稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)特性研究

研究與開(kāi)發(fā)稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)特性研究文章編號:10048774(2008)050103稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)特性硏究鄧劍,羅永浩,陳祎,段佳,陸方,林鵬(上海交通大學(xué)機械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海20040)摘要:通過(guò)熱重分析方法研究了稻稈的燃燒過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)特性。非等溫熱重法的升溫速率分別為20℃/min、30℃/min、40℃/min,加熱終溫800℃;采用空氣為載氣。得到稻稈燃燒的TC、DTG曲線(xiàn),研究了加熱速率、溫度對燃燒過(guò)程的影響,建立了稻稈燃燒的反應動(dòng)力學(xué)方程,由 Freeman- carroll i法得到該類(lèi)稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)參數,并提出了相應的燃燒機理。為燃燒稻稈鍋爐的設計開(kāi)發(fā)提供了理論支持。關(guān)鍵詞:動(dòng)力學(xué)特性;熱重法;稻稈;燃燒一作者:鄧劍中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A974-),湖南邵陽(yáng),博士研究生,從Study on the Combustion Kinetics of Rice Straw煤氣化多聯(lián)產(chǎn)、二氧化碳減排方面的DENG Jian, LUO Yong-hao, CHEN Yi, duAn Jia, L U Fang, LIN Peng研究。Institute of Thermal Energy Engineering, ShanghaiJiao Tong University, Shanghai 200240, ChinaAbstract: The project investigated the combustion process of rice straw together with its kinetics characters using thermody.amic method. The rice straw was burned in air at the heating rate of 20 C/min, 30 C/min, 40 C/min. The final tem-perature was up to 800C. From the plot of TG and DtG, the researchers has studied the influence of heating rate and tem-perature on the combustion process and built a kinetic equation of the reaction. The kinetic parameters of this kind of ricstraw were obtained by Freeman-Carroll method. The combustion mechanism suggested will theoretically support the deof the boiler with riceKey words: kinetics characteristic; thermodynamic; rice straw; combustion0前言燃料等方式成為生物質(zhì)能利用的一個(gè)重要研究課生物質(zhì)能在全世界最終能源消耗中大概占了題。然而,生物質(zhì)能最常用的利用方式還是直接燃14%,而煤炭只占1%。不過(guò)在世界不同地方生物燒而大規模的集中燃燒包括用于工業(yè)爐燃燒和與質(zhì)的重要性有所不同。比如在非洲和亞洲貧窮的國媒炭混燒。許多研究者在生物質(zhì)燃燒熱解和氣化家生物質(zhì)能占能源消耗可能達到80%-90%。的反應性等方面進(jìn)行了有益的探索3目前,生物質(zhì)能對工業(yè)化國家也越來(lái)越有吸引力,因生物質(zhì)熱解或燃燒動(dòng)力學(xué)是表征生物質(zhì)在熱分為其具有可再生性和O2零排放的特點(diǎn)。生物質(zhì)燃解反應過(guò)程中反應溫度反應時(shí)間等參數對物料或料的來(lái)源非常廣泛包括木材生長(cháng)周期短的木本作反應產(chǎn)物轉化率影響的一個(gè)重要特性。動(dòng)力學(xué)特性物和草本植物甘蔗渣、草和廢棄物如紙張和鋸木屑、直接關(guān)系到生物質(zhì)熱化學(xué)利用通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析可城市固體垃圾、農業(yè)廢棄物和食物殘渣等深入地了解反應過(guò)程和機理,還可預測反應速率生物質(zhì)能的利用轉化方式主要有熱化學(xué)法、生及反應的難易程度。