王草的熱解與燃燒特性實(shí)驗研究

第26卷第ll期中國電機工程學(xué)Vol 26 No 11 Jun. 20062006年6月Proceedings of the Csee@2006 Chin. Soc. for Elec Eng文章編號:0258-8013(2006)11-006505中圖分類(lèi)號:TK6文獻標識碼:A學(xué)科分類(lèi)號:47010王草的熱解與燃燒特性實(shí)驗研究蒲舸,張力,辛明道重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,重慶市沙坪壩區400030Experimental Study on Pyrolysis and Combustion Characteristic of King GrassPU Ge, ZHANG Li, XIN Ming-dao(College of Power Engineering, Chongqing University, Shapingba District, Chongqing 400030, China)ABSTRACT: With a thermogravimetric analysis apparatus,關(guān)鍵詞:生物質(zhì);熱重分析;熱解特性;燃燒特性rolysis characteristic experiments of Kirwere done at0引言different heating rates, which were 10, 20 and 30C/min, andthe combustion characteristic experiment was done at 20C/min能源是人類(lèi)經(jīng)濟發(fā)展、社會(huì )進(jìn)步不可或缺的支heating rate. Then the characteristic parameters were obtained柱。但是煤炭、石油、天然氣等化石能源由于本身by above experiments. The activation energy of pyrolysis and的有限性必定會(huì )枯竭。而且化石在燃燒過(guò)程中會(huì )產(chǎn)combustion were acquired by kinetics analysis· The results生較為嚴重的環(huán)境污染,因此發(fā)展相對比較清潔、show that the pyrolysis process of King grass includes three可再生的替代能源已經(jīng)顯得非常急迫。生物質(zhì)是phases, which are heating and desiccation phase,, volatile種可再生的燃料,熱值與中等煙煤相當:在其利用weight loss takes place in volatile compounds release phase過(guò)程中,對大氣環(huán)境的CO2凈排放量為零,不會(huì )象When the heating rate increases, all pyrolysis characterist化石燃料燃燒一樣引起和加劇溫室效應;燃燒過(guò)程temperatures of King grass rise. There are two obvious weight中SO2、NO2排放較低。因此,隨著(zhù)國際對SOloss processes in combustion curve of King grass, and twice NO2及CO2排放的控制,生物質(zhì)能的合理利用日益ignition happens in combustion process of King grass, Latter引起公眾的重視,是國際上作為煤、石油等的替代summit of differential thermal analysis(TA) curve of King燃料的研究方向之一。