生物質(zhì)資源包括木材及森林工業(yè)廢棄物、農(nóng)業(yè)廢棄物、水生植物、油料植物等。不同生物質(zhì)的主要組成基本相同，但其成分含量則差異較大。由于單一生物質(zhì)很難實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化大規(guī)模利用，所以必將是多種生物質(zhì)混合利用。本文采用華北地區(qū)常見(jiàn)的13種農(nóng)業(yè)、林業(yè)、草木生物質(zhì)，將這些組成成分差異不大的生物質(zhì)制備成均勻的混合物，與一種典型褐煤進(jìn)行共熱解的試驗(yàn)研究。
1、生物質(zhì)能的轉(zhuǎn)化
生物質(zhì)的利用轉(zhuǎn)化方式主要有熱化學(xué)法、生物化學(xué)法、提取法。熱化學(xué)法是指高溫下將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為其它形式能量的轉(zhuǎn)化技術(shù)，包括直接燃燒（直接將生物質(zhì)完全燃燒放出熱量），氣化（在氣體介質(zhì)氧氣、空氣或蒸汽參與的情況下對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行部分氧化而轉(zhuǎn)化成氣體燃料的過(guò)程），熱解（在沒(méi)有氣體介質(zhì)氧氣、空氣或蒸汽參與的情況下，單純利用熱使生物質(zhì)中的有機(jī)物質(zhì)等發(fā)生熱分解從而脫除揮發(fā)性物質(zhì)，常溫下為液態(tài)或氣態(tài)，并形成固態(tài)的半焦或焦炭的過(guò)程）和直接液化（在高溫高壓和催化劑作用下從生物質(zhì)中提取液化石油等）。生物化學(xué)法是指生物質(zhì)在微生物的發(fā)酵作用下產(chǎn)生沼氣、酒精等能源產(chǎn)品。提取法是利用生物質(zhì)提取生物油。
固體生物質(zhì)的熱解及其進(jìn)一步轉(zhuǎn)化是開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能的有效途徑之一。在生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，熱解是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。生物質(zhì)形態(tài)各異，組成多為木質(zhì)素、纖維素等難降解有機(jī)物，與礦物燃料不同，因此生物質(zhì)熱解過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，影響生物質(zhì)熱解的運(yùn)行參數(shù)有終端溫度、加熱速率、壓力和滯留時(shí)間等。生物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其灰成分對(duì)熱解也都有影響。研究生物質(zhì)與煤共同作為燃料所具有的特性可為更廣泛的利用生物質(zhì)能提供參考依據(jù)。
2、生物質(zhì)與煤的混合物共熱解研究現(xiàn)狀
影響生物質(zhì)或煤熱解產(chǎn)物的質(zhì)與量的因素除了煤質(zhì)、生物質(zhì)的種類外，主要取決于熱解終溫和加熱速率。高溫有利于氣體產(chǎn)物的生成，主要是因?yàn)楦邷貢?huì)引起熱解產(chǎn)物的二次分解；而加熱速率的提高則因改變了反應(yīng)類型，使熱解產(chǎn)物的質(zhì)與量得到相應(yīng)的改善。煤與生物質(zhì)的熱解行為有很多相似之處，但也有不同，除了煤與生物質(zhì)的熱解溫度范圍不同外，還有氣氛的影響。
在煤與生物質(zhì)共熱解過(guò)程中，二者的熱解必將相互影響，如果存在有利的協(xié)同作用，就有可能達(dá)到共熱解提高煤轉(zhuǎn)化率及提高產(chǎn)物熱值的目的。在共熱解中，生物質(zhì)的熱解總是在煤熱解之前發(fā)生，因此，生物質(zhì)熱解的過(guò)程與產(chǎn)物是否對(duì)后續(xù)煤的熱解產(chǎn)生促進(jìn)或抑制的影響，以及熱解工藝參數(shù)的選取和設(shè)備的設(shè)計(jì)等，均成為該領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的重要課題。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一些研究者對(duì)生物質(zhì)與煤共熱解中的協(xié)同作用進(jìn)行了研究。Chatphol MeesIi和Behdad MogIUaden發(fā)現(xiàn)無(wú)明顯協(xié)同作用；Nikkhah在小型反應(yīng)器中進(jìn)行了若干種生物質(zhì)和煤共熱解試驗(yàn)，認(rèn)為共熱解能夠提高氣體產(chǎn)率，且增加碳?xì)浜亢蜔嶂担籑cGee對(duì)PVC和木屑／麥稈混合（模擬城市固體廢棄物）的共熱解試驗(yàn)結(jié)果表明存在協(xié)同反應(yīng)，半焦產(chǎn)率增高，但半焦反應(yīng)活性下降。Moghtader研究了煤和木質(zhì)生物質(zhì)的共熱解行為，J．M．Jones用熱重分析儀和熱解氣相色譜一質(zhì)譜分析儀研究松屑和煤共熱解，均認(rèn)為沒(méi)有提及協(xié)同作用。K．Raveendran采用14種生物質(zhì)的熱解研究結(jié)果顯示，不論人工合成的生物質(zhì)和還是天然生物質(zhì)原料其各成分間均未發(fā)現(xiàn)協(xié)同反應(yīng)。A.G．