生物质与煤共热解特性研究
摘要：选取一种典型生物质样品（棉秆），并将生物质样品与煤分别以1:9、3:7、5:5的质量比混合。

采用热重分析法，在相同升温速率下，对各样品进行热解实验，探讨了生物质与煤热解特性的差异以及它们共热解时生物质对煤热解过程的影响。

研究表明，生物质与煤的热解特性差异很大：生物质热解温度低，热解速度快，而煤相对热解速度慢，热解温度高；在生物质与煤混合热解时，总体热解特性分阶段呈现生物质和煤的热解特征；随混煤中生物质比例的增加，热解温度降低，热解速度变快。

关键词：热重分析生物质煤热解共热解
随着人们越来越关注化石能源的使用对生态环境的不利影响，生物质能源的利用份额逐年上升[1]。

但是，由于生物质分布分散、能量密度低、收集运输和预处理费用高、热值低、水分大、转化利用需要外热源等缺点[2]，使得单独利用生物质燃料的设备容量较小、投资费用较高、系统独立性差和效率低。

为了使生物质在较短期内实现大规模有效利用，并具有商业竞争力，生物质与煤混合燃烧和转化技术在现阶段是一种低成本、大规模利用生物质能源的可选方案。

1 生物质能的转化
生物质的利用转化方式主要有直接燃烧、热化学转化和生物转化[3]。

热化学转化是指高温下将生物质转化为其它形式能量的转化技术，包括气化(在气体介质氧气、空气或蒸汽参与的情况下对生物质进行部分氧化而转化成气体燃料的过程)、热解(在没有气体介质氧气、空气或蒸汽参与的情况下，单纯利用热使生物质中的有机物质等发生热分解从而脱除挥发性物质，常温下为液态或气态，并形成固态的半焦或焦炭的过程)和直接液化(在高温高压和催化剂作用下从生物质中提取液化石油等)；生物转化法是指生物质在微生物的发酵作用下产生沼气、酒精等能源产品。

固体生物质的热解及其进一步转化是开发利用生物质能的有效途径之一。

在生物质热化学转化过程中，热解是一个重要的环节。

生物质形态各异，组成多为木质素、纤维素等难降解有机物，与矿物燃料不同，因此生物质热解过程是一个复杂的过程，影响生物质热解的运行参数有终端温度、加热速率、压力和滞留时间等[4]。

生物质的组成、结构等对热解也都有影响。

研究生物质与煤共同作为燃料所具有的特性可为更广泛的利用生物质能提供参考依据。

2 试验
2.1 试验仪器及性能指标
采用美国Perkin-Elmer公司生产的热重－差热联用仪（TG/DTA），其性能指标如下：
测温范围：室温~1500 ℃；称重灵敏度为0.2 mg，最大重量为200 mg；升温速率范围为0.01~100 ℃/min；DTA信号范围1000 V，灵敏度为0.06 V；可在不同气氛下操作，气体最大流速为1000 mL/min。

2.2 试验内容
试验选取棉秆、煤及其煤与棉秆分别以9:1、7:3、5:5（质量比）混合得到的混合物。

各试样的元素分析和工业分析结果见表1，序号1~5分别代表棉秆、煤、煤与棉秆混合物（9:1）、煤与棉秆混合物（7:3）、煤与棉秆混合物（5:5）。

具体试验方案为：将试样（约为10mg）放人加盖的氧化铝坩埚内，并置于热重分析仪的加热炉内。

反应气为高纯度氮气（99.99%），流量为100mL／min，以保证能够及时地将气相产物带走，避免二次反应对试样瞬间失重带来影响。

另外采用高纯氮气作为保护气体。

热解实验采用程序升温，升温速率为20℃／min，终温为900℃。

3 结果与讨论
3.1 生物质与煤的混合热解过程
图1所示为棉秆与煤以不同比例混合热解时的热重（TG）曲线、微分热重（DTG）曲线。

以棉秆为代表的秸秆类生物质与煤混合热解时有以下特点：①棉秆与煤的共热解过程中，有两段剧烈失重。

一段剧烈失重区域与棉秆单独热解的剧烈失重区域大体相同，而第二段失重区域与煤单独热解的剧烈失重区域大体相同；②微分曲线中两个剧烈失重区域，对应的微分曲线的两个峰值的强弱与棉秆掺入比例有关。

随着棉秆掺入比例的增加，第一段剧烈失重区域中的热解速率增加，微分曲线的第一个峰变得相对明显。

图1 各试样热解时的TG、DTG及DTA曲线
Fig. 1 Curves of TG，DTG and DTA of pyrolysis of samples
3.2 生物质与煤的掺混比例对热解特性的影响
热解过程中样品的最大失重率对应的峰值温度为反映热解特性的重要参数。

由实验数据得出，20 ℃/min升温速率下，棉秆单独热解时最大失重率对应的峰值温度为340 ℃，煤的热解峰值温度为460 ℃；棉秆与煤以不同比例混合热解时，DTG曲线有两个峰。

1:9、3:7和5:5掺混比例下，DTG曲线第一个峰的峰值温度分别为350、340、330 ℃，与棉秆单独热解时的峰值温度很接近。

DTG 曲线第二个峰的峰值温度分别为460、455、450 ℃，与煤单独热解时的峰值温度非常接近。

由此我们可以得出：生物质与煤共热解时的热解特性分阶段体现了煤与生物质的热解特性。

表2示出了棉秆单独热解及其与煤混合热解时的特征参数。

可以看出，棉秆与煤共热解时剧烈失重区域中的最大失重率差别很大，但对应的峰值温度与棉秆单独热解时对应的峰值温度却十分接近。

注：各特征参数[5] Ti、(dW/dt)max及Tmax 、Wh%分别代表挥发分开始析出温度、挥发分最大析出速率及其对应温度、900℃时试样的残余含量。

由表2可看出，随生物质所占比例的增加，挥发分开始析出温度呈下降趋势。

生物质中含有较多的挥发分，生物质比例的增加，使单位质量混煤中参加热解反应的挥发分增多，有利于混煤在较低温度热解；随着生物质所占比例的增加，各混煤的挥发分最大析出速率增大，这显然是由于生物质比例的增加使得在相同的时间内有更多的挥发分参与热解而造成的。

3 结论
(1) 生物质与煤的热解特性差异很大：生物质的热解温度低，热解速度快，而煤的热解温度相对较高，热解速度慢；
(2) 生物质与煤共热解过程中，各剧烈失重区域分别与生物质、煤单独热解时剧烈失重区域大体相同，各剧烈失重区域最大失重率对应的峰值温度十分接近。

即生物质与煤混合热解时，总体热解特性分阶段呈现生物质与煤的裂解特性；
(3) 随混煤中生物质所占比例的增加，挥发分开始析出温度呈下降趋势，挥发分最大析出速率增大；生物质的加入使得试样的热解温度降低，热解速度变快。

参考文献：
1. Yao Bin Yang，Vida N. Sharifi，Jim Swithenbank，Converting moving-grate incineration from combustion to gasification –Numerical simulation of the burning characteristics: Waste Management 2007，27:645~655
2. Tony Bridgwater，Biomass for energy: Journal of the Science of Food and Agriculture，2006，86: 1755~1768
3.蒋剑春，生物质能源转化技术与应用，生物质化学工程，2007，3（41）：59~65
4.孙明湖，咸惠军，大工业应用是解决秸秆问题的根本途径，中国生态农业学报，2005，3（13）：196~198
5.张海青，生物质及其与煤混合物燃烧特性研究，硕士学位论文，山东：山东大学，2007。