快速热解过程是气流床气化的重要步骤,在这个过程中颗粒的物理和化学性质发生剧烈改变,对焦气化效率产生重大影响。在快速升温条件下,煤/生物质会快速释放气体,颗粒分裂成小碎片,尺寸和形貌发生显著改变,从而对其气化和成灰的特征产生影响。焦的化学结构也会因破碎而发生变化,导致焦气化活性的变化。因此,探究煤和生物质等固体含碳物料在快速热解过程中发生的物理和化学变化,对理解快速热解行为,预测快速热解焦的气化特性有十分重要的意义。本文研究了煤/生物质在快速热解过程中的物理和化学变化,通过改变实验条件(热解温度、热解时间和原料种类),考察了热解过程中物理、化学结构变化的影响因素。通过在一种可控停留时间的快速热解装置上进行热解实验,对热解初期的行为进行考察;通过对煤/生物质的粒径分布、形貌、密度变化的测量,量化了其快速热解过程中的破碎特征;通过分析颗粒在脱气过程中内部的压力分布情况,建立了初次破碎的机理模型;通过分析焦的元素组成、XRD和红外光谱,研究了热解对焦化学结构的影响。(1)研究了煤的快速热解过程。煤的热解程度随温度和时间的增加而增加,表现为固体的失重率增加,挥发分残余率下降以及气体释放量增加。快速热解条件下,煤热解的时间尺度在数百毫秒量级内,热解的程度随煤种的不同而异,内蒙褐煤≈神府烟煤>晋城无烟煤。低温下热解焦的形貌未发生显著变化,高温下因为热解气体的快速释放,严重地破坏了焦的物理构造,导致焦表面有明显的裂缝和孔道结构。(2)研究了煤在快速热解中的初次破碎过程。煤的破碎过程对时间和温度十分敏感,更高的热解温度和更长的停留时间会强化破碎过程;高温下,粗破碎过程快速发生,并在短时间内完成。破碎程度因煤种而异,内蒙褐煤≈神府烟煤>晋城无烟煤。破碎过程中,煤颗粒的形貌参数,如球形度、宽长比、对称度和凸度未发生显著变化,颗粒的核心并未发生剧烈破碎。其中内蒙褐煤和神府烟煤的热破碎主要发生在颗粒的外层区域,而晋城无烟煤主要以表层剥落为主。高温下热解初期神府烟煤在快速热解过程中存在膨胀现象。(3)考察了生物质的快速热解行为和初次破碎特征。生物质比煤的快速热解更加迅速,其热解程度随温度和时间的增加而增加。与煤相比,破碎过程中生物质的形貌参数发生显著变化,其中球形度和宽长比升高。破碎后形成焦的形貌发生极大的变化,其中小颗粒在热解过程中形貌变得更加规则,大颗粒的破碎则与煤类似,发生在颗粒的外层区域。研究结果表明,更高的热解温度和更长的热解时间会强化生物质的初次破碎过程。不同类型生物质的破碎程度各异,锯末>小麦秸秆>稻草,这种差别可能与生物质的灰含量有关。(4)探究了煤/生物质颗粒在快速热解过程中的破碎机理。快速热解过程中,颗粒的中心压力最高,内外压力差为初次破碎的主要推动力。脱挥发分产生的压差越大,破碎速率越高。压差与颗粒的破碎速率呈线性关系。破碎的推动力存在临界值,低于临界压差时,颗粒的破碎不明显。煤的临界压差随其碳和灰总量的升高而增加,生物质的临界压差则随灰含量的升高而增加。破碎阻力与颗粒性质有关,煤的对抗应力冲量随其碳和灰总量的升高而增加,生物质的对抗应力冲量则随灰含量的升高而单调增加。(5)研究了快速热解焦中化学结构的变化。快速热解过程中,焦的H/C比和O/C比随热解温度和热解时间的增加而减小。焦中石墨结构比例增加,但石墨微晶的层数减小。快速热解过程中,焦中化学结构参数随温度和时间的增大而升高。低阶煤的热稳定性低,其原煤化学结构参数低,但增长率高。