中國南方典型生物質(zhì)熱解及燃燒特性熱重分析

華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版第41卷第8期Journal of South China University of TechnologyVol 41 No 82013年8月Natural Science Edition)2013文章編號:1000565X(2013)08-0001-08中國南方典型生物質(zhì)熱解及燃燒特性熱重分析廖艷芬!曾成才1馬曉茜宋景慧2(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東廣州510640;2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,廣東廣州510080)摘要:采用熱重分析儀對中國南方典型生物質(zhì)(桉樹(shù)皮、桉樹(shù)葉、桉樹(shù)枝、秸稈、甘蔗渣、甘蔗葉)進(jìn)行熱解及燃燒實(shí)驗研究結果表明:相比于木質(zhì)類(lèi)材料(桉樹(shù)皮、桉樹(shù)葉、桉樹(shù)枝),草本類(lèi)材料(秸稈、甘蔗)由于材料組成結構簡(jiǎn)單,脫揮和著(zhù)火過(guò)程性能較好;但固定碳和殘留物的燃盡時(shí)間短,而且燃燒失重率只占整體失重的20%左右,燃燒強度在后期大大降低.桉樹(shù)的3個(gè)物料中,組成成分的不同導致燃燒特性有較大的差異.桉樹(shù)葉易著(zhù)火,而且由于含有較多的粗蛋白和粗脂肪,其燃燒區間拉長(cháng),但燃燒強度較低;桉樹(shù)枝則在揮發(fā)分以及固定碳的燃燒強度上具有優(yōu)勢,說(shuō)明其在爐內燃燒時(shí)具有更妤的穩燃性;桉樹(shù)皮盡管燃燒持續時(shí)間長(cháng),但在著(zhù)火特性以及燃燒強度方面并無(wú)優(yōu)勢.甘蔗類(lèi)燃燒持續時(shí)間短,綜合燃燒特性好.文中還采用 Coats- Redfern積分法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合推斷,獲得了各物料的熱解和燃燒動(dòng)力學(xué)參數.關(guān)鍵詞:生物質(zhì);熱解;燃燒;動(dòng)力學(xué)特性中圖分類(lèi)號:TK6doi:10.3969/jiss.1000565X.2013.08.001隨著(zhù)能源短缺和二氧化碳排放問(wèn)題的加劇,生2.6×10°hm2,居世界第三2;糖料甘蔗大面積種植物質(zhì)作為可再生和潔凈能源得到越來(lái)越廣泛的應于廣西、廣東、海南、云南,占我國蔗糖產(chǎn)量的95%用,其中以高效直接燃燒發(fā)電為代表的生物質(zhì)發(fā)電以上.合理利用這些生物質(zhì)資源將有效緩解能源技術(shù)已經(jīng)在丹麥、瑞典、芬蘭、荷蘭以及巴西和印度危機和減少環(huán)境污染等國家得到廣泛應用.我國生物質(zhì)資源豐富,根據可考慮到生物質(zhì)資源的季節性以及南方地區收集再生能源中長(cháng)期發(fā)展規劃,到2020年我國生物質(zhì)發(fā)半徑的經(jīng)濟性,南方地區生物質(zhì)燃燒及發(fā)電項目采電裝機容量將達到3000萬(wàn)千瓦我國南方地區生物用多來(lái)源生物質(zhì)燃料,涉及農業(yè)以及林業(yè)廢棄物由質(zhì)資源主要以稻桿、甘蔗殘留物以及林業(yè)殘留物為于不同種類(lèi)生物質(zhì)的燃燒特性差異較大,進(jìn)行燃料主據推算,南方地區現有主要農作物秸稈數量占全更換以及混燒時(shí),容易出現燃燒不充分、燃燒工況較國比例為84.48%口;華南熱帶地區是林木質(zhì)能源難控制等問(wèn)題國內外已有不少學(xué)者對生物質(zhì)的燃集中分布區和可利用的優(yōu)先區域,其中桉樹(shù)生長(cháng)迅燒機理做了較為詳細的研究,張斌等探討了木粉速、總生物量大、輪伐期短和高密度等特性,決定了酸水解殘渣和木糖渣及其母料的熱解特性; Silva其作為生物能源具有顯著(zhù)的優(yōu)勢,目前桉樹(shù)人工林等對藻類(lèi)進(jìn)行了熱解、燃燒以及氣化特性的研已經(jīng)遍及南方17省、600多個(gè)縣市,種植面積約為究;Su