棉稈熱解及燃燒特性試驗研究

研究與探討棉稈熱解及燃燒特性試驗研究肖健秋,周勝2(1.國防科技大學(xué),長(cháng)沙410073 ;2.恒源煤電股份有限公司,安徽淮北235100 )摘要:利用熱重分析儀研究棉稈在N2及空氣氣氛下的熱解及燃燒特性，通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析得到了棉稈熱解及燃燒的動(dòng)力學(xué)參數,相關(guān)系數在0.99以上。研究結果表明:隨著(zhù)升溫速率提高,棉稈熱解過(guò)程中的活化能增加。試驗棉稈的著(zhù)火溫度為246C。關(guān)鍵詞:棉稈;熱解特性;燃燒特性;熱重分析;著(zhù)火溫度Abstract: Pyrolysis and combustion characteristics of cotton stalk were studied in N2 bythermogravimetric analysis. The kinetic parameters from pyrolysis and combustion were acquired bykinetics analysis. The correlation coefficients are above 0.99. The resuls show that as heating rateincreases, the activation energy from pyrolysis increases. The ignition temperature of cotton stalk is246C。Key words: cotton stalk; pyrolysis characteristi; combustion charateristic; TC analysis; ignitiontemperature中國圖分類(lèi)號:TK16文獻標志碼:A文章編號:1001-5523( 2009 )03-0020-03我國是當今世界最大的煤炭生產(chǎn)和消費國,近TCA 92型常壓熱重分析儀。每次實(shí)驗取樣品15 mg,年來(lái)在我國一-次能源的利用中,煤炭發(fā)電份額- -般粒徑小于0.2 mm。高純氮氣作為載氣，流量為都在75%左右。燃煤發(fā)電不僅會(huì )排放出SO2和80 ml/min。熱分析溫度范圍為室溫至900C ,停留時(shí)NOx,而且會(huì )排放出大量溫室氣體CO2,它們對環(huán)境間10 min。試驗時(shí)，熱天平自動(dòng)記錄重量的變化信造成很多負面影響"。生物質(zhì)能作為可再生能源,儲號。每個(gè)試驗完成后，做-一個(gè)相同條件的空白試驗量豐富,分布相對集中,由于其具有可再生性,低含以消除系統誤差。硫性和C02零排放性,被認為是未來(lái)能源的一個(gè)重表1秸稈的元素分析和工業(yè)分析%要組成部分2。我國的生物質(zhì)資源豐富,每年僅農作樣一工業(yè)分析元素分析物廢棄物就相當于6億t標準煤，還有約3億t煤MAVCH0NS/MJ-kg'當量的林業(yè)廢棄物。棉稈8.41 1.75 67.97 43.63 5.50 40.33 0.27 0.11 12.37棉稈是我國主要的農業(yè)廢棄物，如何綜合、有能效地利用這些農業(yè)廢棄物進(jìn)行資源化研究顯得十2 生 物質(zhì)TC -DTG分析分必要。熱解是熱化學(xué)轉化中最為基本的過(guò)程,是2.1熱解特性試驗結果氣化、液化及燃燒過(guò)程的初始和伴生反應,對熱解的分析有助于熱化學(xué)轉化過(guò)程控制及高效轉化工圖1為棉稈在升溫速率為10C/min及20C/min藝的開(kāi)發(fā)。目前,國內外對生物質(zhì)及其組分的熱解下的熱解曲線(xiàn)。由圖可知,在200C ~ 500% ,樣品明已有大量的研究別，本文研究棉稈在氮氣及空氣下顯失重,有大量氣體(包括焦油)析出,物料重量急劇的熱解及燃燒特性。下降。研究表明凹,此階段發(fā)生的熱解是纖維素.半纖維素及木質(zhì)素等生物質(zhì)有機組成成分熱解疊加1試驗的結果。纖維素主要熱分解區域在250C~500%,●20.試驗用棉稈基本性質(zhì)見(jiàn)表1。采用的儀器為熱解后碳量較少,熱解速率很快;而木質(zhì)素較難熱肖健秋等，增稈熱解及燃楚性試驗研究研究與探討解,熱解速率在400C以后出現峰值。在熱解溫度高較多的碳,因此稻殼、樣品熱失重曲線(xiàn)和熱解速率曲于500C以后，半纖維素和纖維素的熱分解基本結線(xiàn)在高溫區趨于平緩。束,此時(shí)以木質(zhì)素熱解為主。由于木質(zhì)素熱解時(shí)形成2.2熱解動(dòng)力學(xué)參數oo000.020 \90 t280 t0.5旨70。置。70}o喜64渠60sot4040.6米0-20]50 300450600750900.8800--2溫度/心(間) 10C/min圖1棉稈熱解TC-DTC曲線(xiàn)b) 20C/min根據熱解曲線(xiàn)，可以求解生物質(zhì)熱解的反應動(dòng)研究表明9,秸稈類(lèi)生物質(zhì)的熱解反應可視為-一力學(xué)參數。