生物質資源包括木材及森林工業(yè)廢棄物、農業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物等。不同生物質的主要組成基本相同，但其成分含量則差異較大。由于單一生物質很難實現現代化大規(guī)模利用，所以必將是多種生物質混合利用。本文采用華北地區(qū)常見的13種農業(yè)、林業(yè)、草木生物質，將這些組成成分差異不大的生物質制備成均勻的混合物，與一種典型褐煤進行共熱解的試驗研究。
1、生物質能的轉化
生物質的利用轉化方式主要有熱化學法、生物化學法、提取法。熱化學法是指高溫下將生物質轉化為其它形式能量的轉化技術，包括直接燃燒（直接將生物質完全燃燒放出熱量），氣化（在氣體介質氧氣、空氣或蒸汽參與的情況下對生物質進行部分氧化而轉化成氣體燃料的過程），熱解（在沒有氣體介質氧氣、空氣或蒸汽參與的情況下，單純利用熱使生物質中的有機物質等發(fā)生熱分解從而脫除揮發(fā)性物質，常溫下為液態(tài)或氣態(tài)，并形成固態(tài)的半焦或焦炭的過程）和直接液化（在高溫高壓和催化劑作用下從生物質中提取液化石油等）。生物化學法是指生物質在微生物的發(fā)酵作用下產生沼氣、酒精等能源產品。提取法是利用生物質提取生物油。
固體生物質的熱解及其進一步轉化是開發(fā)利用生物質能的有效途徑之一。在生物質熱化學轉化過程中，熱解是一個重要的環(huán)節(jié)。生物質形態(tài)各異，組成多為木質素、纖維素等難降解有機物，與礦物燃料不同，因此生物質熱解過程是一個復雜的過程，影響生物質熱解的運行參數有終端溫度、加熱速率、壓力和滯留時間等。生物質的組成、結構及其灰成分對熱解也都有影響。研究生物質與煤共同作為燃料所具有的特性可為更廣泛的利用生物質能提供參考依據。
2、生物質與煤的混合物共熱解研究現狀
影響生物質或煤熱解產物的質與量的因素除了煤質、生物質的種類外，主要取決于熱解終溫和加熱速率。高溫有利于氣體產物的生成，主要是因為高溫會引起熱解產物的二次分解；而加熱速率的提高則因改變了反應類型，使熱解產物的質與量得到相應的改善。煤與生物質的熱解行為有很多相似之處，但也有不同，除了煤與生物質的熱解溫度范圍不同外，還有氣氛的影響。
在煤與生物質共熱解過程中，二者的熱解必將相互影響，如果存在有利的協同作用，就有可能達到共熱解提高煤轉化率及提高產物熱值的目的。在共熱解中，生物質的熱解總是在煤熱解之前發(fā)生，因此，生物質熱解的過程與產物是否對后續(xù)煤的熱解產生促進或抑制的影響，以及熱解工藝參數的選取和設備的設計等，均成為該領域基礎研究的重要課題。近年來，國內外一些研究者對生物質與煤共熱解中的協同作用進行了研究。Chatphol MeesIi和Behdad MogIUaden發(fā)現無明顯協同作用；Nikkhah在小型反應器中進行了若干種生物質和煤共熱解試驗，認為共熱解能夠提高氣體產率，且增加碳氫含量和熱值；McGee對PVC和木屑／麥稈混合（模擬城市固體廢棄物）的共熱解試驗結果表明存在協同反應，半焦產率增高，但半焦反應活性下降。Moghtader研究了煤和木質生物質的共熱解行為，J．M．Jones用熱重分析儀和熱解氣相色譜一質譜分析儀研究松屑和煤共熱解，均認為沒有提及協同作用。K．Raveendran采用14種生物質的熱解研究結果顯示，不論人工合成的生物質和還是天然生物質原料其各成分間均未發(fā)現協同反應。A.G．Collot在固定床和流化床兩種反應器上研究煤和生物質共熱解，采用Daw Mill煤和白樺樹及波蘭煤和森林殘余物，固定床共熱解試驗中發(fā)現共熱解的焦油值比其各自單獨熱解值提高4%，全部揮發(fā)分的計算值與試驗值一致，作者尚不能確定協同反應是否存在。