等6研究了氮氣和氧氣氣氛下木材的熱分解收稿日期:2013-01-16*基金項目:國家“973”計劃項目(2011CB201500,2013CB228101);國家自然科學(xué)基金資助項目(50906025);華南理工大學(xué)能源高效清潔利用廣東普通高校重點(diǎn)實(shí)驗室項目(KLBl004);華南理工大學(xué)中本科研業(yè)務(wù)費專(zhuān)項資金資助項目(2012Z70022中國煤化工作者簡(jiǎn)介:廖艷芬(1976-),女,教授,博士生導師,主要從事固體廢棄物高效低CNMHGscut. edu. cn華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第41卷過(guò)程;Wang等對生物質(zhì)三大組分的熱解過(guò)程及其高,對于燃燒裝置的除塵以及相關(guān)設備將有更高的相互影響進(jìn)行了分析等要求.一般生物質(zhì)原料由于硫和氮含量低,具有較好由于生物質(zhì)燃料具有地域特性,文中選用中國的清潔能源優(yōu)越性但檢測發(fā)現桉樹(shù)葉和甘蔗葉硫南方地區—廣東省的典型生物質(zhì)(秸稈、桉樹(shù)皮、含量較高而且桉樹(shù)葉氮含量也高達2.2%,故對燃桉樹(shù)葉、桉樹(shù)枝、甘蔗葉以及甘蔗渣)作為原料,進(jìn)燒后期污染物SO,、NO2的處理有較高的要求行熱解和燃燒熱重實(shí)驗研究,分析各生物質(zhì)燃料的2.1熱裂解特性脫揮特性、固定碳燃燒特性,以及燃燒氣氛和升溫速率等條件對燃料著(zhù)火特性的影響規律,并采用圖1為幾種物料熱解的TG和DTG曲線(xiàn)從圖Coats- Redfern積分法進(jìn)行動(dòng)力學(xué)擬合推斷,獲得其中可以看到,各物料熱解區間均在473~673K之動(dòng)力學(xué)參數,以期為中國南方地區生物質(zhì)燃燒發(fā)電間除甘蔗葉體現為雙峰特性外,其他物料的熱解及其優(yōu)化設計、運行提供基礎數據.DTG曲線(xiàn)均為帶肩狀峰的單峰結構.一般而言,生物質(zhì)的主要成分—纖維素的熱解通常從513~實(shí)驗材料和方法543K開(kāi)始,并在633~663K左右處出現最大失重實(shí)驗采用的生物質(zhì)材料來(lái)自于廣東省湛江地率,可見(jiàn)DTG熱解的主峰主要體現為纖維素的分解區,分別為秸稈(南方地區典型種植物)、桉樹(shù)皮、桉過(guò)程觀(guān)察圖1(b)可知,所有物料在主失重峰前樹(shù)葉、桉樹(shù)枝、甘蔗葉以及甘蔗渣,經(jīng)粉碎過(guò)篩成為373K左右伴隨一個(gè)側肩.根據生物質(zhì)三組分熱解規粒徑為80目的顆粒,然后在378K下千燥3h,根據律,半纖維素的失重通常從473K開(kāi)始,并在543美國標準(E0870-82R98Eo1,ASTM)進(jìn)行樣品的工573K時(shí)出現最大失重峰”.從圖1(b)中側肩出現業(yè)分析;利用元素分析儀測定樣品碳、氫、氮、硫含的溫度段可以判斷其主要體現為半纖維素的熱解過(guò)量.各燃料的工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1程,由于半纖維素熱解溫度與纖維素熱解溫度之間表1生物質(zhì)的工業(yè)和元素分析結果的重疊,導致其熱解峰的淹沒(méi),演變?yōu)橐粋€(gè)側肩.Table 1 Ultimate and proximate analyses of biomass %△-桉樹(shù)皮種類(lèi)工業(yè)分析結果(質(zhì)量分數)元素分析結果(質(zhì)量分數)+桉樹(shù)葉Har Or Nn-桉樹(shù)枝秸稈5.6714.1965.8614.2839.975.4133.800.830.13一☆甘蔗渣甘蔗葉桉樹(shù)皮10.0611.2063.0015.754.465.5728.160.510.04桉樹(shù)葉9.174.7767.1318.9349.536.3227.712.280.22桉樹(shù)枝11.193.7968.3516.6746.786.0531.690.440.06甘蔗渣10.372.6372.6014.3946.715.9633.840.430.0640050060070080090010001100甘蔗葉9.624.9170.4415.034.245.7934.750.480.21(a)TG曲線(xiàn)熱重試驗在德國耐馳STA409PC型同步熱分析儀上進(jìn)行.