目前,生物質(zhì)能利用總量還grass combustion is higher than former, which indicates that不到生物質(zhì)所能產(chǎn)生的總能量的1%,生物質(zhì)能的heat output of the fixed carbon combustion is higher than開(kāi)發(fā)利用前景十分廣闊volatile compounds combustion. The experimental results can以前對生物質(zhì)的利用主要是農作物秸稈、林業(yè)provide direction for utilization of King grass as an energy加工的附產(chǎn)品,但據報道,今后10年內,北美和歐洲國家可能會(huì )開(kāi)始大量種植一種名為象草(又名KEY WORDS: biomass; thermogravimetric analysis; pyrolysi紫狼尾草)的速生能量植物( (fast growing energyplants)2作為燃料發(fā)電,替代一部分煤炭和石油。摘要:采用熱重分析儀以10、20、30℃min的溫升速率對據統計,種植1公頃的象草,將它加工后所產(chǎn)生的20℃/min的溫升速率進(jìn)行了能量可替代36桶石油。英國政府稱(chēng)2005年已建成燃燒特性實(shí)驗,得到熱解與燃燒的特性參數,通過(guò)動(dòng)力學(xué)分首個(gè)利用燃燒象草(由當地農民種植并出售給發(fā)電析得到熱解與燃燒的活化能等動(dòng)力學(xué)參數。研究結果表王草的熱解過(guò)程可分為3個(gè)階段:預熱干燥階段、揮發(fā)分廠(chǎng))產(chǎn)生的能量進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電站。電站的裝機容量出階段、碳化階段,熱解失重主要發(fā)生在揮發(fā)分析出階段為2Mw,建成后,每年將能夠運行8000h,經(jīng)過(guò)燃隨著(zhù)溫升速率的上升,王草各熱解特征溫度都有所升高。王燒草中國煤化工)個(gè)家庭的電力需草燃燒曲線(xiàn)有2個(gè)明顯的失重過(guò)程,存在二次著(zhù)火現象.王求CNMH量植物利用的一次草燃燒差熱①DTA曲線(xiàn)后面放熱峰明顯大于前面的放熱峰,有益嘗試。表明固定碳燃燒放熱量大于揮發(fā)分燃燒放熱量。實(shí)驗結果可我國的重慶、江西、江蘇、內蒙等多個(gè)省、市、以為王草的能源化利用提供指導自治區進(jìn)行了引種雜交狼尾草(王草),作為牛、羊中國電機工程學(xué)報第26卷等牲畜飼料。它是以象草為母本,美洲狼尾草為父h6DTG曲線(xiàn))隨溫度的變化曲線(xiàn)本雜交而成的多年生禾本科植物,株高2m以上做燃燒特性實(shí)驗時(shí),熱天平通以流量為高的可達5m,適應性廣,耐旱性強,采用刈割方80 mL/min的干燥空氣,使試樣在空氣氛圍中以20式,每畝年產(chǎn)青草可達1500kg以上,產(chǎn)量高于℃/min的一定速度連續升溫,用熱分析儀記錄試樣象草。收獲后的干草能利用現有技術(shù)制成燃料用于質(zhì)量m(TG曲線(xiàn))、質(zhì)量變化率7oDTG曲線(xiàn))電廠(chǎng)發(fā)電,具有很高的能源利用價(jià)值與差熱 YETA TA曲線(xiàn))隨溫度的變化曲線(xiàn)。在我國適合王草生長(cháng)的地區利用閑置土地種3熱解特性實(shí)驗結果與分析植王草,利用生物質(zhì)氣化技術(shù),將王草氣化后產(chǎn)生的燃氣作為農民燃料,或者將大規模種植的王草與31熱解特性實(shí)驗結果農作物秸稈一起作為發(fā)電燃料,不僅能夠很好滿(mǎn)足王草由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及各種提取當地居民的生活燃料及用電需要,同時(shí)還可以減少物組成,其組成元素主要是碳、氫、氧等元素。王化石能源的使用,實(shí)現二氧化碳減排,減少SO4草加熱后會(huì )發(fā)生熱解,生成可燃氣體(主要成分CO,NO2排放。由此可見(jiàn),王草是一種很有潛力的速生H2,CO,CH4,CnHm等)、焦油和多孔固體焦炭。能量植物。升溫速度分別為10、20、30℃min時(shí),王草的熱解本文利用熱重分析儀研究王草的熱解與燃燒曲線(xiàn)如圖1所示。特性,為設計和開(kāi)發(fā)高效的生物質(zhì)能轉換設備提供理論基礎。1實(shí)驗材料的物性分析本實(shí)驗所使用的樣品取至重慶大學(xué)在三峽庫區推廣栽種的王草。