在文獻描述的流化床熱解反應結果中，焦油值略低，揮發(fā)分值比期望無協同反應的值高出5%；但A．G．Collot認為，不管燃料顆粒緊密接觸還是離散，在其共熱的解過程中均為各自行為，盡管在這兩種反應器中焦油和揮發(fā)分有一些差別，但這種差別太小不足以證明有協同反應。而在用波蘭煤和森林殘余物共熱解時發(fā)現，森林殘余物的半焦超過了煤半焦，混合物中有30%是煤半焦，是單獨煤熱解產生半焦的3倍，認為可能存在協同反應，推測是白樺中的礦物質（較高的鉀）對煤熱解產生了催化作用。Rudiger用鼓泡流化床反應器研究生物質和煤共熱試驗，Rtidiger和Pan沒有觀察到協同反應，可能是因為他們沒有考慮樣品間的空間距離，鼓泡床較短的停留時間限制了整體的失重，存在不完全熱解。Pan在大氣壓力下，用熱重分析儀研究了低品質煤和生物質的共熱解行為，溫度在110℃~900℃，加熱速率100℃/min，沒有觀察到協同反應。C．Strm等人所進行的煤與生物質的共熱解表明：煤與生物質有許多相同的熱解特性，但熱解溫度范圍不重疊，生物質未對煤熱解起到促進作用。李文等人用鋸末、稻殼和大同煤按不同比例混合，用熱重析儀(升溫速率5—25℃/min)研究共熱解，他們認為：生物質本身固有的氫并沒有在煤的熱解中起到加氫效果，共熱解中的轉化率只是煤與生物質各自轉化率之和；李世光利用慢速加熱方法進行煤與生物質共熱解，煤開始熱解時，生物質已基本上完全熱解，二者之間難以產生協同反應，認為煤不能有效地利用生物質中富裕的氫，達不到預期效果。
至今國外研究者采用熱重分析儀和其它不同類型的反應器在單一生物質與煤共熱解方面開展了一些基礎試驗研究，但對協同反應的機理認識尚有所不同，大部分研究者的試驗從不同的角度推測協同反應的影響及作用程度。現有文獻還沒有見到采用多種生物質混合物與煤共熱解特性以及混合生物質與煤共熱解的合理摻混比例的研究報道。本文對多種生物質混合物和褐煤共熱解現象進行試驗研究，分析其熱解特性，探討不同比例生物質混合物在熱解過程中能否與褐煤產生協同反應，確定合理的生物質與煤共熱解摻混比例，并探討其可能存在的促進或抑制機理。
3、生物質混合物、褐煤成分分析與熱解試驗方法
生物質混合物由華北地區(qū)常見的木屑（松木和楊木混合物）、沙柳枝和葉、旱柳枝和葉、紫花苜蓿、蘆葦、秸稈、稻殼、玉米芯、堿草等13種農業(yè)和林業(yè)廢棄物、草木類等生物質按相同質量比例混合制備。
褐煤取自某燒梅河褐煤電廠煤粉倉，褐煤煤化程度較輕，與生物質較為接近。試驗樣品均為空氣風干樣品。元素分析采用德國Vario ELm元素分析儀，工業(yè)分析、發(fā)熱量按ASTM有關行業(yè)標準測定(表1)。生物質混合物揮發(fā)分約為褐煤的2倍，生物質灰分含量不到褐煤的1/4，N、S含量也較低。
采用美國TA公司TGA2050型熱重分析儀試驗研究生物質與褐煤共熱解過程，最高溫度1000℃，最大樣品質量lg，升溫速率0.1- 50℃/min，N2流量100 ml/min。
熱解過程中持續(xù)通入氮氣以創(chuàng)建可理想化為純粹受試樣本身不可逆熱解化學反應動力學控制的氣氛，迅速將熱解氣相反應產物帶走，防止逆反應過程發(fā)生，并阻止外界空氣滲入，防止氣相產物或固體試樣與氧氣反應。該熱重分析儀具有溫控、差熱測量、熱重及微商測量、溫度測量等功能與真空、氣氛控制及計算機數據處理系統(tǒng)。
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