低階煤與藻類生物質(zhì)共熱解的研究進(jìn)展

程曉晗 侯麗君

摘 要： 本文旨在參照煤、藻類生物質(zhì)單獨熱解及煤與藻類生物質(zhì)的共熱解，將提高低階煤的利用效率和藻類的資源化利用有機結(jié)合，來提高熱解產(chǎn)物的產(chǎn)率和品質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 低階煤；藻類；共熱解；熱解產(chǎn)物

運用低溫干餾工藝生產(chǎn)半焦和低溫煤焦油是拓展低階煤的應(yīng)用領(lǐng)域、提高產(chǎn)品附加值和應(yīng)用效率的重要途徑 [1]。為了提高焦油收率及質(zhì)量，人們提出了煤加氫熱解[2]，而供氫以提高煤轉(zhuǎn)化率成了熱解研究的關(guān)鍵。由于純氫成本較高，所以必須尋找到廉價的氫源。生物質(zhì)含氫量高，可為一種富氫物質(zhì)成為煤加氫的供氫劑，來彌補低階煤富碳貧氫和熱解轉(zhuǎn)化率低的劣勢。生物質(zhì)中的藻類是低等的光合自養(yǎng)生物，不僅產(chǎn)量高，而且固定CO2的能力也很強，藻類減排CO2是地球上最主要和最有效的固碳方式[3]，藻類在CO2固定過程中形成的物質(zhì)可以高效地轉(zhuǎn)化成生物能源加以利用[4]。因此，藻類生物質(zhì)與煤共熱解不僅可以有效的降低工業(yè)生產(chǎn)成本，提高煤的轉(zhuǎn)化率，而且在實現(xiàn)自然資源的經(jīng)濟(jì)高效利用的同時，使煤焦油輕質(zhì)化。

1低階煤的單獨熱解

1.1 煤的低溫干餾技術(shù)

煤的干餾技術(shù)除了按干餾溫度分類以外，還有其他多種分類方法：按照氣氛、加熱速度、加熱方式、熱載體的類型、固體物料的運行狀態(tài)。煤熱解工藝的選擇取決于對產(chǎn)品的要求，并綜合考慮煤質(zhì)特點、設(shè)備制造、工藝控制水平及最終的經(jīng)濟(jì)效益等[5]。

干餾產(chǎn)品質(zhì)量主要受原料煤種類、品質(zhì)、加熱終溫，加熱速度、熱解氣氛、壓力等因素影響[6]。在低溫條件下，熱解時間愈短，焦油的收率就愈高。而高溫條件下，熱解時間增加、焦油收率降低、氣體收率增加。因此，為提高焦油的收率，熱解應(yīng)在低溫下快速進(jìn)行[7]。

1.2熱解產(chǎn)物的利用

低溫煤焦油是煤在800℃以下干餾得到的副產(chǎn)物，可用作生產(chǎn)油氈紙、炭黑等，同時也可通過加氫改質(zhì)制取清潔燃料油。

半焦具有高化學(xué)活性、高比電阻、高固定碳、低灰、低硫、低磷、低三氧化鋁等優(yōu)良特性。一般意義的焦炭產(chǎn)品多用于高爐煉鐵和鑄造等冶金行業(yè)，同時在高爐噴吹、生產(chǎn)炭化料和活性炭等領(lǐng)域有著較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

熱解氣主要由H2、CO、CH4、CO2組成。熱解氣可供民用炊事和取暖，發(fā)電，區(qū)域傳熱，也可用作化工原料的合成氣等。

2低階煤與藻類生物質(zhì)共熱解

煤的本質(zhì)是富碳少氫，研究其與富氫物質(zhì)的共熱解是一條路徑。生物質(zhì)熱解產(chǎn)物生物油和可燃?xì)庵泻休^多有價值化工原料，將兩者共熱解，在一定程度上也可實現(xiàn)生物質(zhì)的高效經(jīng)濟(jì)利用[8～9]。

煤與生物質(zhì)在熱解過程中共同具有主要的反應(yīng)過程：

甲烷氣化反應(yīng)： CH4+ H2O = CO+ 3H2 （1）

水煤氣反應(yīng)： C+ H2O = CO+ H2 （2）

循環(huán)反應(yīng)： C+ CO2 = 2CO （3）

甲烷分解反應(yīng)： CH4 = C+ 2H2 （4）

這些反應(yīng)隨著溫度的升高會達(dá)到平衡，而且會有更多的CO和H2 產(chǎn)生，有利于產(chǎn)品的應(yīng)用。根據(jù)煤化學(xué)理論，在煤熱解過程中，如果氫能夠適當(dāng)?shù)胤峙浣o碳原子，則煤中的氫量幾乎足以使之全部揮發(fā)，至少對中低階的煤來說是如此的。加氫熱解可以提高煤熱解轉(zhuǎn)化率， 提高焦油產(chǎn)量，改善焦油質(zhì)量。生物質(zhì)的H/C 比率高，內(nèi)部氫足以使其完全揮發(fā)，氫氣氣氛對煤的熱解影響較大， 可以作為煤很好的供氫劑。在生物質(zhì)混合物與煤共熱解過程中， 生物質(zhì)混合物提前熱解產(chǎn)生氫，而煤是貧氫物質(zhì)，在煤熱解過程中， 生物質(zhì)中的氫有可能轉(zhuǎn)移到煤中， 有利于煤的熱解。

何選明等[10]又將浮萍與長焰煤以不同的比例混合后共熱解。結(jié)果顯示，浮萍的添加不僅使煤焦油得以輕質(zhì)化，還提高了煤焦油的產(chǎn)率，并且使煤焦油中的高附加值組分如芴、酚、萘及它們的化合物等得以富集。Supachita Krerkkaiwan等[11]將次煙煤與稻草、及合歡木在下落管固定床反應(yīng)器中共熱解。結(jié)果表明，生物質(zhì)的添加在增加氣體產(chǎn)量、降低焦炭和焦油產(chǎn)量方面有顯著的效應(yīng)。

3結(jié)論與展望

基于我國“缺油、少氣、富煤”的現(xiàn)狀，“以煤代油”是一條緩解石油危機的有效途徑之一。而藻類生物質(zhì)不僅具有富氫、生長周期短、光合作用效率高等優(yōu)點，還可以與污水治理和碳減排相結(jié)合，是一種理想的廉價供氫劑。本文著力對低階煤、生物質(zhì)、藻類單獨熱解與低階煤與藻類生物質(zhì)共熱解進(jìn)行對比研究，介紹了生物質(zhì)對煤的熱解過程及熱解產(chǎn)物產(chǎn)生的不同影響。今后低階煤與藻類低溫共熱解可以深入研究不同藻類及其不同組分對不同變質(zhì)程度煤在不同工藝條件下的作用機理。

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