熱解實(shí)驗用的載氣為高純度氮氣,升溫速率為20K/min;燃燒實(shí)驗根據不同升溫速率(10、2030K/min)對原料在313~1273K溫度范圍內進(jìn)△-桉樹(shù)皮+桉樹(shù)葉行程控動(dòng)態(tài)升溫,在變氣氛(體積比V,:V,為90:10桉樹(shù)枝80:20、70:3060:40)中進(jìn)行,流速均為100mL/min秸稈甘蔗渣為減少和避免二次反應對失重特性的影響,采用的←甘蔗葉試樣量控制為5~10mg400500600700800900100011002實(shí)驗結果與討論(b)DTG曲線(xiàn)從表1中可看出,這些南方生物質(zhì)材料的揮發(fā)圖分含量均較高,達到63%以上,表明其具有較好的中國煤化工CNMHG著(zhù)火特性.相比而言,秸稈和桉樹(shù)皮的灰分含量較第8期廖艷芬等:中國南方典型生物質(zhì)熱解及燃燒特性熱重分析把肩狀峰和毗鄰失重峰之間的拐點(diǎn)作為分界圍基本接近,但不同種類(lèi)的物料揮發(fā)特性差異較大點(diǎn),可以大致將生物質(zhì)主要熱解溫度區間分為半纖木質(zhì)類(lèi)材料(桉樹(shù)皮、桉樹(shù)葉、桉樹(shù)枝)相比于草本維素和纖維素兩個(gè)部分,將該分區以及幾種物料的類(lèi)材料,由于材料致密、組成的分子結構更趨復雜,主要化學(xué)成分匯總于表2中.從表中可以得出,以纖其熱解溫度向高溫側偏移.秸稈整個(gè)熱解過(guò)程均提維素為主的熱解失重率均大于半纖維素的熱解失重前了約50K,表明其在熱化學(xué)轉化過(guò)程中具有更好率,兩者比率與各化學(xué)成分所占質(zhì)量比大致接近,表的揮發(fā)特性明該分區方法可以定性區分物料中半纖維素和纖維2.2燃燒特性素的熱解區間.當然,由于不同化學(xué)成分熱解區間的如圖2所示,6種生物質(zhì)的熱解燃燒過(guò)程均可相互重疊,會(huì )存在一定的誤差分為4個(gè)階段:干燥、揮發(fā)分的析出和燃燒、固定碳表2生物質(zhì)熱解溫度區間質(zhì)量失重率以及主要化學(xué)成分的燃燒以及殘留物的燃盡階段.Table 2 Temperature range, mass loss of biomass pyrolysis and第階段為從室溫到473K左右的干燥階段.the main chemical composition of biomass在此區間,TG曲線(xiàn)變化平緩,樣品的失重主要為自半纖維纖維木質(zhì)由水和結合水的蒸發(fā)同時(shí)由于溫度的升高,高分子樣品△m△7:Δm2素含素含素含鏈斷裂,有機分子聚合度下降,內部發(fā)生了少量解/K%K%量9H量1量9H聚、一些內部重組及“玻璃化轉變”過(guò)程.幾種生物桉樹(shù)皮473~58812.00588~70540.4815.8046.8034.10質(zhì)在此階段的最大脫水速率以及對應的溫度是沒(méi)差桉樹(shù)葉473-57312.93573-67332.0314.6014.8025別的,說(shuō)明水在幾種生物質(zhì)上的吸附方式及含量差桉樹(shù)枝473~59816.81598~69345.6916別不大秸稈473-56314.42563~66330.9531.6038.3011.80第2階段為主燃燒階段,發(fā)生在473~673K區甘蔗渣473~60524.46605~69347.5924.3449.4922.69間在此區間揮發(fā)分析出、燃燒,其失重占了整體失甘蔗葉473-60524.99605-70339.5323.0038.5015.60重的50%以上.熱解曲線(xiàn)中出現的側肩同樣可以在1)△71、△T2分別為以半纖維素為主和以纖維素為主的溫度區10間;△m1、△m2表示對應階段的質(zhì)量失重率Δ-桉樹(shù)皮桉樹(shù)葉熱解過(guò)程呈現明顯的“雙峰”特性,第2個(gè)主要熱解區間位于673~873K之間,并在703K一一左右出現最大失重在生物質(zhì)的3個(gè)主要組分中,木質(zhì)素的峰值通常在633~680K之間出現,取決于木質(zhì)素的來(lái)源以及分離方法.