小,而600℃和800℃时影响较大.图9为混合物热解气性质实测值与计算值比较统计,纵轴ratio 表示“实测值/计算值”的数值,横轴s3c72400代表木屑与大雁煤比例3比7,温度400℃时的样品,其他依此类推.由图9可见,对比热解气组成实测值与计算值,83%的数据H 2和CH 4低于计算值,而72%的数据CO 和CO 2高于计算值,煤气热值L HV均低于计算值.图9　热解气性质实测值与计算值比较Fig.9　Comparison between test and theoryvalue about gas character◆———H 2;■———CH 4;▲———CO ;×———CO 2;×◆———L HV热解是一个十分复杂的物理化学反应过程[3,4],较低温度时煤热解主要发生分解、解聚,生成大量焦油和气体.一般煤的结构单元之间的桥键在加热到250℃以上时就有一些弱键开始断裂,随着温度的升高,键能较高的桥键也会断裂.桥键的断裂产生了以结构单元为基础的自由基,自由基是一种带有未配对电子的分子碎片,一般处在桥键断裂处的某个碳原子上,如H +,CH 3—,CH 3CH 2—和C 6H 6—等.温度再升高,低温热解产生的焦油发生二次裂解,分解为固体碳、气体和反应自由基,且这些自由基绝大多数是具有芳香性的.自由基非常不稳定,自由基带的未配对电子具有很高的反应活性,具有与邻近的自由基上未配对电子结合成对的趋势,如果这些自由基得不到氢而它的浓度又很大时,这些自由基碎片就会互相结合而生成分子量更大的化合物甚至焦炭,图10为热解过程中某些自由基结合过程.氢原子是最小又最简单的自由基,在富氢气氛下,自由基加氢可生成稳定的低分子产物(焦油、水和少量气体),而活性氢就来自于热解产生的氢原子、氢分子或外来氢,如加氢热解或焦炉气气氛热解等.分析实验结果可以认为,生物质热解释放出大量氢自由基及小分子自由基,使得煤热解出的大量分子自由基稳定成为焦油类和气体类低分子物质,从而使发生缩聚反应生成固相物的机会减少,半焦产率降低,焦油和气产率增加,说明木屑与大雁煤共热解的过程中存在一定的协同作用.这类似于煤加氢热解,加氢热解可以提高煤热解的转化率,提高焦油产率,改善焦油质量.图10　苯和苯自由基及氢自由基结合过程Fig.10　Formation of biphenyl benzene ,aryl radicals ,hydrogen radicals in pyrolysis process3　结　论1)木屑与大雁煤热解规律相似,随热解温度升高,半焦产率下降,热解气产率增加,煤焦油产率在整个温度区间先升后降.2)与大雁煤相比,木屑的焦油产率和气产率要高很多,而半焦产率和水产率要低于大雁煤.3)热解气组成总的规律是,木屑热解气CO 和CO 2含量要远高于大雁煤热解气,而CH 4和H 2的体积含量要比大雁煤热解气体中的低,H 2组分含量随温度升高是先升后降,C H 4总体趋势是随温度升高而下降,烃类组分C n H m 含量要小于大雁煤.4)木屑与煤混合比例对热解影响的结果是,随木屑质量配比的提高,半焦产率下降,气和焦油产率增加;热解气中CO 2和C H 4含量波动不大,CO 组分含量增加,C n H m 和L HV 降低.5)生物质木屑与大雁褐煤共热解产生了协同作用,协同作用的结果是,半焦产率减小,焦油和气产率增加,热解气组成中H 2和CH 4降低,CO 和CO 2增加,L HV 减小.6)目前实验只是进行了初步研究,结果表明,煤与木屑共热解可以产生协同作用,但影响较小.可以预测,在改变生物质原料或改变实验条件(如实验压力和升温速率等)的情况下,协同作用是可控的;煤与生物质共气化的协同作用机理仍需作进一步的深入研究.34第4期 王　鹏等　煤与生物质共热解特性初步研究44煤　炭　转　化 2008年参　考　文　献[1]　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].燃料化学学报,1996,24(4):3412347.[2]　李世光,徐绍平.煤与生物质的共热解[J].煤炭转化,2002,25(1):7212.[3]　周仕学,聂西文,王容春等.高硫强黏结性煤与生物质共热解的研究[J].燃料化学学报,2000,28(4):2942297.[4]　包向军,蔡九菊,刘汉桥等.固定床中木块和木屑的热解特性[J].材料与冶金学报,2003,2(2):1492152.[5]　马林转,何　屏,王　华.煤与生物质的热解[J].贵州化工,2004,29(1):20223.[6]　袁传敏,颜涌捷,任铮伟.木屑及其水解残渣快热解特性研究[J].华东理工大学学报(自然科学版),2005,31(1):962100.[7]　赵卫东,何　屏,马林转.昭通褐煤热解与锯末类生物质热解对比实验研究[J].贵州化工,2005,30(3):25227.[8]　倪献智,丛兴顺,马小隆等.生物质热解及生物质与褐煤共热解的研究[J].煤炭转化,2005,28(2):39247.[9]　肖　军,段普春,庄新国等.生物质与煤共燃研究(Ⅰ):生物质的低温热解[J].煤炭转化,2003,26(1):62266.[10]　Colot A G,Zhuo Y,Dugwel D R.Co2pyrolysis and Co2gasification of Coal and Biomass in Bench2scale Fixed2bed andFluidized Bed Reactor[J].Fuel,1999(78):6672679.[11]　Storm C,Rudiger H,Spliet hoff H et al.Co2pyrolysis of Coal/biomass and Coal/sewage Sludge Mixtures[J].Journal of En2gineering for Gas Turbines and Power,1999,121(1):55263.[12]　廖洪强,孙成功,李保庆.富氢气氛下煤热解特性的研究[J].燃料化学学报,1998,26(2):1142118.STU DY ON THE CO2PY ROLYSIS CHARACTERISTICSOF COAL AN D BIOMASSW ang Peng　Wen F ang　Bian Wen and Deng Yiying(B ei j i ng Research I nstit ute of Coal Chemist ry,Chi na CoalResearch I nstit ute,100013B ei j i ng)ABSTRACT　The experiment result s on t he synergetic effect s during co2pyrolysis of coal and biomass was given in t his paper.The pyrolysis characteristics of t hree different samples—Dayan lignite,sawdust and t he mixt ure of two samples were st paring t he pyrolysis charac2 ters of sawdust and D Y coal,bot h t he product s yield change curves wit h t he temperat ure increas2ing are t he same,but two samples had difference in pyrolysis start and active temperat ure.The synergetic effect was found during coal and biomass co2p rolysis.The effect result s was t hat t he yield of char decreased,t he tar and gas p roduct s increased,and H2and C H4concent ration de2 creased but CO and CO2concentration increased in gas co mposition.KEYWOR DS　coal,biomass,co2pyrolysis,synergetic effect s。

