挥发分-半焦交互反应对生物质热解半焦特性的影响

挥发分-半焦交互作用是生物质热化学利用过程普遍存在的现象。为了解析交互反应对生物质热解半焦特性的影响,利用一阶固定床/流化床反应器及快速热裂解仪进行实验。针对挥发分-半焦交互反应,对碱金属和碱土金属(AAEM)元素的析出特性展开了研究,同时分析了交互反应对生物质热解半焦反应活性的影响。结果表明在700~900℃范围内,交互反应的存在使得热解成焦率较无交互反应下有所提高。热解过程中交互反应导致了单价K元素析出量增加,对二价Ca/Mg元素的析出影响较小。挥发分-半焦交互反应的存在使得半焦反应活性对温度的敏感度降低,随温度的升高其反应速率的下降幅度变缓。     

煤加压富氢热解及半焦气化特性研究

为研究加压固定床气化过程中热解区和气化区的反应,模拟固定床富氢气氛热解与半焦气化过程,利用加压富氢热解装置考察了压力、加热终温以及富氢比例对煤热解的影响,分析了各因素对热解影响的机理,以富氢气氛热解半焦为原料,通过加压热重分析仪进行试验研究,研究不同温度和不同热解半焦原料的条件下碳转化率与CO_2反应速率随时间的变化规律,分析富氢比例对气化反应活性的影响。结果表明:常压富氢气氛热解试验中,随着富氢比例的升高,提供大量H,H浓度增大,煤在热解过程中自由基会不断与H结合生成稳定组分,其中包括大量小分子的挥发物以及部分焦油析出,使半焦中挥发分降低0.69%,半焦收率降低4.8%;加压条件下半焦收率较高,半焦收率随压力的增大变化幅度不大,且没有明显规律,挥发分总体逐渐降低,但变化较小;随着终温的升高,挥发分析出量逐渐升高,伴随着挥发分析出,富氢氛围中的H将与自由基结合生成小分子结构而逸出,半焦收率与挥发分均逐渐降低;增加富氢比例能提高半焦的成熟程度,富氢比例由0增加到35%,H浓度增大,煤中小分子可迅速加氢生成挥发物,同时大分子也会加氢变为稳定结构,半焦挥发分降低了1.46%,半焦收率降低了2.50%;富氢热解能明显促进CO和CH_4的生成,在35%H_2时产量分别达到91.2和63.8 mL/g。由气化特性试验可知:提高气化反应温度,有助于提高富氢半焦与CO_2的气化反应性;富氢气氛与惰性气氛下热解半焦的气化反应活性相近,表明加氢热解能够提高焦油产率与焦油品质,同时对半焦的气化活性影响不大。     

煤热解动力学模型的建立

通过对煤热解反应动力学分析,基于分布活化能模型DAEM,建立了集总反应动力学模型表示煤炭热解过程。确定了可以预测热解产物组成、分布与热解终温和升温速率关系的动力学方程。结果表明：随热解温度升高,各种挥发分产物析出率越来越接近最大产率;半焦C含量增加,但产率下降,H,O,N和S等元素降低。升温有利于提高半焦脱硫率、脱氮率。温度为600℃左右时,除H2外的大部分挥发分基本析出,半焦元素变化幅度减小。热解终温较低且一定时,较慢的升温速率有利于各热解挥发分最大限度析出。秦丽娜     

三种常见生物质热解动力学特性的研究

采用热重法对三种常见生物质热解特性及反应动力学进行研究。考察了粒径和升温速率对生物质热解特性的影响。粒径减小时,稻草开始热解的温度和热解结束的温度都降低,最大失重变化率对应的温度也降低;升温速率增加时,热解挥发分起始析出温度和DTG曲线峰值温度均相应增加。采用Coats-Redfern法对生物质热解过程进行处理,并求出了生物质热解的动力学参数,求出的表观活化能变化范围在30～70kJ/mol。     