試驗前將空氣干燥基的物料磨細混合,試樣粒徑250-1000m,使其成分均勻02004006008001000溫度℃然后放到皿中待用。進(jìn)行工業(yè)分析與元素分析,所(a)溫升速率10℃/min得結果見(jiàn)表1。表1成分分析Tab.I Components analysisTG元素分析樣品析Ca% H,d/%O,f% Nad% Sd/% Aad% Med/% 2.i,ne/(k/kg)王草402852537.120410213.291344176822實(shí)驗方法02004006008001000溫度℃21實(shí)驗儀器(b)溫升速率20℃/min實(shí)驗儀器是上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)的ZRY2P型綜合熱重分析儀22實(shí)驗條件為去除水分對實(shí)驗結果的影響,試樣在實(shí)驗前放入105℃的恒溫爐中干燥Ih。實(shí)驗時(shí),分析試樣的質(zhì)量為9mg左右,參比物為aAl2O3做熱解特性時(shí),通入高純N2做保護氣流量為008001000溫度℃80mL/min)。實(shí)驗開(kāi)始時(shí),先通氮氣約60min將加姐升潔an'min熱區的空氣驅趕出去后,再打開(kāi)熱天平的電源對樣中國煤化工品進(jìn)行加熱并繼續通入高純N2,升溫速度分別采用CN MH Gristic curve10、20、30℃/min,熱解終溫為970℃。用熱分析32熱解特性分析儀記錄試樣質(zhì)量moTG曲線(xiàn))、質(zhì)量變化率由熱解曲線(xiàn)圖可知,整個(gè)熱解過(guò)程可分為3個(gè)第11期舸等:王草的熱解與燃燒特性實(shí)驗研究階段:預熱干燥階段、揮發(fā)分析出階段、碳化階段。k=Ae-ElRT隨著(zhù)加熱的進(jìn)行,溫度不斷升高,王草中所含水分式中:A為頻率因子;E為活化能:R為氣體常數首先析出,在120℃左右完成干燥。然后試樣質(zhì)量T為絕對溫度;τ為反應時(shí)間;n為反應級數。在一定溫度區段保持穩定,直到溫度t(揮發(fā)分開(kāi)始根據以往的研究經(jīng)驗可選擇m=1,將式(3帶入析出溫度,試樣質(zhì)量開(kāi)始出現下降。隨著(zhù)溫度進(jìn)一式(2)積分并整理可得0步升高,物料中的大分子吸收了大量的能量,纖維In(-AR 2RT E中所示,這一階段,TG曲線(xiàn)急劇下滑,DG曲線(xiàn)式中φ為溫升率,9r·令y=暢素、半纖維素、木質(zhì)素發(fā)生系列并行和連續的化學(xué)=ln[(1變化并析出氣體,開(kāi)始了揮發(fā)物的析出階段。如圖dT( ay出現峰值,對應的溫度為l2。在熱解溫度高于t碳XIn[-(化階段開(kāi)始溫度500℃)以后,半纖維素和纖維素小刀,b=、ER的熱分解基本結束,而木質(zhì)素較難熱解,其熱解幾則有乎跨越整個(gè)熱解過(guò)程,因此高溫區以木質(zhì)素熱解為Y=a+bX主。由于木質(zhì)素熱解時(shí)形成較多的碳,因此王草熱根據實(shí)驗結果,在不同的熱解階段可以用不同解失重曲線(xiàn)和熱解速率曲線(xiàn)在高溫區趨于平緩的直線(xiàn)進(jìn)行擬合,可以計算出樣品不同工況下X王草在不同溫升速率時(shí)的熱解參數見(jiàn)表2。Y的系列值,進(jìn)而確定出a、b值。在確定出a、b表2不同溫升速的熱解參數值以后,即可以計算出反應活化能E和頻率因子ATab 2 Pyrolysis parameters in different heating rates的值,計算結果如表3所示。很明顯各擬合方程的溫升速率℃min-)相關(guān)系數都大于099,說(shuō)明線(xiàn)性回歸比較合理。表3熱解動(dòng)力學(xué)參數Tab3 Pyrolysis kinetics parameters溫升速率/溫度擬合方程相關(guān)活化能E頻率因子由表2可以看出,隨著(zhù)溫升速率的上升,王草系數( k]. mol各特征溫度都有所升高,失重曲線(xiàn)有向溫度高側移10290-360y5.1785-1112150994792.49442X107動(dòng)的趨勢。