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煤/生物质共气化过程中生物质热解挥发分与煤焦相互作用的研究

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第一章 绪论

1.1我国煤炭资源利用现状

1.2生物质资源的开发利用

1.3煤和生物质共气化的研究

1.4关于反应过程中相互作用的研究

1.5本文的研究思路及主要研究内容

第二章 实验部分

2.1实验原料

2.2实验装置及方案

2.3实验试剂及仪器

2.4实验产物分析

2.5计算方法

第三章 二次反应过程中反应环境对纤维素热解挥发分的影响

3.1实验部分

3.2结果与讨论

3.3本章小结

第四章 共气化中纤维素与木质素热解挥发分重整的对比研究

4.1实验部分

4.2结果与讨论

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1结论

5.2不足与今后工作建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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摘要

煤和生物质共气化作为一种新兴的能源利用技术，既可以缓解煤炭利用过程中 CO2的排放问题又可以弥补煤炭单独气化过程中氢元素不足的缺陷，节水减排优势明显，具有潜在的工业应用前景。然而，在实际应用过程中，生物质高挥发分的特点也把一直困扰生物质气化技术发展的焦油问题带入到了煤/生物质共气化过程当中，成为发展共气化技术不得不考虑的重要问题。生物质富含挥发分而煤的固定碳含量较高，因此，生物质中未转化成气体的挥发分最终以焦油的形式释放。由于焦油会造成管道堵塞、设备腐蚀，因此，了解生物质焦油的形成来源、在共气化环境下的结构演化规律和影响因素对焦油释放控制具有重要的指导意义。在煤和生物质共气化过程中，生物质一次热解挥发分会与煤焦发生相互作用，因此，焦油的产率和性质很大程度上与挥发分在煤焦表面的二次反应有关。
　　本论文从生物质基本组成出发，以生物质主要组分中的纤维素和木质素为原料，在两段式固定床反应器上研究了生物质热解挥发分与晋城无烟煤焦之间的相互作用。上段生物质（纤维素，木质素）热解的反应温度固定为500℃。首先，考察了下段反应器不同反应温度（600-900℃）下，二次反应对纤维素热解挥发分的分解作用。实验过程中，下段反应器采用了三种不同的反应模式，分别是：下段空管加热的热裂解模式，主要为了研究热效应对挥发分的裂解行为，反应类型为气相的均相反应；下段预先加2g煤焦的催化裂解模式，煤焦被作为促进挥发分裂解的催化剂；下段预先加2g煤焦并通水蒸汽作为气化剂（流速150 mL/min）的催化重整模式。在得到反应环境对纤维素挥发分分解影响的基础上，对比研究了不同温度下，煤焦对不同化学组成的生物质原料纤维素和木质素热解挥发分的催化重整作用。主要考察了焦油在不同反应条件下的产率以及组成结构的变化规律。同时，分析了与生物质挥发分发生相互作用前后，煤焦的比表面积和气化反应性的变化情况。主要得出以下结论：
　　1.纤维素一次热解挥发分的反应性较高，当反应温度低于700℃时，催化裂解和催化重整模式下焦油的产率低于热裂解模式，说明催化裂解和催化重整对挥发分的分解有促进作用；反应温度高于700℃时，三种反应模式下焦油产率基本一致，说明在高温下均相反应起主导作用。
　　2.随着下段反应温度升高，新鲜的纤维素热解挥发分经过脱水反应和芳构化反应转化为芳香类化合物，而随着重整反应的发生，芳香类化合物也逐渐被消耗。因此，挥发分中芳香类化合物的形成和消耗是同时进行的。在高温下（900℃），催化裂解和催化重整模式下所得焦油中芳香类化合物的产率比热裂解模式低，说明无烟煤焦对挥发分中芳香类化合物的裂解有促进作用。
　　3.木质素挥发分比纤维素挥发分更难在煤焦表面发生裂解和重整反应，且木质素焦油中多环芳烃的产率远远高于纤维素焦油，这说明木质素焦油芳香化程度更高，结构更加稳定。
　　4.在反应温度≤800℃时，两种原料的热解挥发分与煤焦发生相互作用之后，无烟煤焦的比表面积均降低，说明挥发分在煤焦表面形成了积碳。只有在900℃催化重整模式下，煤焦的比表面积增大，说明煤焦气化反应速率大于其表面的积碳速率。

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