物化學(xué)法、提取法。熱化學(xué)法是指高溫下將生物質(zhì)本研究項目對稻稈在空氣氣氛中進(jìn)行了不同升轉化為其它形式能量的轉化技術(shù)包括直接燃燒溫速率下的非等溫熱重試驗,目的是研究稻稈燃燒熱解氣化和直接液化。生物化學(xué)法是指生物質(zhì)在反應性,并由 Freeman- carroll法處理試驗數據,得微生物的發(fā)酵作用下產(chǎn)生沼氣酒精等能源產(chǎn)品。到的動(dòng)力學(xué)參數及表達式反映了稻稈在空氣中燃燒提取法是利用生物質(zhì)提取生物油。目前生物質(zhì)的v凵中國煤化工爐提供一定的理熱解或氣化制取可燃氣體用于聯(lián)合循環(huán)、制取液體論支CNMHG收稿日期:200805-16試驗采用的稻稈樣品來(lái)自上海郊區農田,試驗基金項目:上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )(05DZ20101)前樣品將磨細并混合均勻。試樣的粒徑小于1002工業(yè)鍋爐2008年第5期(總第111期)目,每次稱(chēng)取試樣15±0.5mgo稻稈工業(yè)分析及元儀。起始溫度35℃,終溫800℃,升溫速率分別為素分析見(jiàn)表1。20℃/min、30℃/min和40℃/min,載氣為壓縮空試驗儀器為 NETZSCH STA409PC同步熱分析氣,流量為50ml/min表1稻稈的工業(yè)分析和元素分析工業(yè)分析元素分析FCH7.745.15.830.142結果及分析2.1稻稈燃燒特性的熱分析表征從室溫開(kāi)始加熱,試樣在180℃以前可以觀(guān)察稻稈質(zhì)量轉化率a計算按式(1)到很少的失重在200~370℃之間由于揮發(fā)分的析-m/出將出現快速失重,并且由于有氧的存在,因此發(fā)生0×100%(1)了著(zhù)火并燃燒。緊接著(zhù)就是剩余焦炭的氧化分解而式中m為樣品初始質(zhì)量,m為某溫度下(對應某緩慢發(fā)生失重。圖1中(a)(b)分別表示不同升溫時(shí)刻)樣品質(zhì)量,m。為反應結束后樣品殘余物質(zhì)量速率下稻稈燃燒a-T和(do/dT)-T關(guān)系曲線(xiàn)。生物質(zhì)燃料具有高的含氧量和高的有機揮發(fā)從圖1(a)可以看出稻稈的燃燒分為三個(gè)階段,AB分將在燃燒階段產(chǎn)生大量的揮發(fā)物氣體。既發(fā)生水分蒸發(fā)階段BC揮發(fā)分析出并燃燒階段,CD焦炭在燃料加熱熱解過(guò)程釋放的揮發(fā)分氣相燃燒,同時(shí)燃燒階段。各特征參數見(jiàn)圖1(b)所示。在焦炭氧化過(guò)程發(fā)生固體多相燃燒。揮發(fā)分的燃燒非常迅速,幾乎同揮發(fā)分析出速度一樣,而焦炭的氧化則要慢得多。生物質(zhì)燃燒整個(gè)過(guò)程主要包括魯4水分蒸發(fā)、揮發(fā)分釋放與燃燒以及固定碳的燃燒根據生物質(zhì)的燃燒過(guò)程,在生物質(zhì)的燃燒特性曲線(xiàn)上定義了以下幾個(gè)重要的特征參數T1為脫水速率最大時(shí)對應的溫度;T2為生物質(zhì)的著(zhù)火溫度,有兩種定義法:一種采用DTA燃燒放熱峰左側切線(xiàn)與其基線(xiàn)的交點(diǎn)對應的溫度(外推法),另一種方法在a)a=7溫度曲線(xiàn)上將首次出現峰的起始點(diǎn)定義為著(zhù)火點(diǎn)T,采用這種方法定義生物質(zhì)的著(zhù)火溫度準確、直觀(guān)、易于接受,因為當生物質(zhì)著(zhù)火時(shí)開(kāi)始放出大量熱,從而使得溫度曲線(xiàn)不再按照程序升溫而變化,出現了溫度升高突變而產(chǎn)生了向上的峰由此得到的T2的值與揮發(fā)分釋放過(guò)程中失重率最大時(shí)對應的溫度致;本研究釆用第二種方法。T3為固定碳燃燒速率最大時(shí)對應的溫度,本實(shí)驗測得稻稈在空氣中燃燒的特性曲線(xiàn)揮發(fā)分的燃燒與固定碳的燃燒是個(gè)連續過(guò)程,且固定碳燃燒速率較平穩。T為燃盡(b)(da/dT)-T溫度,對應于TG曲線(xiàn)不再有質(zhì)量變化。表2列出1不同升溫速率下失重率與失重速率變化曲線(xiàn)了各升溫速度下的特征溫度值。失重速率與升溫速率的關(guān)系,總體來(lái)看,較低的表2不同升溫速率下的特征溫度值升溫V凵中國煤化工多。但是,三種升加熱速率/(℃·min1)T它T℃T7℃溫速CNMHG非常接近。固定碳的熱盡益度則有大個(gè),衣現在T相差很大,95290430620其中20℃/min時(shí)為550℃,而對于更高的升溫速100290410640率時(shí)此溫度相應上移為640℃左右。這一規律也與研究與開(kāi)發(fā)稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)特性研究文獻中數據相符。