Collot在固定床和流化床兩種反應(yīng)器上研究煤和生物質(zhì)共熱解，采用Daw Mill煤和白樺樹及波蘭煤和森林殘余物，固定床共熱解試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)共熱解的焦油值比其各自單獨(dú)熱解值提高4%，全部揮發(fā)分的計(jì)算值與試驗(yàn)值一致，作者尚不能確定協(xié)同反應(yīng)是否存在。在文獻(xiàn)描述的流化床熱解反應(yīng)結(jié)果中，焦油值略低，揮發(fā)分值比期望無(wú)協(xié)同反應(yīng)的值高出5%；但A．G．Collot認(rèn)為，不管燃料顆粒緊密接觸還是離散，在其共熱的解過(guò)程中均為各自行為，盡管在這兩種反應(yīng)器中焦油和揮發(fā)分有一些差別，但這種差別太小不足以證明有協(xié)同反應(yīng)。而在用波蘭煤和森林殘余物共熱解時(shí)發(fā)現(xiàn)，森林殘余物的半焦超過(guò)了煤半焦，混合物中有30%是煤半焦，是單獨(dú)煤熱解產(chǎn)生半焦的3倍，認(rèn)為可能存在協(xié)同反應(yīng)，推測(cè)是白樺中的礦物質(zhì)（較高的鉀）對(duì)煤熱解產(chǎn)生了催化作用。Rudiger用鼓泡流化床反應(yīng)器研究生物質(zhì)和煤共熱試驗(yàn)，Rtidiger和Pan沒(méi)有觀察到協(xié)同反應(yīng)，可能是因?yàn)樗麄儧](méi)有考慮樣品間的空間距離，鼓泡床較短的停留時(shí)間限制了整體的失重，存在不完全熱解。Pan在大氣壓力下，用熱重分析儀研究了低品質(zhì)煤和生物質(zhì)的共熱解行為，溫度在110℃~900℃，加熱速率100℃/min，沒(méi)有觀察到協(xié)同反應(yīng)。C．Strm等人所進(jìn)行的煤與生物質(zhì)的共熱解表明：煤與生物質(zhì)有許多相同的熱解特性，但熱解溫度范圍不重疊，生物質(zhì)未對(duì)煤熱解起到促進(jìn)作用。李文等人用鋸末、稻殼和大同煤按不同比例混合，用熱重析儀(升溫速率5—25℃/min)研究共熱解，他們認(rèn)為：生物質(zhì)本身固有的氫并沒(méi)有在煤的熱解中起到加氫效果，共熱解中的轉(zhuǎn)化率只是煤與生物質(zhì)各自轉(zhuǎn)化率之和；李世光利用慢速加熱方法進(jìn)行煤與生物質(zhì)共熱解，煤開(kāi)始熱解時(shí)，生物質(zhì)已基本上完全熱解，二者之間難以產(chǎn)生協(xié)同反應(yīng)，認(rèn)為煤不能有效地利用生物質(zhì)中富裕的氫，達(dá)不到預(yù)期效果。
至今國(guó)外研究者采用熱重分析儀和其它不同類型的反應(yīng)器在單一生物質(zhì)與煤共熱解方面開(kāi)展了一些基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，但對(duì)協(xié)同反應(yīng)的機(jī)理認(rèn)識(shí)尚有所不同，大部分研究者的試驗(yàn)從不同的角度推測(cè)協(xié)同反應(yīng)的影響及作用程度�，F(xiàn)有文獻(xiàn)還沒(méi)有見(jiàn)到采用多種生物質(zhì)混合物與煤共熱解特性以及混合生物質(zhì)與煤共熱解的合理?yè)交毂壤难芯繄?bào)道。本文對(duì)多種生物質(zhì)混合物和褐煤共熱解現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析其熱解特性，探討不同比例生物質(zhì)混合物在熱解過(guò)程中能否與褐煤產(chǎn)生協(xié)同反應(yīng)，確定合理的生物質(zhì)與煤共熱解摻混比例，并探討其可能存在的促進(jìn)或抑制機(jī)理。
3、生物質(zhì)混合物、褐煤成分分析與熱解試驗(yàn)方法
生物質(zhì)混合物由華北地區(qū)常見(jiàn)的木屑（松木和楊木混合物）、沙柳枝和葉、旱柳枝和葉、紫花苜蓿、蘆葦、秸稈、稻殼、玉米芯、堿草等13種農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物、草木類等生物質(zhì)按相同質(zhì)量比例混合制備。
褐煤取自某燒梅河褐煤電廠煤粉倉(cāng)，褐煤煤化程度較輕，與生物質(zhì)較為接近。試驗(yàn)樣品均為空氣風(fēng)干樣品。元素分析采用德國(guó)Vario ELm元素分析儀，工業(yè)分析、發(fā)熱量按ASTM有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定(表1)。生物質(zhì)混合物揮發(fā)分約為褐煤的2倍，生物質(zhì)灰分含量不到褐煤的1/4，N、S含量也較低。
采用美國(guó)TA公司TGA2050型熱重分析儀試驗(yàn)研究生物質(zhì)與褐煤共熱解過(guò)程，最高溫度1000℃，最大樣品質(zhì)量lg，升溫速率0.1- 50℃/min，N2流量100 ml/min。
熱解過(guò)程中持續(xù)通入氮?dú)庖詣?chuàng)建可理想化為純粹受試樣本身不可逆熱解化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)控制的氣氛，迅速將熱解氣相反應(yīng)產(chǎn)物帶走，防止逆反應(yīng)過(guò)程發(fā)生，并阻止外界空氣滲入，防止氣相產(chǎn)物或固體試樣與氧氣反應(yīng)。該熱重分析儀具有溫控、差熱測(cè)量、熱重及微商測(cè)量、溫度測(cè)量等功能與真空、氣氛控制及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
相關(guān)生物質(zhì)鍋爐顆粒機(jī)產(chǎn)品：
1、生物質(zhì)壁爐
2、秸稈顆粒機(jī)
3、木屑顆粒機(jī)
