采用焦分离方法研究共热解时煤与生物质的相互作用及对焦结构和CO2气化反应性的影响

煤与生物质的相互作用已被广泛研究。但是,其相互作用机制通常是基于混合焦样的物理化学结构和反应性而提出。在这项工作中,基于不同形状和粒度将无烟煤与生物质共热解后的混合焦分离,然后通过分析分离后煤焦的结构和反应性来揭示煤与生物质相互作用机制。在热解温度为600和900℃条件下,在固定床反应器中制备了混合有不同比例的秸秆(CS)的无烟煤焦样。采用了电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)和X射线衍射(XRD)对煤焦的AAEM浓度和微晶结构进行了检测。利用TGA设备分析了分离后的煤焦与CO 2的气化反应性。结果表明,随着掺混比例从0增加到80%,煤焦中活性K和Mg的浓度逐渐增加,并形成更为无序的碳结构。共热解过程中,更多的AAEM种类被混合物中的煤焦通过挥发分-焦相互作用捕获,而不是随生物质挥发分逸出。同时,热解温度的升高引起了K和Na挥发和失活,也导致石墨化度的降低。而且,CS的添加和更低的热解温度均可提高煤焦的气化反应性。此外,在煤焦的碱性指数AI与反应性指数R 0.5之间建立了较好的线性关系(R 2=0.9009),表明在煤与生物质共气化过程中,AAEMs对提高煤焦气化反应活性起主导作用。

煤矸石与生物质共燃烧反应特性及相互作用研究

利用热重分析仪对不同掺混比例生物质与煤矸石共燃烧特性进行研究。结果表明,生物质在210℃~480℃发生明显的双峰燃烧反应,分别对应挥发分和残炭燃烧,而煤矸石则在350℃~630℃发生单峰燃烧反应。生物质与煤矸石掺混降低了混合物的燃点,但共燃烧反应失重速率的实验值与计算值差别较小,表明共燃烧过程中生物质未能有效提高煤矸石的燃烧活性。通过K2CO3催化煤矸石燃烧推断,生物质中碱金属矿物质含量较低及其与煤矸石中矿物质反应导致活性降低是生物质未能显著促进煤矸石燃烧的主要原因。但生物质低燃点、高活性的优点,及煤矸石中矿物质潜在的固定生物质中活泼碱金属的能力,依然表明生物质与煤矸石掺混燃烧是一种较好的共处理方式。

水蒸气辅助煤与生物质回转炉共热解制高热值可燃气特性研究

煤与生物质共热解作为实现这两种含碳资源高效清洁利用的重要技术路径,对实现碳中和目标有重要意义。本文旨在探究水蒸气辅助下,不同条件对煤与生物质共热解制备高值可燃气体(H_(2)、CH_(4)、CO)的影响。在大型回转炉中,探究了褐煤与玉米秸秆共热解及水蒸气辅助共热解温度、掺混比对H_(2)、CH_(4)、CO产气量和热值的影响,并通过Aspen Plus搭建热解模型对其进行验证。实验及仿真结果表明:秸秆与褐煤存在明显的协同效应,无水蒸气时最佳产气条件可燃气热值超过3000 J/L(热解温度600℃,秸秆掺混比80%)。水蒸气条件下,促进了共热解可燃气高热值组分H_(2)、CH_(4)、CO的生成,最佳条件下可燃气热值提升88%达到5639 J/L(热解温度800℃,秸秆掺混比80%)。

O_(2)/N_(2)和O_(2)/CO_(2)气氛下煤半焦-生物质的混燃特性及影响因素

为掌握煤半焦与生物质在O_(2)/N_(2)和O_(2)/CO_(2)条件下的混燃特性及其影响因素,采用全自动物理化学吸附仪获得了煤半焦-生物质混合燃料的孔隙结构,采用热重实验分析了两种燃料的混燃特性和反应动力学,通过多元线性回归法研究了燃料比、比表面积与混燃特性参数之间的关系。结果表明,O_(2)/N_(2)气氛下,掺混生物质可改善煤半焦的着火、燃尽及综合燃烧特性;O_(2)/CO_(2)气氛下,掺混生物质能改善煤半焦的着火特性,但会延迟其燃尽。混燃的活化能在低温区和高温区有显著差异,生物质掺混比增大,两个温区的活化能都降低;两种气氛下,低温区的活化能相近,但O_(2)/CO_(2)气氛下高温区的活化能显著高于O_(2)/N_(2)气氛下的。O_(2)/N_(2)气氛下孔隙结构对燃烧特性的影响更显著,而O_(2)/CO_(2)气氛下燃料比对燃烧特性的作用更显著。

