热解压力和升温速率对煤焦和生物质焦结构及氧化反应性的影响

摘要

随着我国经济的快速发展，煤炭消耗急剧增加，导致高品质煤储量逐渐减少，生物质作为一种可再生资源对缓解能源紧缺有着积极的作用。诸多煤和生物质的热化学转化技术中，热解是具有共性的基础且重要的过程，热解半焦的结构特征是其反应性的决定因素。热解条件影响挥发分的产物分布和煤焦的物化性质，进而影响焦的反应活性。其中，升温速率和热解压力分别影响热解过程中脱挥发分过程和挥发分逸出过程，改变半焦的物化结构及其反应性，影响气化炉的运行，而煤气化高温高压的发展现状促使对煤的快速热解和加压热解进行深入研究。因此，研究升温速率和热解压力对煤焦和生物质焦结构及反应性的影响对煤和生物质的共利用至关重要。
　　本研究课题以煤（褐煤、烟煤）和生物质（玉米秸秆）为原料，利用两段式固定床反应器分别在不同升温速率和热解压力下制备焦样，通过焦样的比表面积、表面形貌、碳微晶结构和化学结构及其等温氧化反应性的表征，对比分析热解压力和升温速率对焦样物化结构及其反应性的影响，并进一步探讨热解压力和升温速率对煤和生物质热解过程中挥发分二次反应的影响，主要结论归纳如下：
　　（1）升温速率的提高，褐煤、烟煤和生物质的焦产率均降低，焦样的比表面积和缺陷结构增加，同时焦样的石墨化程度降低，这些焦样结构上的改变使得高升温速率热解所得褐煤焦、烟煤焦和生物质焦反应性增加。生物质焦表面粗糙程度和碳微晶结构随升温速率变化的幅度较褐煤焦和烟煤焦更为明显，且升温速率的改变对生物质焦反应性的影响更大，主要是因为生物质本身的氧含量、H/C原子比以及碱金属及碱土金属含量（尤其是K）较褐煤和烟煤的高。
　　（2）慢速热解过程中随着压力的升高，褐煤、烟煤和生物质的焦产率略微提高；褐煤焦和生物质焦的比表面积随着压力的增高而降低，烟煤焦的比表面积呈无规律变化；热解压力的提高使得煤焦和生物质焦表面结构更加致密，平整度增加，缺陷结构减少；随着压力的提高，焦样的碳微晶结构更为规整，芳香度增大，化学结构趋于稳定，石墨化程度升高，这主要是因为较高的热解压力增大挥发分的扩散阻力，使得热解过程中挥发分的二次反应更为剧烈，最终使得煤焦和生物质焦的反应性随压力的增加而降低。
　　（3）热解压力通过影响快速热解过程中的挥发分的释放影响煤焦和生物质焦的孔隙结构、表面形貌和碳微晶结构，进而影响焦样的氧化反应性。高升温速率下随着压力的升高，褐煤、烟煤和生物质的焦产率增大，且生物质增大的趋势最为明显；褐煤焦和生物质焦的比表面积呈现降低趋势，而烟煤焦反而呈现增大的趋势；煤焦和生物质焦的表面更加致密紧凑，颗粒分布较为均匀，表面更为平整，缺陷结构减少；热解压力升高使得焦样的碳微晶结构较常压下更为规整，芳香度增大，石墨化程度升高；高压下煤焦和生物质焦的氧化反应性均低于常压下。

目录

声明

符号说明

第一章 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 煤和生物质热解

1.3 煤焦和生物质焦结构及反应性的研究现状

1.4 课题的提出和研究内容

第二章 实验部分

2.1 实验样品的选取与制备

2.2 煤和生物质的热解失重率

2.3 焦样的氧化反应性的测定

2.4 焦样的结构表征

2.5 数据处理方法

第三章 升温速率对煤焦和生物质焦结构及氧化反应性的影响

3.1 引言

3.2 升温速率对煤和生物质热解特性的影响

3.3 升温速率对煤和生物质焦结构的影响

3.4 升温速率对焦样氧化反应性的影响

3.5 小结

第四章 热解压力对煤焦和生物质焦结构及氧化反应性的影响

4.1 引言

4.2 热解压力对褐煤热解特性的影响

4.3 热解压力对煤焦和生物质焦结构的影响

4.4 热解压力对焦样氧化反应性的影响

4.5 小结

第五章 高升温速率高压对煤焦和生物质焦结构及氧化反应性的影响

5.1 高升温速率高压对煤和生物质焦结构的影响

5.2 高升温速率高压对焦样氧化反应性的影响

5.3 小结

第六章 结论和建议

6.1 主要结论

6.2 建议

参考文献

致谢

论文发表情况