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生物质与煤混合热解特性的研究+文献综述(4)
生物质和煤气化后作为电力能源燃料,用于IGCC发电系统,是目前较为清洁、高效和最有竞争力的发电技术,单机容量可达到500 MW,而且已经进入商业化运行阶段[17,18]。随着IGCC技术的发展,一些国家建立了BIGCC(Biomass Integrated Gasification Combined Cycle)电站,但由于生物质的分布分散,能量密度低,收集运输和预处理过程(例如粉碎、压缩成型和干燥)费用高,发热量低,水分大等特点,现建的BIGCC电站单机容量一般为25~75 MW[19],机组容量较小,发电效率较低。研究将生物质转换利用后用于IGCC发电系统将成为大规模、高效利用生物质能的一种有效途径。
1.2 煤的热解
热解是煤燃烧、气化和液化等热加工工艺中的基本过程之一,研究煤的热解过程有助于认识煤的特性,理解煤的热解原理,掌握煤的热解规律。长期以来,科学工作者对煤的热解进行了很多研究,取得了许多有意义的成果[20]。
1.2.1 煤的化学组成
煤是一种组成十分复杂的混合物[21]。从元素组成来看,煤中有机质的主要组成元素是C、H、O、N和S。煤的H/C原子比很低,并且随着煤的变质程度的加深不断降低,较年轻的褐煤的H/C约为0.86,而变质程度最高的无烟煤的H/C只有0.30。从化学结构来看,煤的基本结构单元是3~4个芳环和取代芳烃并含有少量的脂环、杂环,结构单元之间由–CHZ–,–O–,–S–等桥键连接,形成网状的空间结构。随着煤的变质程度的增加,基本单元的尺寸和缩合程度增大,桥键数目相应地减少。桥键是煤的有机质大分子中较弱的共价键,其丰度和强弱很大程度上决定了煤的气化、液化、焦化等过程的化学反应性能。
煤中无机质主要成分是黏土,黄铁矿,方解石和高岭石,含有的元素主要有Si、Al、Fe、Ca、Mg、Ti、Na、K、Mn等,一般来说,煤自身所含矿物质中,碱金属、碱土金属及过渡金属化合物具有催化作用。
1.2.2 煤的热解分类
根据热解条件和方式,煤热解可作以下分类:
(1) 按热解温度分为:低温(500 ℃~700 ℃)热解,以制取焦油为目的;中温(700 ℃~1000 ℃)热解,以生产中热值煤气为主;高温(1000 ℃~1200 ℃)热解(炼焦),生产高强度的冶金焦;超高温干馏(>1200 ℃)。
(2) 按升温速率分为:慢速(1 K/s)、中速(5~100 K/s)、快速(500~106 K/s)和闪速(>106 K/s)热解。
(3) 按加热方式分为:内热式、外热式和内外热并用式热解。
(4) 按反应器内的压力分为:常压热解和加压热解。
(5) 按热解气氛分为:惰性气氛热解、加氢热解和催化加氢热解。
(6) 按固体颗粒与气体在床内的相对运动状态分为:固定床、流化床、移动床、夹带床和落下床(滴落式反应器)等。
(7) 按热载体方式分为:固体热载体、气体热载体和气—固热载体热解。
1.2.3 煤的热解过程
煤的热解过程受许多因素的影响,如压力、加热速率、颗粒大小、热解气氛、停留时间以及煤阶等。按煤的结构变化可以分为以下三个阶段:
(1) 室温~200 ℃(低温热失重阶段)
在此阶段的外形无明显变化,主要脱除煤吸附和孔隙中封闭的水、二氧化碳、甲烷以及少量的矿物质分解水。
(2) 200 ℃~550 ℃(热分解阶段)
这一阶段中的原始分子结构将开始发生解聚和分解反应,以及一定程度的内部缩聚反应,导致大量挥发物的逸出(主要是水、焦油、烯烃、碳氧化物和甲烷及其同系物)。450 ℃左右焦油量最大,在450 ℃~550 ℃气体析出量最多。半焦与原煤相比,芳香层片的平均尺寸和氢密度变化不大,这表明半焦生成过程中缩聚反应并不太明显。
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