褐煤与水微观相互作用的分子机制:多尺度分子模拟

煤与水的表面相互作用是洁净煤技术领域的重要科学问题之一。然而,褐煤与水的相互作用是一个复杂的物理化学过程,其微观机制在原子尺度和电子结构方面仍不明确。尤其缺乏褐煤中不同官能团与水之间相互作用能量、稳定性结构特征、相互作用本质的系统考察。基于多尺度分子模拟研究了褐煤与水微观相互作用的分子机制。基于量子化学计算重点考察典型褐煤模型结构中不同官能团与单分子水的相互作用,获得水分子在褐煤不同位点吸附的局域极小构象,以及稳定吸附构象的几何结构特征。基于独立梯度模型的直观绘景阐释了褐煤与水分子之间的相互作用形式主要为范德华作用和氢键。借助能量分解分析方法定量描述并确定了静电作用是稳定煤-水相互作用的最主要因素。此外,还基于分子动力学模拟揭示了不同数量褐煤分子与大量水分子相互作用的组装行为和演化特征,阐明了褐煤分子结构在大量水中的团聚现象。分子动力学模拟结果同样印证了褐煤和水分子主要以静电作用结合。

煤与生物质共热解协同效应的研究现状

总结了我国低阶煤和生物质资源的利用现状,阐述了煤与生物质共热解的协同效应机理,系统对煤与生物质共热解过程中升温速率、热解温度、生物质种类、混合比例、反应器类型、载气流量及热解气氛对协同效应的影响进行了归纳,并分析展望了煤与生物质共热解技术的发展方向和协同效应的研究方向。煤与生物质共热解可将两者单独热解的优点结合起来,在热解过程中发挥协同效应以提高热解产物的产率和品质。也可缓解低阶煤和生物质大量燃烧污染环境、能源利用率低等问题。因此国内外诸多学者从不同角度、采用不同方法探究共热解协同效应机理以及不同因素对协同效应的影响,以助力低阶煤的清洁利用和生物质资源的高效利用。

煤与生物质耦合燃烧的协同效应

生物质燃料是替代化石燃料的重要能源,在燃煤机组上掺烧生物质是当下生物质能利用的主要途径。由于煤和生物质耦合燃烧过程中存在协同效应,生物质燃料与煤耦合燃烧性能与二者单独燃烧的燃烧性能差异无法通过化学成分或相关性质算术平均来确定,与此同时,生物质中富含的碱金属K也会加重受热面结渣倾向。为研究煤与生物质混合燃烧过程中协同效应,选取神府烟煤与板栗壳作为试验样品,通过混合、研磨与压制,制备成圆饼形颗粒并在Hencken平焰燃烧器上进行燃烧试验。利用高速摄像机结合图像处理技术计算着火延迟时间,利用光谱仪结合自发辐射理论测量燃烧过程中火焰温度、气相K浓度。探讨耦合燃烧着火特性、燃烧特性与气相碱金属释放特性协同效应及其原因。最后,结合灰分分析结果计算各工况结渣指数,获得燃烧气相碱金属释放量与结渣指数相关性关系。结果表明:煤与生物质耦合燃烧着火延迟时间低于理论值,证明耦合燃烧着火存在协同效应,表现为促进着火。受纤维素热解与碱金属元素催化共同影响,生物质质量分数为50%时,着火延迟时间与理论值之差达到最大1.91 s,协同效应最大;耦合燃烧释放的碱金属低于理论值,说明耦合燃烧气相碱金属释放协同效应表现为抑制气相碱金属释放,由挥发分-焦炭相互作用与无机反应共同控制,无机反应中Si、Al元素与K反应占主导;随气相K释放量增大,碱酸比与硅比数值增大,结渣倾向升高,结渣指数与气相K释放量间相关性系数均大于95%,说明气相K释放量与结渣指数高度相关,可见在线监测获得的气相K释放浓度具有判别结渣特性潜力。

