 Sustainable Development 可持续发展, 2011, 1, 20-28 http://dx.doi.org/10.12677/sd.2011.11004 Published Online April 2011 (http://www.hanspub.org/journal/sd/) Copyright © 2011 Hanspub SD Experiment for Heating Rate on Pyrolysis Characteristics of Biomass-Coal Mixture Qing He, Ye Wang, Dongmei Du School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing Email: hqng@163.com Received: Apr. 15th, 2011; revised: A pr. 18th, 2011; accepted: Apr. 24th, 2011. Abstract: The pyrolysis experiment on biomass, coal and biomass-coal mixture with various heating rates were carried out and analyzed by thermo-gravimetric analysis method. The effects of heating rates on the process of pyrolysis characteristics of biomass, coal and biomass-coal mixture were obtained and analyzed. The experiment results showed th at the th ermo-grav imetric curves move to the high-side of temperature while heating rate increases; there is a large different characteristic between biomass and coal, and the pyrolysis characteristic of biomass-coal mixture presents separately the characteristics of biomass or coal at different stages. Keywords: Renewable Energy Resources; Biomass Power Generation; Coal; Pyrolysis; Thermo-Gravimetric Analysis 升温速率对生物质与煤共热解特性影响的试验研究 何 青, 王 野, 杜冬梅 华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 Email: hqng@163.com 收稿日期：2011 年4月15 日；修回日期：2011 年4月18 日；录用日期：2011 年4月24 日 摘 要：采用热重分析法，在不同升温速率下，对生物质、煤以及生物质与煤的混合物进行热解试验， 分析了升温速率对热解过程的影响，研究了生物质与煤热解特性的差异以及他们共热解时生物质对煤 热解过程的影响。试验结果表明，随着升温速率的升高，热重曲线向温度高侧移动，生物质与煤的热 解特性差异很大，并且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与煤的热解特性。 关键词：可再生能源；生物质发电；煤；热解；热重分析 1. 引言 煤炭是当代社会主要的化石燃料，我国一次能源消 费构成中煤炭比例超过 66％，在现有能源中占有重要的 地位。但是，煤炭是不可再生的化石燃料，燃烧可造成 大气环境的严重污染，因此开发利用生物质等可再生能 源有着重大的意义[1]。目前，生物质能源作为一种清洁 的可再生能源已经为世界各国所重视，它是仅次于煤、 石油和天然气的第四大能源。生物质的硫和氮含量低， 燃烧过程中生成的 SOx和NOx较少。所以，开发利用生 物质能源不仅能缓解能源危机，而且能减轻环境污染[2]。 生物质发电技术是生物质能利用的重点方向，但是 生物质燃烧发电技术整体上还处于实验阶段，主流技术 之一就是将生物质与煤进行混合燃烧[3]。本文采用热重 分析的方法，对生活中常见的一种生物质花生壳与煤及 其混合物进行热解试验研究，研究升温速率对其热解过 程的影响。 2. 试验过程 2.1. 试验装置 试验系统包括电子天平，差热分析仪，数据采集/ 处理系统和载气瓶。电子天平可精确到 0.001 mg。加 热炉中放有两只圆柱形 Al2O3坩埚，每只坩埚的容积 为0.6 ml，每只坩埚一次最多可装填生物质粉 1 g。实 验时只在一只坩埚内加入物料。热分析仪采用 DTU- 2A/B 型热分析仪，如图 1所示。