先假設不同的n,以-1如(1-a)]對]作22 Freeman-Caro法求解動(dòng)力學(xué)參數分解速率可以由式(2)表示圖當n值為某一適當值時(shí):-lg/(1-a)”與do(2)呈很好的線(xiàn)性關(guān)系(即該n下的線(xiàn)性相關(guān)度r最式中k為 Arrhenius速率常數,可以表示為k=接近1),那么這個(gè)n就是該反應的反應級數,由此Aexp(-Bp),E為反應活化能,A為指前因子,R為直線(xiàn)的截距和斜率可以求出表觀(guān)活化能E和指前氣體常數,T為絕對溫度。因子A值。f(a)的函數形式取決于反應類(lèi)型或反應機制。ll法只需要一條非等溫曲線(xiàn)就一般假定f(a)與溫度T和時(shí)間t無(wú)關(guān),只與反應程度可以求解得到燃燒動(dòng)力學(xué)參數。a有關(guān),對于簡(jiǎn)單反應f(a)可取f(a)=(1-a)°。23動(dòng)力學(xué)參數求解結果及分析稻稈燃燒過(guò)程是從揮發(fā)分著(zhù)火燃燒開(kāi)始的,同因此將升溫速率β=d代人式(2)可得:時(shí)由于生物質(zhì)的燃燒明顯分為揮發(fā)分和固定碳的燃n==(-)f(7(1-a)(3)燒,這里分別計算了這兩個(gè)階段的動(dòng)力學(xué)參數不同升溫速率下求得的稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)參數見(jiàn)將式(3)兩邊取對數并利用差減法可化為:表3,n為反應級數,E為活化能,A為指前因子,為t/(1-a)]=p2.30xr(4)曲線(xiàn)擬合的相關(guān)系數。表3稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)參數T℃(kJ·mo-)185~36010.3980x10100.98620℃/min1011.611.8究/min190~3703.95x10.97911.44.70×1020.98640℃/min370~640215.83結論[2]閻維平,陳吟穎.生物質(zhì)混合物與褐煤共熱解特性的試驗研究[J].動(dòng)力工程,2006,26,(6),865-870(1)稻稈在空氣中燃燒過(guò)程有兩個(gè)明顯的反應[3] Senneca,o.; Chiron,R.; salatino,P., A Thermogravi-階段第一階段是揮發(fā)分的燃燒,速度很快,與揮發(fā)metric Study of Nonfossil Solid Fuels. 2. Oxidative Pyrolysis分析出速度一致,質(zhì)量變化率曲線(xiàn)有明顯的峰值;第and Char Combustion J]. Energy Fuels 2002, 16,(3)二階段為焦炭的緩慢氧化,持續時(shí)間較長(cháng),質(zhì)量變化1-668.率曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的峰值[4]賴(lài)艷華,呂明新,馬春元,施明恒秸稈類(lèi)生物質(zhì)熱解特(2)不同升溫速率對生物質(zhì)的燃盡時(shí)間和最終性及其動(dòng)力學(xué)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報2002,23,(2),燃盡溫度影響較大,升溫速率越慢,燃盡時(shí)間越長(cháng),203-206[5]馬孝琴生物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué)實(shí)驗研究[門(mén)].可再生能源,燃盡溫度越低。2004,6,(18),18-22(3)由 Freeman-Camo法求解的動(dòng)力學(xué)參數[6]徐朝芬,孫學(xué)信,用T2 DTG2DSC研究生物質(zhì)的燃燒特表明稻稈燃燒過(guò)程中,揮發(fā)分析出并燃燒階段是性[門(mén)].華中科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,35,級反應,而焦炭燃燒階段的反應級數則為0.5。(3),126-128.(4)稻桿燃燒的三個(gè)特征溫度在燃燒組織、減[7] elkins,,B.M; Baxter,L.L;Mils,T.R.;Me,t少揮發(fā)分和焦炭不完全方面有一定的指導意義,為R.combusTionpropertiesofbiomass[j].FuelProcessing鍋爐設計提供理論支持。啁Te中國煤化工46參考文獻[8]閔CNMHG及燃燒特性的研究[1]Senneca, 0. Kinetics of pyrolysis, combustion and gasifica[9]蔡正千熱分析[M].北京高等教育出版社,1993on of three biomass fuels[J]. Fuel Processing Technology2007,88,(1),87-97