生物质热解过程的理论和实验研究一、引言生物质是一种可再生的资源，具有广泛的应用前景。

在能源不断消耗的今天，生物质热解技术成为了一种备受瞩目的能源转化技术。

生物质热解是指在缺乏氧气条件下，利用高温加热将生物质中的有机物转化为液态、气态和固态产品的过程。

热解产物除了固定碳和水分外，还含有一定量的挥发物、液态油和焦油。

生物质热解技术正在逐步地成熟，因此，对其理论和实验研究的深入探讨是非常必要和重要的。

二、生物质热解的理论1.热解反应原理生物质热解是一种复杂的非均相反应过程，主要涉及物理和化学反应机制。

在高温下，生物质中的糖类、蛋白质、脂肪等有机复合物分解为小分子化合物，如酚类、酮类、醇类、醛类、酸类等。

同时，生物质中的水分也会分解出来。

这些高分子化合物分解为低分子化合物的过程称为裂解反应。

2.热解产物组成及溢流原因生物质热解产物主要包括挥发物、液态油和固态残渣。

其中挥发物是指分解出的气体和液体，包括氢气、甲烷、一氧化碳、氧化物等；液态油是指裂解出的有机液体，如烷类、苯类、芳香烃等；固态残渣主要是生物质中不可转化成气体和液体的物质，如固体炭。

