煤和生物质共热解过程自由基反应行为及协同效应研究

Synergistic effect is an very important research content for copyrolysis of coal and biomass. Copyrolysis follows free radical mechanism, and the synergistic effect of copyrolysis is the interreaction between the radicals of different materials in essence. Untill now, we know less about the essence of synergistic effect. The understanding of the synergistic effect t of copyrolysis is still stay in the superficial understanding stage, and the existence of the synergistic effect was judged only by the variation of the yield and properties of the product. In this project, we try to figure out the follow problems in a viewpoint of free radicals: (1) the behavior of radicals during copyrolysis of coal and biomass; (2) the realationship between the reaction of free radicals, the synergistic effect, and the yield and properties of products of copyrolysis process; and (3) the regulatory mechanism of the oil’s yield and quality. Materials used in this study include coals, biomass, and 6 model compounds with different decomposition temperature. The main research contents of this project are summarized as follows: the change of the radical concentration and the variation of yield and propertise of the products during the copyrolysis in the closed glass tube and in the fixed-bed reactor; the influence of copyrolysis conditions and alkali and alkaline earth metals; The findings in this project are also applicable to copyrolysis of other feed stocks such as coal and heavy crude, coal and waste plastics, and so on.

协同效应是煤和生物质共热解研究的主要内容，共热解过程遵循自由基反应机理，共热解过程中协同效应本质上是不同原料热解产生的自由基之间相互作用的行为。然而目前对煤和生物质共热解过程中协同效应停留在表观认识阶段，缺乏对协同效应及共热解机理的本质认识，对共热解过程中是否存在协同效应观点不一。本项目从自由基的角度出发，旨在解析煤和生物质共热解过程中自由基反应行为，揭示煤和生物质共热解过程中自由基反应、协同效应、产物产率和性质之间的关系，并从本质上寻求煤和生物质共热解过程油品产率和品质的调控机制。主要研究内容包括以煤样、生物质及模型化合物为研究对象，分别在密闭的玻璃管中和立式固定床反应器中考察共热解过程中自由基浓度和产率性质变化情况、共热解条件和碱金属碱土金属对共热解过程的影响。本项目所得理论成果不仅适用于煤和生物质共热解，同样适用于煤和其它有机质，例如废塑料、废轮胎、石油渣油等的共热解过程

目前关于煤和生物质共热解协同效应的研究很多，但是对共热解过程是否存在协同效应仍然存在争议。共热解过程遵循自由基反应机理，共热解过程协同效应本质上是共热解过程中不同原料热解产生的自由基碎片间的相互作用。本项目从自由基角度出发分析和推演了煤和生物质共热解过程中自由基反应行为，考察了煤和生物质共热解过程中自由基反应、协同效应、热解产物产率性质三者之间的关系，并探索共热解油品产率和品质的调控机制，获得的认识主要包含以下方面:（1）共热解过程中，挥发性自由基碎片逸出床层的过程会与床层中稳定自由基及挥发性自由基相结合导致共热解过程失重量减少，自由基浓度降低，同时使挥发性自由基逸出床层过程中的二次反应程度增加；（2）共热解原料间温差越小，热解过程中不同原料热解产生的自由基碎片之间的相互作用程度越大，协同效应越强；（3）煤和生物质共热解过程中，由于挥发分二次反应程度增加及共热解过程中协同效应使得热解半焦，焦油，气体产率高于理论值，而水含量低于理论值，同时高温下烃类气体含量增加，焦油两级分化现象严重，焦油己烷可溶物中缩合芳烃含量降低，但焦油中重质组分含量增加，自由基浓度增大。共热解升温速率，原料配比及灰分中碱金属碱土金属都影响共热解过程自由基反应，进而影响热解产物产率及性质；（4）本项目在半落下床反应器，先将煤样加热到一定温度（400 oC左右），然后再加入生物质，实现了煤和生物质“同步热解”，分析结果表明“同步热解”使原料间自由基反应及协同效应程度增大，共热解焦油产率和性质较固定床都有较为明显的提高，生物质加样温度，升温速率，原料配比都会影响共热解过程自由基反应。通过本项目研究对煤和生物质共热解过程中自由基反应行为有了比较清晰的认识，为煤和生物质共热解过程油品产率和品质调控及共热解技术工业化发展提供基础数据和理论指导。