DTU-2A/B 型热分析  升温速率对生物质与煤共热解特性影响的试验研究 21 Figure 1. Photograph of thermo-balance meter DTU-2A/B 图1. DTU-2A/B微机差热天平 Table 1. Specification of thermo-balance meter DTU-2A/B 表1. DTU-2A/B型热分析仪性能参数 温度范围 A型(室温～1150); B℃型(室温～1450 )℃ 调温速率 0.3~80/min℃(用户自定义) 温度控制 升温、降温和恒温 差热范围 ±1000 µV全范围无级调整 热重微分 计算机自动计算完成 热重精度 1 µg 差热精度 0.01 µV 测温精度 0.1℃ 通讯方式 RS232通讯接口/USB 数据转换传输线 仪以国际热分析协会制定的热重分析法与差热分析法 为理论标准，其性能参数如表1所示。 2.2. 试验材料与处理 本试验所用的材料包括生物质花生壳和煤。试验 前先将花生壳和煤均研磨成粉[4]。煤的粉碎利用电 动 磨煤机进行；而生物质的粉碎则利用铁舟手工磨碎。 粉碎后的粒度均 < 0.5 mm。 2.3. 试验方法及条件 热分析试验包括热重(TG)曲线 和热重微分(DTG) 曲线。试验采用 DTU-2A/B 型热分析仪。试验系统自 动采样，由计算机绘出失重曲线和微分曲线。试验分 别对花生壳粉、煤粉和花生壳粉与煤粉按 1:1 比例混 合的混合物进行热解。程序升温速率分别采用10、20、 40 /mi℃n，起始采样温度设为 60℃，空气气氛升温终 点为 1100℃。 3. 试验结果与分析 3.1. 升温速率对花生壳粉热解特性影响 Figure 2. TG/DTG curves of peanut shell under heating rate 10/min℃ 图2. 升温速率为 10℃/min 时花生壳粉的 TG/DTG 曲线 Copyright © 2011 Hanspub SD  Experiment for Heating Rate on P yrolysis Characteristics of Biomass-Coal Mixture 22 Figure 3. TG/DTG curves of peanut shell under heating rate 20/min℃ 图3. 升温速率为 20℃/min 时花生壳粉的 TG/DTG 曲线 Figure 4. TG/DTG curves of peanut shell under heating rate 40/min℃ 图4. 升温速率为 40℃/min 时花生壳粉的 TG/DTG 曲线 Copyright © 2011 Hanspub SD  升温速率对生物质与煤共热解特性影响的试验研究 Copyright © 2011 Hanspub SD 23 Figure 5. Heating rate on pyrolysis process of peanut shell powder 图5. 升温速率对花生壳粉热解过程的影响 Figure 6. TG/DTG curves of coal under heating rate 10℃/min 图6. 升温速率为 10℃/min 时煤粉的 TG/DTG 曲线 图2～图 4是三份质量(12.887 mg)相等的花生壳 粉试样在不同升温速率(10/min, 20/min℃℃和 40 /min)℃下的 TG/DTG曲线的试验系统自动监测采样 图。为了便于对比三条 TG/DTG 曲线，分析升温速率 对生物质热解过程的影响，将三幅监测采样图整理加 工成图 5。图中曲线所对应的升温速率从左至右按由  Experiment for Heating Rate on P yrolysis Characteristics of Biomass-Coal Mixture 24 Figure 7. TG/DTG curves of coal under heating rate 20/min℃ 图7. 升温速率为 20℃/min 时煤粉的 TG/DTG 曲线 Figure 8. TG/DTG curves of coal under heating rate 40/min℃ 图8. 升温速率为 40℃/min 时煤粉的 TG/DTG 曲线 Copyright © 2011 Hanspub SD  升温速率对生物质与煤共热解特性影响的试验研究 25 Figure 9. Heating rates on pyrolysis process of coal 图9. 升温速率对煤粉热解过程的影响 Figure 10. TG/DTG curves of coal and peanut shell mixed by ratio 1:1 under heating rate 10/min℃ 图10. 升温速率为 10℃/min 时煤粉与花生壳粉 1:1 混合物的 TG/DTG 曲线 Copyright © 2011 Hanspub SD  Experiment for Heating Rate on P yrolysis Characteristics of Biomass-Coal Mixture 26 Figure 11. TG/DTG curves of coal and peanut shell mixed by ratio 1:1 under heating rate 20/min℃ 图11. 