沛城煤矿天然焦的热解特性

天然焦是一种热值在18～28 MJ·kg-1 的化石燃料，虽储量丰富，但多被弃用，有待于开发利用。采用TG-FT-IR联用技术在Thermax500 型加压热重分析仪上比较徐州沛城煤矿天然焦与徐州韩桥烟煤的热解过程，并利用VECTOR 22 型红外分析仪对热解产物进行了分析。考察了升温速率、热解终温、颗粒尺寸和压力对天然焦热解特性的影响。结果表明，与煤的热解过程不同，天然焦的热解没有半焦形成阶段，只包括了2 个不同的脱气阶段；随升温速率的提高，TG曲线向高温区偏移，升温速率对天然焦挥发分的析出量几乎没有影响；热解终温对试样挥发分析出量的影响较为明显，高温时，试样颗粒在显微镜下呈现出丰富的微孔结构，有利于挥发分的析出和还原活性的提高；颗粒粒度的减小有利于挥发分的析出；低于某特定温度，热解压力的影响较弱，当温度继续升高，压力的影响逐渐明显。     

不连沟煤热解半焦燃烧特性研究

煤热解产生具有高利用价值的煤气和焦油,并伴随产生大量的热解半焦,燃烧是半焦的主要利用途径之一。本文采用非等温热重分析法研究了热解条件(热解温度和停留时间)、热解气氛和燃烧升温速率对热解半焦燃烧行为的影响,并利用Coats-Redfern积分法对半焦燃烧过程进行动力学计算。结果表明:热解温度对甲烷二氧化碳重整与煤热解耦合过程半焦的燃烧反应特性有重要影响。随热解温度升高,半焦燃烧反应性呈下降趋势,反应活化能逐渐增加,这与半焦中较低的挥发分成正相关。热解停留时间和热解气氛对半焦燃烧影响较小。与在氮气中热解半焦相比,加氢热解和耦合热解半焦表现出几乎相同的燃烧特征和反应活化能。燃烧升温速率显著影响半焦的燃烧特性,提高燃烧升温速率促使半焦燃烧反应在更高温度下进行。     

煤热解半焦结构及其对制备型煤成型特性的影响

以不同热解条件下制取的陕西烟煤(YL)半焦为原料,使用预糊化淀粉为黏结剂冷压成型制取成型燃料,分析不同热解条件下获得的煤焦成型后的物理特性,研究热解条件对半焦挥发分和表面含氧官能团的影响规律,揭示热解半焦特性对其成型的影响机理。结果表明:热解停留时间和热解终温对半焦成型特性具有显著影响。热解停留时间增加和热解终温升高会降低半焦挥发分含量和表面含氧官能团,影响黏结剂颗粒和半焦颗粒之间的黏结作用,从而会降低半焦成型后的冷压强度和跌落强度。结果表明:挥发分质量分数在16%以上的半焦成型后冷压强度大于450 N,适宜成型;热解终温小于600℃且热解停留时间小于5 min的半焦表面含氧官能团含量较高,成型后冷压强度大于450 N,可用于成型。半焦的成型特性受其挥发分含量和表面含氧官能团的综合影响。     

停留时间对低阶煤快速热解产物分布、组成及结构的影响

利用自由落下床反应器,研究了快速热解过程中颗粒停留时间对神木烟煤和内蒙古褐煤热解过程的影响,并进一步延长快速热解新生半焦停留时间考察了半焦的二次热解过程。结果表明,快速热解过程中颗粒停留时间的增加促进了挥发分的析出,神木烟煤热解焦油产率持续增加,内蒙古褐煤热解焦油产率先增加后降低。停留时间对焦油品质有明显影响,随时间的增加,两种煤快速热解轻质油中苯类和苯酚类单环化合物含量均先增加后降低,进一步延长停留时间,多环芳烃化合物含量显著增加。快速热解半焦的二次热解主要促进了气体的生成,焦油产率和组成无明显变化,挥发分的进一步析出促进了半焦微孔的发展,神木烟煤和内蒙古褐煤半焦比表面积均显著增加。这表明,在以高品质焦油为目标产品时,采用较低的反应温度、较适宜的煤粒停留时间的快速热解工艺条件是可取的。     