試樣在試驗中總的質(zhì)量變化為:級反應。將式(3)代入式(2)積分并整理得I響:2RTa= mo-m(1)InI-L)]=In[DE(1-E -)RTmg-my式中:mo為試樣初始質(zhì)量;m;為試驗結束時(shí)的質(zhì)量;式中φ為升溫速率,φ=出。令Y=In -sln(1-c)],m為試樣任一時(shí)刻的質(zhì)量。根據質(zhì)量作用定律可以x=+,a=ln[4R (1- 2RT ),b-=-號。 則有:得到試樣熱解速率方程:中EEY=a+bX(5)a=k(1-a)(2)式中k為反應速度常數;n為反應級數。根據試驗結果，可以計算出樣品在不同工況下由Arrehenius定律:X.Y值,進(jìn)而求得a、b值,即可求得反應的表觀(guān)活k=Ae-DRT(3)化能E和頻率因子A,計算結果如表2所示。很明.式中:A為頻率因子;E為活化能;R為氣體常數;T顯各擬合方程的相關(guān)系數都大于0.99，說(shuō)明線(xiàn)性回為絕對溫度。歸比較合理。表2熱解動(dòng)力學(xué)參數升溫速率/C . min'溫度區間1.C擬合方程相關(guān)系數R活化能E/kJ. mol-'頻率因子A/min-'10248-346Y=2.424 7-6296X-0.992 652.358.69x 1020252-345Y=1.8163- 6706X-0,990 855.762.91x 102.3燃燒特性00 F2.3.1著(zhù)火點(diǎn)to圖2為棉稈在20C/min下燃燒過(guò)程中的TG-DTG曲線(xiàn)如所示。利用TC-DTG方法分析麥稈。的著(zhù)火溫度,如圖所示,得到試驗棉稈的著(zhù)火溫度為積41.05246C。-15根據熱解動(dòng)力學(xué)參數求解方法，得到樣品的燃80020燒動(dòng)力學(xué)參數如表3所示。圖2棉稈燃燒TG -DTC曲線(xiàn)●21●直佳利等、綿科地豐及計傳性試驗研究研究與探討裹3燃燒動(dòng)力學(xué)參數溫度區間/C擬合方程相關(guān)系數R活化能EkJ.mol-頻率因子A/min+258-332Y=0.9747-7 178X0.995959.688.56x 10332-536Y=10.014 6-1 860X0.967515.466.31 x 104[4]程世慶，尚琳琳.張海清.生物質(zhì)的熱解過(guò)程及其動(dòng)力學(xué)規3結論律[].煤炭學(xué)報, 2006.31(4):501 -505.[5|張曉樂(lè )。許敏.孫榮峰，孫立.玉米秸熱解動(dòng)力學(xué)研究J]燃利用熱重分析儀研究棉稈的熱解及燃燒特性。料化學(xué)學(xué)報, 2006, 34();123-125.[6] Worasuwannarak N, Sonobe T, Tanthapanichakoon W. Pyroly-結論如下:sis Behaviors of Rice Straw, Rice Husk, and Cormcob by(1)棉稈熱解主要可分為4個(gè)階段,干燥預熱、TG-MS Technique [.I Joumal of Analyical and Applied Py-揮發(fā)分析出和碳化。隨著(zhù)升溫速率提高,棉稈熱解mlysis, 2007, 78(2):265- 271.過(guò)程中的活化能增加。[7]Yang HP, Yan R, Chen HP, Lee D H, Zheng C G. Character-istics of Hemielluose, Cellulose and Lignin PyolyisJ]l Fuel,(2)試驗棉稈的著(zhù)火溫度為246C。2007, 86(12-13): 1781- 1788.[8]姚燕,王樹(shù)榮,鄭鐨,等.基于熱紅聯(lián)用分析的木質(zhì)素熱裂參考文獻:解動(dòng)力學(xué)研究[].燃燒科學(xué)與技術(shù)，207.13():50-54.[1] Sami M, Annamalai K, Woodndgel M. Co-firing of Coal and[9] Jemy A MJ, Gabor V. Clulose Pyrmlysis Kinetics The CurrentBiomass Fuel Blends{[]} Progress in Energy and CombustionStates of Knowledge [J]. Industrial and Engineering ChemistryScience, 200, (27): 219- 230.Research, 1995. 34(3): 703-717.[2] Gustavsson L, Johansson B, Svenningsson P, et al. 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