燃煤耦合生物质在CO2气氛下共气化产气特性及动力学研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240150

摘要/Abstract

摘要：

采用可控气氛管式炉研究煤与生物质在CO₂气氛下气化过程中的产气规律及反应动力学特性.研究发现，煤与生物质在N₂气氛下热解分为3个阶段：脱水（30~210 ℃）、急剧热解（210~400 ℃）和缓慢热解（400~1 000 ℃）；在CO₂气氛下气化分为4个阶段：脱水（30~210 ℃）、挥发分释放（210~400 ℃）、缓慢失重（400~660 ℃）和Boudouard反应（660~1 000 ℃）；CO₂气氛下气化转化率约85%，高于N₂气氛下的53%；CO₂气氛下的气化反应较N₂气氛下所需活化能更高，但反应速率较快；煤与生物质在CO₂气氛下气化产生的气体主要包括CO，CO₂，CH₄和H₂；800 ℃时CO气体再次生成，说明高温下CO₂作为氧化剂与碳发生Boudouard反应；CO₂抑制CH₄，H₂和C _m H _n 这些含氢高热值气体的生成.

关键词: CO₂气氛, 煤, 生物质, 气化特性, 反应动力学

Abstract:

A controlled-atmosphere tube furnace was used to study the gas production and reaction kinetics of coal and biomass during gasification under CO₂ atmosphere. It is found that the pyrolysis of coal and biomass under N₂ atmosphere is divided into three stages： dehydration （30~210 ℃）， rapid pyrolysis （210~400 ℃）， and slow pyrolysis （400~1 000 ℃）. Gasification under CO₂ atmosphere is divided into four stages： dehydration （30~210 ℃）， volatile release （210~400 ℃）， slow weight loss （400~660 ℃）， and Boudouard reaction （660~1 000 ℃）. The gasification conversion rate under CO₂ atmosphere is about 85%， which is higher than that under N₂ atmosphere （53%）. The gasification reaction under CO₂ atmosphere requires higher activation energy than that under N₂ atmosphere， but the reaction rate is faster. The gases produced by the gasification of coal and biomass under CO₂ atmosphere mainly include CO， CO₂， CH₄， and H₂. At 800 ℃， CO gas is regenerated， indicating that CO₂ has a Boudouard reaction with carbon as an oxidant at high temperatures. CO₂ inhibits the formation of CH₄， H₂， and C _m H _n， which contain hydrogen and gases with high calorific values.

Key words: CO₂ atmosphere, coal, biomass, gasification characteristics, reaction kinetics

中图分类号:

TK 6

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图/表 15

图1 基于管式炉的气化实验系统

Fig.1 Experimental system of gasification based on tube furnace

表1 实验样品的工业分析和元素分析(质量分数) (%)

Table 1 Industrial analysis and elemental analysis of experimental samples(mass fraction)

样品	工业分析				元素分析
样品	挥发分	水分	固定碳	灰分	C	H	O	N	S
麦秆	67.00	5.98	17.87	9.50	42.10	5.57	38.16	0.50	0.21
精煤	28.89	4.03	57.36	9.72	73.64	3.17	9.66	0.60	0.65

图2 煤与生物质在N2和CO2气氛下热解气化的TG曲线

Fig.2 TG curves of pyrolysis and gasification of coal and biomass under N2 and CO2 atmospheres

图3 煤与生物质在N2和CO2气氛下热解气化DTG曲线

Fig.3 DTG curves of pyrolysis and gasification of coal and biomass under N2 and CO2 atmospheres

图4 N2气氛下线性拟合曲线图

Fig.4 Linear fitting curve plot under N2 atmosphere

图5 CO2气氛下线性拟合曲线图

Fig.5 Linear fitting curve under CO2 atmosphere

表2 N2和CO2气氛下煤与生物质动力学参数

Table 2 Kinetic parameters of coal and biomass under N2 and CO2 atmospheres

活化能

E/(kJ·mol^-1)

频率因子

A/min^-1

线性指数

R²

CO₂

790~1 000

l n g α T 2 = - 4.704 55 T - 9.936 87

N₂

l n g α T 2 = - 3.679 06 T - 8.405 3

30.588

1.64×10⁵

0.998

表2 N2和CO2气氛下煤与生物质动力学参数

Table 2 Kinetic parameters of coal and biomass under N2 and CO2 atmospheres

气氛

温度/℃

β/(℃·min^-1)

拟合方程

活化能

E/(kJ·mol^-1)

频率因子

A/min^-1

线性指数

R²

CO₂

790~1 000

l n g α T 2 = - 4.704 55 T - 9.936 87

39.114

9.72×10⁵

0.974

N₂

240~390

l n g α T 2 = - 3.679 06 T - 8.405 3

30.588

1.64×10⁵

0.998

图6 N2气氛下煤与生物质共气化产气规律

Fig.6 Gas production law of coal and biomass co-gasification under N2 atmosphere

图7 CO2体积分数25%气氛下煤与生物质共气化产气规律

Fig.7 Gas production law of coal and biomass co-gasification under atmosphere with 25% CO2 volume fraction

图8 不同CO2体积分数下煤与生物质共气化产生CO的变化规律

Fig.8 Variation of CO produced by co-gasification of coal and biomass under different CO2 volume fraction

图9 不同CO2体积分数下煤与生物质共气化产生CH4的变化规律

Fig.9 Variation of CH4 produced by co-gasification of coal and biomass under different CO2 volume fraction

图10 不同CO2体积分数下煤与生物质共气化产生H2的变化规律

Fig.10 Variation of H2 produced by co-gasification of coal and biomass under different CO2 volume fraction

图11 不同CO2体积分数下煤与生物质共气化产生C m H n 的变化规律

Fig.11 Variation of C m H n produced by co-gasification of coal and biomass under different CO2 volume fraction

表3 不同CO2体积分数对燃气组分和热值的影响 (gas composition and calorific value)

Table 3 Effect of different CO2 volume fraction on

CO₂体积分数/%	气体体积分数/%				Q_LHV
CO₂体积分数/%	CO	CH₄	C _m H _n	H₂	MJ·m^-3
0	13.92	28.41	21.36	25.18	2.74
5	45.07	13.26	8.11	10.55	1.64
10	47.60	8.09	4.58	6.78	1.24
15	45.99	6.57	3.92	5.26	1.11
20	43.17	5.07	2.90	3.73	0.94
25	39.84	4.52	2.90	2.68	0.86

图12 煤与生物质在不同CO2体积分数下气化产物产率对比

Fig.12 Comparison of gasification product yields of coal and biomass at different CO2 volume fraction

参考文献 17

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燃煤耦合生物质在CO₂气氛下共气化产气特性及动力学研究

Study on Gas Production Characteristics and Kinetics of Coal and Biomass Co-gasification Under CO₂ Atmosphere

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