钙元素对褐煤热解和气化特性的影响

综述了钙元素对褐煤热解和气化特性的影响,讨论了钙元素对热解产物中挥发分、焦油产率和气体产物分布的影响,以及对褐煤半焦气化的催化作用。结果表明,与酸洗煤相比,热解过程中,钙元素降低焦油产率,提高半焦产率;气化过程中,钙元素的植入提高褐煤半焦的反应活性,缩短了反应时间。高温时钙元素主要以氧化态的形式存在,低温时则不断与半焦基体键合而参与交联反应,少部分挥发。     

煤热解半焦特性及其钝化工艺初步设想

由于热解半焦在生产、储运及应用过程中,存在自燃等安全隐患,从热解半焦的自燃机理出发,分析了热解半焦的组成特性、官能团种类、比表面积以及孔道特性对其自燃倾向性的影响,提出将热解半焦冷却、钝化和余热回收高度集成耦合的新型半焦钝化工艺,即利用N2惰性气体作为冷却介质,回收利用高温半焦携带显热;通过水蒸气与半焦活性基团反应,适当减少含氧官能团数量;通过钝化剂前驱体Ca(OH)2和CO2在半焦颗粒表面的分步反应包覆,适当减少活性焦比表面积;通过适当增加半焦含水量,有效防止半焦存放时水分复吸,从而实现半焦钝化和余热回收的双重目的。     

原料种类和热解温度对生物炭吸附Cd2+的影响

以稻秆（RS）、稻壳（RH）、木屑（SD）为原料，在小型流化床实验台上制备生物炭，分析了原料种类和热解温度（400℃、500℃、600℃）对生物炭理化性质及吸附Cd²⁺性能的影响规律，并定性和定量分析了吸附过程中的作用机制。实验结果表明：准二级动力学方程和Langmuir方程能够较好地描述生物炭样品对Cd²⁺的吸附过程。生物炭RS500的平衡吸附量达到30.19mg/g，远远高于生物炭SD500，其中无机矿物的离子交换和沉淀反应吸附贡献值为24.95mg/g，是主导吸附机制；而生物炭SD500吸附Cd²⁺过程中，无机矿物和π键的贡献百分比分别为49.70%和38.21%。随着热解温度的升高，生物炭吸附Cd²⁺过程中含氧官能团的络合反应不断削弱而Cd²⁺-π键作用不断增强；稻秆炭和稻壳炭中无机矿物的吸附贡献值则呈先上升后下降的趋势，并在500℃热解温度下达到最大值。生物炭样品吸附Cd²⁺的作用机制中，离子交换和沉淀反应占比最大，Cd²⁺-π键作用次之，络合反应最小。     

生物炭吸附溶液中Pb2+的定性及定量研究

由木质纤维素类生物质经过热解制得的生物炭能够高效地吸附污水中的重金属离子,将其作为Pb²⁺吸附剂,具有广阔的应用前景。本文以松木与大豆秸秆为原料,分别在400、600、800℃下制备了生物炭,考察了其理化特性与吸附性能之间的关系,并对各吸附机制的相对贡献进行了定性及定量分析。研究结果表明：大豆秸秆生物炭的吸附性能(最大吸附容量分别为209.35、180.62和226.64 mg·g^-1)远优于松木生物炭的(4.62、12.02和23.47 mg·g^-1)。6种生物炭对Pb²⁺的吸附过程都符合Langmuir模型和拟二级动力学模型,以化学吸附为主,受物理微观结构的影响较小。阳离子交换在生物炭吸附Pb²⁺过程中占据重要作用,其中Ca²⁺的交换能力最强。Pb²⁺在生物炭表面的矿物沉淀主要为水白铅矿和碳酸铅。矿物质沉淀(贡献占比21.9%～76.8%)和阳离子交换(18.1%～72.5%)是大豆秸秆炭和松木炭对Pb²⁺的...     