低阶煤和生物质水热碳化特性及水热炭功能化改性研究进展

低阶煤中大量含氧官能团赋予其强亲水性,导致孔隙表面吸收大量水分,从而增加运输成本,能源转化效率降低,因此低阶煤的清洁低碳高效转化备受关注。水热碳化反应能耗较低,可直接处理高含水率有机固体物质,是一种绿色低碳高效经济的低阶煤提质技术;而生物质作为可代替化石燃料的可再生能源,水热碳化也可大幅提高其利用率。低阶煤与生物质共水热碳化时,二者会产生一定的协同效应,相较于单一水热碳化具有更高的产率和碳保留率。对水热炭进行功能化改性,可以进一步丰富其孔隙结构,增加材料表面的官能团,进而制备出性能优异的功能性炭材料,用于CO_(2)和SO_(2)等气体吸附。综述了低阶煤和生物质单独水热碳化及共水热碳化特性,分析生物质水热碳化主要影响因素;同时对水热炭活化改性和掺杂改性方法进行了总结,比较了氮、硫掺杂及硫氮共掺杂方式、掺杂机制及改性水热炭应用范围。此外,还对改性水热炭对CO_(2)和SO_(2)吸附性能等进行了综述,探讨了多孔炭表面吸附CO_(2)和SO_(2)的机理;最后对低阶煤和生物质共水热碳化以及水热炭低成本制备气体吸附剂等未来发展方向进行了展望。

生物质灰对煤焦气化反应的影响

生物质灰富含碱金属及碱土金属(AAEM),可作为天然催化剂应用于煤催化气化。生物质灰对煤焦气化反应促进作用也是生物质与煤共气化协同作用的本质原因。然而,生物质灰中AAEM在煤气化过程中会失活,失去部分催化作用。通过固定床热解及气化试验,结合XRD、Raman、XRF及BET等手段,分析了生物质灰种类、添加量、气化温度等因素对煤焦气化反应的影响。结果表明,生物质灰对煤焦气化反应催化作用与AAEM含量及存在形态相关。煤焦气化反应速率随小麦秸秆灰添加量增大而增大,小麦秸秆灰添加量达40%时,煤焦气化反应速率变化趋于平缓。气化反应前期,小麦秸秆灰对煤焦气化反应存在抑制作用;随转化率升高,在相同转化率下,温度越高,小麦秸秆灰催化作用越弱。为抑制小麦秸秆灰中K的失活,以蛋壳作为添加剂,探究了小麦秸秆灰与蛋壳的混灰对煤焦气化反应的影响。结果表明,25%小麦秸秆灰与5%蛋壳的混灰,可进一步增强小麦秸秆灰对煤焦气化反应催化作用。添加小麦秸秆灰使煤焦在气化过程中比表面积增大,孔隙结构丰富,石墨化程度减弱,无定形碳含量增加,气化反应活化能降低,气化反应速率增大。煤焦及添加小麦秸秆灰煤焦气化反应采用随机孔模型模拟效果最好。研究结果为生物质灰在煤催化气化中的应用提供参考。

煤-生物质共热解非催化协同效应特征及机理研究进展

对近年来煤-生物质共热解研究中判定是否发生协同效应及协同效应发生强度的4个指标,即温度范围、热重曲线、表观活化能及热解产物的产率及组成进行总结,并概括包括内在因素和外在因素在内的多种影响因素对煤-生物质共热解非催化协同效应的影响,对煤-生物质共热解非催化协同效应反应机理方面的研究进展和成果进行简要评述。最后提出未来煤-生物质共热解非催化协同效应特征和机理研究中可能面临的挑战。

生物质与煤混烧灰湍流团聚相互作用的模拟研究

研究生物质与煤混烧灰的湍流团聚相互作用对于生物质混烧发电锅炉电除尘器入口前构建湍流聚并器具有十分重要的指导意义。针对生物质燃料玉米秸与无烟煤不同掺混比例的混烧灰,基于Fluent软件,利用颗粒群平衡模型(PBM),通过自定义函数(UDF)功能导入湍流团聚核函数,分析不同生物质掺比下混烧灰样细颗粒的湍流团聚效果。研究结果表明,湍流团聚对于微米级颗粒效果较亚微米级颗粒效果显著,湍流团聚效率随着粒径的增大而增大。同时,在不同生物质与煤混烧比下,当流场流速为1.5 m/s,生物质掺混比例越高,湍流团聚效果越佳。因此,对于燃煤锅炉掺杂生物质混烧可提高灰样的湍流团聚效率,在电除尘器入口前构建湍流聚并器是可行的。