3.热解反应动力学生物质热解反应动力学是指生物质热解反应速率随时间变化的规律。

生物质热解速率随温度、压力、碳水化合物含量、水分含量等因素的变化而变化。

高温、高压和较高的碳水化合物含量可加速生物质热解反应速率。

水分含量过高会使生物质热解反应速率降低。

三、生物质热解的实验研究1.实验设备生物质热解实验通常采用热解批式反应器和热解流式反应器两种设备。

其中热解批式反应器采用密闭容器，在高温下进行实验；而热解流式反应器主要是通过稳定的热水流或气体流来实现。

2.实验方法生物质热解实验通常采用不同的方法，如热重分析、制样热分析和热流分析等。

在热重分析中，通过测定生物质在不断升温过程中的重量变化，可以得到热解过程中的重要信息。

制样热分析是在生物质热解过程中使用样品制备技术的一种方法，该方法能够提供有关生物质的物理和化学特性的信息。

煤的氧化和热解反应的动力学研究篇一嘿，各位！今儿个咱来唠唠煤的氧化和热解反应的动力学研究。

这事儿啊，还得从我小时候在爷爷家烧煤炉说起。

那时候，一到冬天，爷爷家就靠那煤炉取暖做饭。

我就喜欢蹲在旁边，看着那一块块黑不溜秋的煤，被塞进炉子后，慢慢变红、发热，觉得特别神奇。

有一次，我不小心把一块煤掉在了地上，摔成了两半，我捡起其中一半，发现断口处亮晶晶的，就像藏着什么秘密似的。

从那时候起，我心里就对这煤产生了一种好奇，为啥它能发热，在炉子里又会发生啥变化呢？没想到，长大后我还真有机会研究这煤的反应。

刚开始接触煤的氧化和热解反应动力学研究，我就像个没头苍蝇似的，到处乱撞。

各种实验设备、专业术语，看得我头晕眼花。

但我想着，小时候对煤的那份好奇，就咬咬牙坚持下来了。

做实验的时候，我先把煤样准备好，那煤样就像一块块珍贵的“黑宝石”，我小心翼翼地把它们放进反应装置里。

就像小时候把心爱的玩具放进一个神秘的盒子里，满心期待着会发生什么。

接着，我开始控制反应条件，调整温度、通入氧气啥的。

这温度可不好控制啊，稍微高一点，反应就像脱缰的野马，不受控制；稍微低一点呢，又像个懒洋洋的家伙，半天没反应。

我就守在仪器旁边，眼睛紧紧盯着各种数据，就像小时候守着电视，等着看喜欢的动画片。

随着温度慢慢升高，我看到煤样开始有了变化。

它先是颜色变深，就像被太阳晒久了的皮肤。

接着，有一些细小的烟雾冒出来，就像煤在轻轻地叹气。

这时候，我知道氧化反应开始了。

我赶紧记录下各种数据，温度、压力、反应时间，一点都不敢马虎。

看着煤在反应装置里一点点变化，我就想起小时候在煤炉里看到的情景。

那时候只觉得好玩，现在才知道，这里面原来藏着这么多科学道理。

通过这次实验，我对煤的氧化反应有了初步的认识，就像打开了一扇通往煤微观世界的小门，虽然只看到了一点点，但已经让我兴奋不已。

我相信，只要我继续研究下去，肯定能揭开煤更多的秘密，就像小时候慢慢解开那些玩具的构造一样。

生物质热裂解的动力学研究生物质热裂解是将生物质在高温下分解成小分子的过程。

这项技术已被广泛应用于能源、化学和材料开发领域。

动力学研究是指对这一过程中的反应速率、反应机理和反应产物进行深入探究。

一、反应速率生物质热裂解的反应速率是指反应物根据温度、压力和时间而消失的速度。

针对不同的生物质和不同的反应条件，反应速率也有所不同。

一般来说，温度和压力对反应速率具有至关重要的影响。

适宜的反应温度和压力可以缩短反应时间并提高反应产物的产率。

二、反应机理反应机理是指反应中发生的分子之间相互作用的方式和路径。

由于生物质热裂解反应中有多种不同类型的分子参与其中，其反应机理十分复杂。

不同种类生物质的反应机理也不同。

近年来，核磁共振技术和质谱技术已经被成功应用于生物质热裂解反应机理的研究中，有望提供更清晰的路径。

三、反应产物反应产物主要包括气态产物、液态产物和固态产物。

气态产物是指在反应过程中获得的气体，他们一般是甲烷、氢气、一氧化碳和二氧化碳。

液态产物是指油具有类似于原油的物理性质，具有广泛的应用前景。

固态产物则具有十分不同寻常的应用潜力。

四、应用前景生物质热裂解具有非常广的应用前景，主要体现在以下几个方面：1、能源领域：生物质热裂解产生的气体可用于发电、热水供应、居民供暖等领域。

2、化学领域：热裂解产生的液体油能够像原油一样进行加工和运输，用于化学品生产、生物燃料生产、石墨烯生产等领域。

3、材料领域：剩余的固体产物可以用于生产一些新型复合材料、活性炭、肥料等产品。

总之，生物质热裂解具有无限的发展前景。

围绕其动力学方面的研究，不仅能够深入了解其反应机理和产物特性，而且有望为其进一步的工业化应用提供坚实的理论基础。