升温速率为 20℃/min 时煤粉与花生壳粉 1:1 混合物的 TG/DTG 曲线 Figure 12. TG/DTG curves of coal and peanut shell mixed by ratio 1:1 under heating rate 40/min℃ 图12. 升温速率为 40℃/min 时煤粉与花生壳粉 1:1 混合物的 TG/DTG 曲线 Copyright © 2011 Hanspub SD  升温速率对生物质与煤共热解特性影响的试验研究 Copyright © 2011 Hanspub SD 27 Figure 13. Heating rates on pyrolysis process of coal and peanut shell mixed by ratio 1:1 图13. 升温速率对煤粉与花生壳粉 1:1 混合物热解过程的影响 慢到快的顺序排列。从图5中明显看出，随着升温速 率的升高，TG 曲线向温度高侧移动，即在到达相同失 重量的情况下，所需的热解温度也越高。在相同的温 度下，升温速率越低。热解越充分，挥发分析出量越 多，余重越少[5]。 由图 9可知，虽然各工况升温速率变化很大，但 是煤粉的失重曲线、失重速率曲线在不同升温速率下 变化趋势都一致。由图9可以看出，随着升温速率增 大，DTG 曲线峰值加大，反应的起始温度和终止温度 增高，TG 曲线向高温侧移动，产生热滞后现象。这是 因为煤的热解是吸热反应，煤的导热性差，传热需要 一定的时间。当升温速率增加时，样品内部不能及时 升温挥发和分解[6]。试验还发现热滞的变化并 不与升 温速率成正比。当升温速率过快时，TG曲线的起始和 终止温度的增加反而不明显，但 DTG 曲线会出现比较 明显的双峰，析出物也开始发生变化。另外，随升温 速度增加，煤粉总失重量也增加[7]。 在试验升温速率范围内，热解温度在 300~400℃ 之间，在相同热解温度下，升温速率为 10 /min℃和 40 /min℃相比，花生壳粉的失重率最大相差 25%左右。 不同的升温速率达到最终热解温度所需的时间相差很 大：当加热终温为 1100℃时，升温速率为 10 /min℃ 耗时约 75 min，而升温速率为 20 /min℃需约 45 min， 升温速率为 40 /m℃in 时仅需 20 min,不到升温速率为 10 /min℃所需时间的三分之一。 3.3. 升温速率对煤与生物质共热解特性影响 3.2. 升温速率对煤热解特性影响 图10～图 12是三份质量(12.887 mg)相等的煤粉 与花生壳粉的混合物(按1:1 比例混合)试样在不同升 温速率(10/min, 20/min℃℃和40 /min)℃下的 TG/DTG 曲线的试验系统自动监测采样图。为了便于对比三条 TG/DTG 曲线，分析升温速率对煤粉与花生壳粉混合 物热解过程的影响，将三幅监测采样图整理加工成图 图6～图 8是三份质量(12.887 mg)相等的煤粉试 样在不同升温速率(10 /min,℃ 20/min℃和40 /min)℃下 的TG/DTG 曲线的试验系统自动监测采样图。为了便 于对比三条 TG/DTG 曲线，分析升温速率对煤粉热解 过程的影响，将三幅监测采样图整理成图 9。  Experiment for Heating Rate on P yrolysis Characteristics of Biomass-Coal Mixture 28 13。不难发现，升温速率对煤与生物质混合物热解过 程的影响，与升温速率对煤或生物质单独热解过程的 影响是相似的。 花生壳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花生壳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。虽然花生壳与煤共热解时两个剧烈 失重区域中的最大失重率差别很大，但对应的峰值温 度与煤、花生壳单独热解时对应的峰值温度却十分接 近[8]。 4. 结论 本文选取了生物质样品花生壳，采用热重分析法， 在不同升温速率下，对生物质样品花生壳、煤和两者 的混合物进行热解试验，分析了升温速率对热解过程 的影响，对生物质与煤热解特性的差异以及他们共热 解时生物质对煤热解过程的影响进行了试验研究。试 验结果表明： (1) 随着升温速率的升高，生物质与煤的 TG 曲线 向温度高侧移动，即在到达相同失重量的情况下，所 需的热解温度也越高。 (2) 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。 (3) 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 呈现生物质与煤的热解特性。 参考文献 (References) [1] 朱孔远, 谌伦建, 马爱玲等. 生物质与煤热解特性及动力学 研究[J]. 农机化研究, 2010, 3(3): 202-206. 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