热解不仅是热化学转化的一种直接方法,也是燃烧和气化过程的重要阶段。在气流床气化炉中,气化原料喷入气化炉后首先发生快速热解,由于气流床气化炉内反应温度高,物料的平均停留时间较短,快速热解产物的分布和焦的气化特性是影响后续气化反应的重要条件。尤其对转化速率较慢的含氮化合物,快速热解中氮的迁移对最终含氮污染物的形成影响很大。因此,对煤和生物质的快速热解产物分布、快速热解焦的气化特性和氮元素的迁移进行研究对煤和生物质的高效清洁利用具有重要意义。本文将高频感应加热方法用于热解实验,设计了一种独特的高频炉快速热解装置,利用该装置对煤和生物质的单独快速热解以及煤/生物质共快速热解(600～1200℃)时气固相产物的分布、焦的结构和气化特性进行了研究。同时考察了煤、生物质单独快速热解和共快速热解过程中氮元素的迁移特性,应用量子化学方法和模型化合物快速热解实验相结合的方法对煤和生物质快速热解时氮的逸出机理进行了分析。主要内容如下：(1)对内蒙南露天褐煤、神府烟煤和遵义无烟煤快速热解时产物的分布进行了考察。结果表明,煤快速热解相比慢速热解能析出更多的挥发分。热解温度的升高能显著提高热解气产率,降低焦产率。煤阶的升高使焦产率上升,热解气产率降低。热解气主要成分为H2和CO,其次为CH4和CO2,还有少量气态烃(C2～C3)。热解温度的升高使H2和CO产率升高,CO2产率下降,CH4等气态烃大多呈先上升后下降的趋势。热解气低位热值均随热解温度的升高逐步下降。(2)分析了热解条件对煤快速热解焦理化结构及最终气化特性的影响。结果表明,褐煤焦具有粗糙的表面和丰富的孔隙结构；烟煤焦在热解时发生了严重的熔融,形成了光滑的表面,但焦的内部孔隙结构发达；无烟煤焦仅在表面可见少量裂缝。因此,随煤阶的升高,孔隙率和比表面积降低,而煤焦有序化程度则逐步升高,导致气化反应活性下降。褐煤和烟煤的气化反应速率在气化时先升高后迅速下降,导致随机孔模型的拟合效果较差,而变换后的修正随机孔模型能得到较好的拟合效果。(3)对煤快速热解时氮的迁移进行了考察。结果表明,大部分氮保留在焦中,N2是主要的气相含氮产物,NH3是主要的含氮污染物,HCN的产率较低。HCN和NH3均可以在热解的初始阶段直接生成。利用量子化学方法和模型化合物快速热解实验对煤中氮的逸出机理进行分析时发现,N-6在快速热解时会倾向于以-CN基的形式逸出并产生较多的HCN, N-5在快速热解时会倾向于以-NH基的形式逸出并主要转化为NH3, N-Q在快速热解的剧烈热冲击条件下可能会以N自由基的形式逸出并转化为NH3。HCN受二次反应程度的影响最为明显。(4)对稻草、树叶和木屑快速热解产物分布进行了考察。生物质有机质转化率顺序为松木屑>稻草>梧桐树叶。快速热解焦的产率较低,因此灰分的含量在一定程度影响了焦的产率。生物质有机质向热解气的转化率可达到80%以上。热解气主要成分为CO和H2,二者的产率均随着热解温度的升高而升高；CH4等烃类的产率则先升高后下降；高温条件下CO2的产率很低。随热解温度的升高,热解气的低位热值先升高后下降。(5)对三种生物质快速热解焦的结构及气化特性进行了考察。结果表明,热解温度的升高使生物质焦的有序化程度升高,并导致气化活性的下降。稻草和梧桐树叶快速热解焦基本保持了原始结构,而松木屑发生软化和熔缩,导致孔隙结构的破坏,进而导致其气化反应活性的显著下降。随机孔模型在多数情况下能较好地描述生物质焦的气化反应动力学。但当气化反应速率在高转化率范围内仍较高或者急剧下降时,修正随机孔模型的的拟合效果更好。(6)对生物质快速热解时氮的迁移进行了考察。生物质快速热解时残留在焦中的氮很少,氮主要转化为了N2,热解温度的提高会降低含氮污染物的生成,促使更多的氮转化为N2。蛋白质、氨基酸和含氮碱基快速热解时,含氮污染物以NH3为主。而三种农林生物质快速热解时HCN的产率远高于NH3,且HCN的产率随生物质木质素含量的升高而升高。木质素构成的微腔结构可能会在热解初期导致蛋白质、氨基酸等含氮物质与生物质有机组分发生缩聚反应而生成含氮杂环,并导致HCN的大量生成。(7)高频炉在煤/生物质共热解过程中既能保证样品较好的接触,又能使其达到高的升温速率,在这种条件下共热解能发生明显的协同作用,导致焦产率的降低,热解气产率的升高。生物质的堆积密度及其在热解过程中碳骨架的变化是影响协同作用的重要因素。生物质焦与煤焦共气化时气化活性有所升高,而生物质与煤共热解所得焦的活性并未明显提高,生物质与煤共热解时发生的相互粘附及研磨时孔隙结构的阻塞是导致上述现象的原因。这两个因素又导致共热解焦具有较高的均一性,使其气化反应速率随转化率的变化较为平缓。(8)对生物质与煤共快速热解时氮的迁移进行了研究。生物质与煤混合样品的堆积密度以及生物质碳骨架在热解过程中的坍塌特性,是影响混合样品升温速率及其最终含氮产物分布的重要条件。生物质与烟煤共热解能明显降低焦-N产率,提高挥发分-N的产率,降低(NH3+HCN)-N的产率。NH3-N的产率的实验值在所有条件下均低于叠加值。HCN-N产率的实验值在高温条件下均低于叠加值,但在600～700℃条件下,HCN-N的产率却明显提高。