热解温度对污泥生物炭稳定性及养分淋溶特性影响

以市政污泥为原料,在300、500、700 ℃ 条件下热解制备得到污泥生物炭。采用碱液吸收法测定生物炭在培养环境下的CO₂释放速率以表征其降解速率,并采用预测模型计算得到生物炭的半衰期。以去离子水为浸提剂考察了生物炭中可溶性养分含量及其淋溶特性。结果表明:在300~700℃范围内,较高温度下制备的生物炭降解缓慢,稳定性更强,可在自然环境中长期存在,具有更好的固碳效果;较低温度下制备的生物炭中水溶性氮、水溶性钾含量更高,但水溶性磷含量更低;生物炭中养分的淋溶效果与其可溶性养分含量一致,较低温度下制备的生物炭的淋溶液中水溶性氮、水溶性钾含量较高,水溶性磷含量较低。     

不同热解温度下禾本科植物生物炭理化特性分析

以禾本科植物王草、水稻秸秆、甘蔗渣和玉米秸秆为原料,在厌氧条件下于300、500和700℃制备王草炭(I)、水稻秸秆炭(R)、甘蔗渣炭(S)和玉米秸秆炭(M),研究了不同热解温度对生物炭结构及组成的影响.研究结果表明:随着热解温度升高,4种生物炭产率下降,300℃时I、R、S和M的产率分别为45.81％、48.67％、...     

移动床中内构件对煤热解反应过程调控作用

在外热式内构件（多级折流板和多段集气管）移动床反应器内研究了淖毛湖煤的热解特性,并与常规固定床反应器中煤热解行为进行对比,考察了两反应器内的传热速率以及热解温度对产物分布、热解气组成、焦油组成和品质等影响规律。结果表明：在450℃低温热解时,煤颗粒在内构件移动床内的升温时间比固定床缩短了60%以上,内构件具有显著提高反应器内颗粒间传热速率的作用。随着热解温度的升高,热解气中的C₂H₄/C₂H₆和C₃H₆/C₃H₈的比值变大,挥发分的二次反应程度加大,但裂解程度低于固定床。内构件移动床中的焦油产率随温度的升高先增加后降低,在550℃时达到最高为10.8%（质量分数）,比固定床增高约28.6%。当热解温度越高时,移动床所产焦油中的沥青质组分含量越低,在750℃时焦油中轻质组分质量分数达到85.17%,脂肪烃含量降低到了28.00%。通过与固定床对比,揭示了内构件（多级折流板和集气管）调控淖毛湖煤热解反应并提高热解焦油产率和品质的作用。     

生物炭对重金属(Zn)的吸附特性及动力学

在300～700℃下制备了水葫芦炭和玉米秸秆炭,研究了生物质种类、热解温度、溶液初始pH和Zn(Ⅱ)初始浓度对两种生物炭吸附溶液中Zn(Ⅱ)的影响,并结合吸附过程曲线拟合获得了吸附动力学模型。结果表明：随着热解温度的升高,生物炭理化特性发生显著变化,生物炭的挥发分、氧含量、氢含量以及O/C和H/C显著降低,而固定碳、灰分和热值显著升高,生物炭的比表面积、总孔容、微孔容、pH以及KCl等盐类物质均得到了显著增加。随着溶液初始pH增加,生物炭对Zn(Ⅱ)的吸附能力呈现先快速增加然后逐步趋于稳定或稍有下降的趋势,不同生物炭的最大平衡吸附量出现在pH=4~6之间。Zn(Ⅱ)初始浓度<30mg/L时,生物炭对Zn(Ⅱ)平衡吸附量随溶液Zn(Ⅱ)初始浓度的增加呈线性快速增长,而当Zn(Ⅱ)初始浓度>30mg/L,其平衡吸附量增长趋势变缓。在相同Zn(Ⅱ)初始浓度下,随着热解温度的提高,生物炭对溶液中Zn(Ⅱ)平衡吸附量逐渐提高,且在同一热解温度下制备的水葫芦炭对Zn(Ⅱ)的平衡吸附量显著高于玉米秸秆炭。两种生物炭对溶液Zn(Ⅱ)的吸附符合Lagergren准二级动力学模型,其吸附过程均受化学吸附控制,水葫芦炭和玉米秸秆炭对Zn(Ⅱ)吸附机制主要包括含氧官能团的络合作用和无机盐离子的沉淀作用。     