生物质炭煤粉高炉混合喷吹性能分析

探究生物质炭煤粉高炉混合喷吹技术的可行性和优势,重点对该混合喷吹性能进行分析,并提出针对性的改进方案。基于实验测试和数值模拟,分析了生物质炭煤粉混合喷吹的燃烧特性、热力学性能及其对高炉煤气温度、煤耗和污染物排放的影响。实验结果表明,生物质碳作为煤粉的替代燃料,在高炉混合喷吹中能够稳定燃烧,为增加高炉炉料提供了新的思路;数值模拟结果显示,生物质炭煤粉的混合喷吹可以显著提高高炉的燃烧效率,降低煤耗和二氧化碳排放量。此外,对生物质炭煤粉混合喷吹技术的经济性和环境效益进行了初步评估,结果表明,该技术在高炉冶金行业具有广泛的应用前景。

共热解过程中煤与生物质相互作用的研究进展

煤炭与生物质共热解是实现煤炭高效清洁利用的重要途径之一。共热解可改善煤炭单独热解产生的污染问题和生物质单独利用时能源密度低、季节性供应不平衡的问题,不仅能提高煤炭转化效率,还能获得更高品质油品。本文从煤与生物质共热解的影响因素、研究方法和共热解过程中组分间相互作用等方面出发,对近期国内外煤与生物质共热解的研究进行综述。总结了生物质种类、热解工艺参数和热解反应器的类型对煤与生物质共热解过程的影响规律以及煤与生物质在共热解过程中的相互作用过程,即半焦与挥发分间的相互作用、挥发分间的相互作用、生物质中碱金属对共热解的催化作用,并针对如何进一步认识煤与生物质相互作用机理、提高共热解效率等问题和发展方向作了展望。

低阶煤与生物质在热溶剂提质萃取过程中的相互作用（英文）

作者前期工作中提出了一种针对生物质废弃物或低阶煤的热溶提质萃取方法,该方法可以在350℃下实现生物质或低阶煤的提质及多级分离,获得高附加值的萃取物。与生物质的热溶提质萃取比较,低阶煤的萃取物收率较低。本研究提出对生物质和低阶煤混合物进行热溶提质萃取,通过两者的物理化学相互作用,来提高其萃取收率。研究结果表明,对两者混合物热溶剂提质分离得到萃取物的产率及元素组成与理论计算结果略有不同,理论计算结果是假设生物质与煤之间无交互作用而得到的。煤中的矿物质对生物质热分解起催化作用,导致收率有所增加。煤、生物质及其混合物通过热溶剂提质分离得到的萃取物的元素组成、分子量分布、化学结构、热分解和热塑性非常相似。总体而言,低阶煤与生物质在热溶剂提质萃取过程的交互作用较小。但是,本研究证明了热溶提质萃取方法不仅适用于煤或生物质,也适用于它们的混合物。这意味着热溶剂提质萃取法可以在不改变任何工艺条件参数的情况下,以煤、生物质及其混合物作为原料。

煤和生物质化学链共气化特性研究

化学链气化是用于合成气生产的气化技术,通过氧气载体循环,减少了对纯氧和外界热量的需求。研究天然氧载体(铁矿石、硫酸渣、红泥)对褐煤和木屑化学链共气化特性的影响,结果表明,当褐煤和木屑掺混比7∶3、温度900℃、水蒸气流量400 mL/min、O/C比为0.2时,褐煤和木屑化学链共气化达到最优气化工况,碳转化率为87.2%,气化效率为68.7%,说明天然载氧体对褐煤和木屑共气化反应具有较好的促进作用。

生物质与煤混烧灰热团聚相互作用的模拟研究

运用颗粒团聚技术实现除尘器内部细颗粒的高效捕集是未来除尘技术发展的重要趋势。针对生物质燃料玉米秸与无烟煤不同掺混比例的混烧灰,基于Fluent软件,利用颗粒群平衡模型(PBM),通过自定义函数(UDF)功能导入热团聚核函数,对其在除尘器内部的热团聚情况进行计算,分析其团聚效果。研究结果表明,热团聚对于细颗粒的团聚具有重要作用,尤其是对亚微米级颗粒效果十分显著,在电除尘器内部热团聚的作用不可忽略。当颗粒体积分数为1.4%,流场流速为1 m/s,混烧比为10%时,混烧灰的热团聚效果最优。因此,对于掺混10%左右生物质进行混燃发电的燃煤机组,可采用在电除尘器的前级电场利用热聚并法对细颗粒进行团聚以致高效减排。