由圖1可以看出,溫度上升到890℃后,20290-366y=5.1470-119g0.996893.03438×10330290-372y=34238-10257x0.992285287.181×10溫升速率為10℃/min時(shí),TG曲線(xiàn)有加速下滑的趨勢,溫升速率為20和30℃/min時(shí)的TG曲線(xiàn)也有4燃燒特性實(shí)驗結果與分析定下滑,但沒(méi)有10℃/min時(shí)曲線(xiàn)下滑明顯。這表41燃燒特性實(shí)驗結果明,在一定的高溫區段,王草木質(zhì)素有加速分解的溫升為20℃/min,空氣氛圍下王草的燃燒特性趨勢。曲線(xiàn)如圖2所示。33熱解動(dòng)力學(xué)參數4.2燃燒特性分析根據試樣的熱解曲線(xiàn)我們可以得出試樣在熱由圖2可以知道,TG曲線(xiàn)有2個(gè)明顯的失重重分析儀上進(jìn)行熱解時(shí)任意溫度下對應的質(zhì)量。這過(guò)程,及揮發(fā)分析出與著(zhù)火燃燒、固定碳燃燒。DTG樣利用質(zhì)量作用定律,可以得出試樣的熱解失重方曲線(xiàn)有2個(gè)峰值,DTG曲線(xiàn)的峰值代表燃燒速率最程,以描述試樣在實(shí)驗過(guò)程中的質(zhì)量變化過(guò)程9。大值,峰值越大,則燃燒越猛烈。試樣在實(shí)驗中的總的質(zhì)量變化為:DTA曲線(xiàn)反映了試樣在整個(gè)燃燒過(guò)程中熱量a=m二m(1)隨時(shí)間或溫度的變化規律,DTA的峰值代表放熱速率的最大值。由圖2可見(jiàn),王草燃燒DTA曲線(xiàn)有2式中:m為試樣初始質(zhì)量;m為試樣在實(shí)驗結束時(shí)個(gè)峰值,存在二次著(zhù)火現象,后面放熱峰明顯大于的質(zhì)量;m為試樣任一時(shí)刻的質(zhì)量。根據質(zhì)量作用前面中國煤化工表明固定碳燃燒定律可以得到試樣熱解速率方程放熱CNMHGa=k(1-a)(2)4.3燃烴特征參數的確定式中k為反應速度常數(1)峰值溫度。由 Arrhenius定律DTG、DTA峰值溫度見(jiàn)表4。國電機工第26卷mg/min:T為著(zhù)火溫度,K;T為燃盡溫度,KS值越大說(shuō)明燃料的燃燒特性越佳。試樣燃燒特性參數如表5所示。44燃燒動(dòng)力學(xué)分析420王草燃燒動(dòng)力學(xué)分析的方法與熱解動(dòng)力學(xué)分析相同,結果見(jiàn)表6。20040600800表6燃燒動(dòng)力學(xué)參數Tab. 6 Combustion kinetics parameters(a) TG-DTG曲線(xiàn)溫升速率/溫度范圍相關(guān)活化能E頻率因子A擬合方程00020272-317y90621-12919x0995610741245×10°403466y=254556917x09945751245×104205結論(1)王草的熱解過(guò)程可分為3個(gè)階段:預熱干燥階段、揮發(fā)分析出階段、碳化階段。熱解失重b)TG-DTA曲線(xiàn)主要發(fā)生在揮發(fā)分析出階段。圖2燃燒特性曲線(xiàn)(溫升速率20℃/min)(2)隨著(zhù)溫升速率的上升,王草各特征溫度Fig 2 Combustion characteristic都有所升高,失重曲線(xiàn)有向溫度高側移動(dòng)的趨勢。curve(heating rate 20C/min)(3)王草燃燒有2個(gè)明顯的失重過(guò)程,存在表4燃燒特性曲線(xiàn)DTG與DTA峰值溫度二次著(zhù)火現象及揮發(fā)分著(zhù)火燃燒、固定碳著(zhù)火燃Tab 4 DTG and DTA summit temperaturesof combustion characteristic curve燒DTG曲線(xiàn)DTA曲線(xiàn)(4)王草燃燒DTA曲線(xiàn)后面放熱峰明顯大于溫升速率第一峰第二峰第二峰(℃min)前面的放熱峰,表明固碳燃燒放熱量大于揮發(fā)分燃溫度/℃溫度/℃溫度℃溫度r℃C燒放熱量。319(2)著(zhù)火溫度。參考文獻本文采用 TG-DTG法來(lái)確定試樣的著(zhù)火溫度吳偉烽,劉聿拯生物質(zhì)能利用技術(shù)介紹工業(yè)鍋爐,200T6,數據見(jiàn)表5。81(5):l1-14Wu Weifeng, Liu Yuzheng. 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