市政污泥热解制备生物炭实验研究

生物炭是有机物质在缺氧或贫氧气氛下经热裂解过程产生的固体产物^[1]目前对生物炭的研究兴趣源于对亚马逊盆地黑土(Terra Preta)的认识,亚马逊盆地黑土含有丰富的生物炭,多年耕种后,仍保持持久肥力^[2].研究表明,生物炭是稳定的碳载体,在土壤中可保持长达百年至千年之久,土壤中施用生物炭可提高土壤中有机碳以及腐殖质含量,从而提高土壤的养分吸持容量及持水容量^[3-4].     

污泥与生物质共热解制备生物质炭工艺优化及吸附性能

通过污泥与秸秆（玉米秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、芝麻秸秆）慢速共热解的方法,在不同热解温度（300℃、400℃、500℃、600℃）、热解时间（0.5h、1h、1.5h、2h）及配比（污泥与生物质1∶0、1∶0.5、1∶1、1∶2）条件下制备4种生物质炭,即SCBC（污泥-玉米秸秆生物质炭）、SRBC（污泥-水稻秸秆生物质炭）、SWBC（污泥-小麦生物质炭）、SSBC（污泥-芝麻生物质炭）,研究了不同热解条件对生物质炭产率、pH、元素组成、表面特征、吸附性能的影响,并根据吸附性能筛选出各生物质炭的最优制备工艺。结果表明,热解温度为500℃、热解时间为2h、污泥与玉米秸秆、芝麻秸秆配比为1∶1时,污泥与水稻秸秆、小麦秸秆配比为1∶2时,制备的生物质炭吸附性能最优。最优制备工艺条件下,4种生物质炭吸附性能相比：SWBC > SRBC > SCBC > SSBC。     

热解温度对无烟煤焦微观结构和脱硝特性的影响

在氮气气氛和600～1000℃条件下, 使用水平管式炉对龙坪无烟煤进行了热解制焦实验, 利用拉曼光谱分析了热解煤焦的微观结构变化, 使用热重分析仪(TGA)进行了无烟煤焦的程序升温脱硝实验, 研究了热解温度对无烟煤焦微观结构和脱硝特性的影响。研究结果表明:热解温度对无烟煤焦的微观结构有显著的影响, 随着热解温度升高, 煤焦的拉曼光谱G峰与D1峰的位置差逐渐减小, 谱峰积分面积逐渐缩小, 积分面积比值I_D1/I_G和I_D3/I_G先增大后减小, I_G/I_All先减小后增大。热解温度还对无烟煤焦的脱硝特性有明显的影响, 无烟煤随着热解温度升高由炭化向初步石墨化转变, 由于活性结构数量的减少和碳结构变得更加有序, 无烟煤焦的脱硝反应性不断降低, 脱硝反应活化能增大。     

炭化工艺对脱水沼渣炭理化性质的影响

以一级脱水沼渣为原料,通过热重-红外联用分析其失重行为及热解气相产物的组成,采用单因素试验方法,考察炭化温度、升温速率、保温时间对沼渣炭的得率、理化性质的影响。结果表明：360～480℃区域为热解的主要阶段。随着温度的升高,炭得率、挥发分含量降低,灰分含量增加,固定碳含量在700℃最高（18.37%）;随着升温速率提高,灰分、固定碳含量提高,炭得率及挥发分含量降低;随着保温时间的延长,炭得率逐渐降低,对灰分、挥发分、固定碳影响不显著;原料及炭热值较低;重金属Cd和Pb含量低于“有机-无机复混肥料”标准限值（GB 18877—2009）;Hg和Cr含量较低,符合肥料用有害重金属元素限值标准,而有益于植物生长的元素Mn和Zn含量较高,本研究为减量化处理复杂沼渣提供了理论依据。