生物质与油浆共热解产物分布及相互作用

生物质作为一种全生命周期碳近零排放的可再生资源,从生物质中提取轻质燃料和化学品是实现碳达峰和碳中和的终极方向。将化石能源与生物质共转化是符合我国的基本国情、寻求化石能源和新能源优化组合的可行之路。以玉米秆(CS)与催化裂化油浆(FCC)为原料,研究了2者共热解过程中的相互作用及生物质内在矿物质对产物分布和产物特性的影响。结果表明,不同比例的CS与FCC油浆共热解过程中的相互作用以聚合反应为主,导致所得半焦产率均有所增加,进一步分析发现反应过程中的相互作用增强了热解焦油中含氧化合物的脱除,促进了烃类物质的生成,提高了焦油产物的品质。其中,酚类物质含量明显降低,芳香烃中3~4个环的稠环芳烃增加较多,脂肪烃中碳原子数量大于13的烃类含量有所增加。当添加30%FCC时,共热解油中酚类物质较计算值减少约7%,芳香烃和脂肪烃含量分别高出约2%和9%。与脱矿CS相比,未脱矿的CS与FCC油浆共热解促进了焦油的生成,抑制了半焦和气体的产生。矿物质的存在对2者的相互作用具有增强效果,不仅促进了油浆的裂解,增强了生物质的脱氧反应,产生更多的烃类,而且减缓了自由基的聚合反应,改善了共热解体系中稠环化合物的缩聚程度。焦油中蓖系物含量减少,脂肪烃含量增加。热重实验评价表明,共热解所得的半焦气化反应活性明显提高,有利于后续的利用。

燃煤机组耦合生物质直燃发电综合分析

燃煤机组耦合生物质发电能有效减少碳排放,是当前煤电实现低碳化的最佳途径。文章借助某电厂300 MW煤粉锅炉掺烧生物质的热力试验结果,从安全性、经济性、技术性和环保性等方面,综合分析了生物质直燃耦合对燃煤机组的影响,并对掺烧生物质可能引起的锅炉受热面的沾污和腐蚀、SCR脱硝催化剂的中毒、湿法脱硫石灰石活性的削弱、制粉系统出力和效率的下降、灰渣利用的限制以及燃煤机组运行经济性的下降等问题,提出了相应的建议和应对措施,为我国燃煤机组的低碳绿色转型提供了参考。

基于PY-GC/MS的生物质组分间相互作用的热解实验

为研究生物质三组分间热裂解过程中的相互作用,利用热裂解-气相色谱/质谱联用仪(PY-GC/MS)联用的方法,对纤维素、木聚糖(半纤维素的模化物)和木质素进行单独热裂解及两两组分混合热裂解实验。单组分实验结果表明,在热解温度600℃、热解时间10s条件下纤维素的热解产物主要以左旋葡聚糖为主,木聚糖以乙酸和糠醛为主,而木质素主要以酚类物质为主。组分混合热裂解实验结果表明,纤维素促进了木聚糖热裂解生成更多的乙酸和糠醛,而木聚糖和木质素对纤维素热解生成左旋葡聚糖具有强烈的抑制作用;纤维素和木聚糖的存在大大促进了木质素热裂解生成酚类物质,而木质素抑制了木聚糖热裂解生成乙酸和糠醛。此外,研究还发现混合组分热解的相互作用受到热解温度和停留时间的影响。

煤耦合生物质气化发电技术研究进展

煤电碳排放是我国能源消费碳排放的主要来源。生物质发电是一种零碳甚至可以是碳负排放的电力生产方式,因此发展煤耦合生物质气化发电技术可实现煤炭减量替代与碳减排效应,是一条煤电走向低碳化的可行路径。基于此,综述了煤耦合生物质发电的3种技术——直燃耦合发电技术、并联耦合发电技术和气化耦合发电技术,解析了3种技术的特点,提出了煤耦合生物质气化发电技术的优势,并基于气化耦合发电技术研究了原料的物理化学性质适应性及原料对气化炉的影响。重点解析了煤耦合生物质气化发电技术的工艺流程,包括生物质原料储存输送系统、气化炉(循环流化床(CFB)气化炉、双流化床(DFB)气化炉、下吸式固定床气化炉、上吸式固定床气化炉、横吸式固定床气化炉和链条炉)、燃气冷却降温系统、燃气加压输送系统、燃气耦合燃烧系统和气体净化系统,并进行了能源利用效率、经济性与环境效益分析,以期为煤耦合生物质发电技术的研究与应用提供理论参考与技术支持。此外,还综述了国家为推进煤耦合生物质气化发电技术出台的一系列政策及当前煤耦合生物质气化发电站的成功案例。最后对煤耦合生物质气化发电技术存在的挑战和未来的发展进行了展望。