煤氣化作為煤炭一種高效利用形式，主要是將煤在二氧化碳、水蒸氣或其他氣氛下加熱至高溫發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，生成CH4、CO、H2等重要的化工原料氣。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年都會(huì)產(chǎn)生大量的植物秸稈。而我國(guó)當(dāng)前對(duì)于水稻秸稈、玉米秸稈等生物質(zhì)的利用主要是采取直接焚燒或者破碎回埋的方式等，還有少部分被用于制作動(dòng)物飼料。這樣的利用方式，不僅造成了資源的極大浪費(fèi)并且對(duì)于環(huán)境造成了極大的污染。因此，如何合理利用這些生物質(zhì)資源就成為了人們需要解決的一大問(wèn)題，所以，研究不同生物質(zhì)對(duì)于煤炭氣化的促進(jìn)作用對(duì)于煤氣化有著重大的意義，將生物質(zhì)與煤氣化有機(jī)結(jié)合起來(lái)對(duì)于有效合理的利用兩種物質(zhì)具有廣闊的前景。
1、實(shí)驗(yàn)原料
選取我國(guó)北方的玉米秸稈、水稻秸稈、大豆秸稈以及晉城無(wú)煙煤。將生物質(zhì)與煤樣進(jìn)行干燥后研磨至粉末狀，將得到的粉末進(jìn)行壓片處理，將其篩分至0.42mm?0.85mm(20目?40目），用于下一步的煤氣化實(shí)驗(yàn)。首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)原料進(jìn)行工業(yè)及元素分析，得到結(jié)果如表1所示。
由表1可知，不同生物質(zhì)的組分以及含量有較大的差異，生物質(zhì)與煤相比而言，氧含量較豐富，而無(wú)煙煤中的碳含量遠(yuǎn)高于生物質(zhì)，因此，將煤與生物質(zhì)共氣化可以實(shí)現(xiàn)元素的綜合利用。同時(shí)，生物質(zhì)中含有較多的K、Ca、Na等堿土金屬元素，對(duì)于煤的氣化具有較強(qiáng)的催化作用。實(shí)驗(yàn)樣品的灰分分析如表2所示。
由表2可知，不同生物質(zhì)的的灰分中堿金屬含量有較大的差別，水稻秸稈中的K含量最多，而大豆秸稈的Na含量最高，而生物質(zhì)中含有大量的堿金屬，對(duì)于煤炭氣化有較強(qiáng)的催化作用。傳統(tǒng)的煤氣化需要的條件苛刻，能耗大，對(duì)原料的要求較高。
生物質(zhì)作為一種可再生能源，且其中的堿金屬含量較高，煤與生物質(zhì)的共氣化可以降低煤氣化條件，擴(kuò)大氣化煤的來(lái)源。然而，生物質(zhì)種類繁多，不同的生物質(zhì)對(duì)于煤氣化有著不同的作用。在研究煤與生物質(zhì)共熱解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，兩者之間存在著顯著的協(xié)同作用，相較于單獨(dú)的煤熱解過(guò)程，共熱解過(guò)程中，生物質(zhì)的存在提高了煤氣化過(guò)程中的氣體產(chǎn)率，產(chǎn)氣中的高熱值氣體成分增多。
2、實(shí)驗(yàn)方法
該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水蒸氣發(fā)生器、溫度檢測(cè)體統(tǒng)、氣體收集系統(tǒng)、氣體凈化系統(tǒng)、氣體在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。共熱解反應(yīng)主要在石英管反應(yīng)器（內(nèi)徑50mm、長(zhǎng)0.8mm、恒溫段30cm)中進(jìn)行，熱量由電加熱絲提供：首先，將反應(yīng)器升溫至700℃，并保持?jǐn)?shù)分鐘后迅速加入煤與生物質(zhì)混合顆粒，之后，進(jìn)行熱解反應(yīng)，將收集到的氣體經(jīng)過(guò)凈化處理后接入氣體分析儀進(jìn)行產(chǎn)物的檢測(cè)。
3、玉米穡稈的影響
煤與生物質(zhì)共氣化過(guò)程主要包括3個(gè)階段，分別是對(duì)原料的預(yù)熱后干燥階段、煤與生物質(zhì)的熱解階段、煤與生物質(zhì)焦繼續(xù)受熱生成焦與氣化產(chǎn)物階段。在整個(gè)過(guò)程中，煤種類確定的情況下，生物質(zhì)對(duì)于煤熱解過(guò)程中的影響是非常重要的[6]。生物質(zhì)對(duì)煤氣化過(guò)程的影響是多方面的，主要影響因素有生物質(zhì)的種類、粒徑、堿金屬種類及含量等。結(jié)合玉米秸稈的工業(yè)分析與元素分析，其中，C含量多，堿金屬Na含量多，導(dǎo)致其產(chǎn)氣中的CH4含量較多，達(dá)到了10%，并且煤氣化的初始速率也較快，表明了玉米秸稈對(duì)于煤氣化的促進(jìn)以及產(chǎn)物的選擇與調(diào)控有明顯的作用，這與玉米秸稈的組成有重要的關(guān)系。
水稻穡稈的影響
分別在固定床和流化床兩種不同的反應(yīng)器上，對(duì)水稻秸稈與褐煤的共熱解過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)的粒徑對(duì)于煤氣化速率有明顯的影響，生物質(zhì)的粒徑越小，與煤顆粒的接觸面積越大，對(duì)于煤氣化的催化作用就越明顯。而水稻秸稈中含有大量的K，對(duì)于煤氣化的催化作用較強(qiáng)，其與煤共氣化過(guò)程中的氣化初始速率相比于玉米秸稈快，而其中，Na含量較少使得其氣化產(chǎn)物中的CO氣體較多。
大豆穡稈的影響
大豆秸稈中的堿金屬含量居于兩者中間，K、Na含量相對(duì)較多，其對(duì)于煤初始?xì)饣俾实拇龠M(jìn)作用是最強(qiáng)的，氣化反應(yīng)速率也最快，且產(chǎn)物中的CH4與CO的含量也適中，兩種氣體含量介于水稻稻稈與玉米秸稈與煤共氣化產(chǎn)物中間。
4、結(jié)論
煤與生物質(zhì)共氣化，可以充分利用生物質(zhì)中高含量的堿金屬，彌補(bǔ)煤自身堿金屬含量缺乏，單獨(dú)氣化時(shí)條件要求高的難題，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。然而，生物質(zhì)的種類繁多，不同的生物質(zhì)對(duì)于煤氣化催化作用的效果是不一樣的，因此，研究不同生物質(zhì)對(duì)于煤氣化過(guò)程的影響具有很大的意義。本文通過(guò)研究不同生物質(zhì)對(duì)于煤氣化作用的影響發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)中的堿金屬含量對(duì)于煤氣化作用有非常重要的催化作用，對(duì)于產(chǎn)氣的調(diào)控也有一定的作用。堿金屬對(duì)于煤氣化都有催化作用，然而，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)中的堿金屬K對(duì)于煤氣化產(chǎn)氣中的CH4有更高的選擇性，而Na對(duì)于煤氣化產(chǎn)氣中的CO有更高的選擇性。CH4是天然氣的主要組分，具有非常高的熱值，CO是重要的化工原料氣，我們可以根據(jù)對(duì)于產(chǎn)氣的需求來(lái)選擇合適的生物質(zhì)，進(jìn)而最大程度上滿足對(duì)于產(chǎn)氣的需求。
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