從圖中可以看到,桉葉器暴春的第2個(gè)熱解峰大致符合木質(zhì)素的研究結果,但峰40050060070080090010001100溫偏高.分析桉葉的生物組成,發(fā)現除纖維素、半纖a)TG曲線(xiàn)維素以及木質(zhì)素3種主要成分外,桉葉還平均含有9%的粗蛋白和12.3%的粗脂肪5.蛋白的裂解溫度區間為593~723K6,脂肪一次裂解產(chǎn)物主要為甘油三酸酯,其裂解溫度區間為673~773K.可一桉樹(shù)皮見(jiàn),桉樹(shù)葉第2熱解區間應為木質(zhì)素粗蛋白和粗脂一目.桉樹(shù)柱肪熱解的綜合體現.從圖1(a)可以看出,從常溫至773K左右的溫升過(guò)程中,桉樹(shù)枝和葉試樣的熱解較完全,殘留物質(zhì)800900很少,而桉樹(shù)皮試樣的殘留物則相對較多,反映出皮(b)DTG曲線(xiàn)與枝葉之間的化學(xué)組成有一定的差異,主要體現為圖2生物質(zhì)燃燒的TG、DTG曲線(xiàn)(2灰分含量的差異Fig 2 TG and中國煤化工 tion at a h綜合而言,同類(lèi)物料的熱解特性和熱解溫度范ting ratCNMHG華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第41卷圖2(b)DTG曲線(xiàn)中發(fā)現,但是由于燃燒過(guò)程促進(jìn)了表3生物質(zhì)燃料燃燒特性參數揮發(fā)分的析出,揮發(fā)分析出的主峰以及側肩位置均 Table3 Combustion characteristic parameters of biomass sam-提前.一般而言,生物質(zhì)中半纖維素由于其五元環(huán)結構所需要的活化能比破壞纖維素和木質(zhì)素六元環(huán)結DTGa/T′T;Th/TmDTG/(d/P/構的低,燃燒過(guò)程中,半纖維素首先發(fā)生熱解、脫揮樣品KKKK (K和燃燒纖維素的脫揮燃燒略遲,發(fā)生在543-648K區間,這一現象在圖2(b)中可明顯觀(guān)測到木質(zhì)素校樹(shù)皮4959583610-12.43.2-5.52-4032.60的燃燒溫度區間為473~773K8,跨越了整個(gè)主峰主峰核樹(shù)葉4655358369.310.0805.9-5.24-4.32.65范圍,因此在主峰中反而被掩蓋.桉樹(shù)枝478568.5823613.6-17.36735.7-6.80-5.094.70第3階段為固定碳燃燒階段,溫度為673~823K秸稈463532.9753579.5-11.856884-4.21-4.673.43區間.前一階段的產(chǎn)物在此進(jìn)一步脫揮和碳化,釋放甘蔗渣466552.4813595.9-18.74706.2-8.53-5.105.41出CH4CO2、CO等氣體產(chǎn)物氣相燃燒反應逐漸完甘蔗葉2)470546.3773573.4-14.03722.1-5.52-5.714.69成,進(jìn)入到固相燃燒過(guò)程中.氧氣通過(guò)孔隙結構進(jìn)入1)T為著(zhù)火溫度;Tm、Tn分別為峰1、峰2的溫度;DTG1、DTG2材料內部,導致固定碳的燃燒.由于桉樹(shù)葉中含有的分別為峰、峰2峰值DTG;2)甘蔗葉第1個(gè)主峰為“W"形,取峰值高的位置脂肪和蛋白質(zhì)需要較高的溫度才全部裂解,然后燃燒,因此其燃燒溫度區間相對較大.2.3升溫速率對燃燒的影響第4階段為殘余物的燃盡過(guò)程,其反應速率較升溫速率對幾種生物質(zhì)燃燒過(guò)程的影響趨勢基慢,在TG曲線(xiàn)體現不明顯.從TG圖上可以看出,殘本相同,圖3為空氣氣氛下桉樹(shù)皮在不同升溫速率余率(主要是灰分含量)最大的是秸稈和樹(shù)皮,甘蔗下的熱重曲線(xiàn)圖隨著(zhù)升溫速率的升高,由于熱滯后渣最少,甘蔗葉、桉樹(shù)葉和桉樹(shù)枝居中,與表1中生現象,TG和DTG曲線(xiàn)向高溫區偏移比較TG最終物質(zhì)灰分的含量相對應走向,升溫速率對最終殘留率的影響約在3%~7%將6種材料的燃燒特性歸納于表3中.為了全之間,但達到相同失重所需時(shí)間相差較大面評價(jià)生物質(zhì)燃料的燃燒情況,引進(jìn)燃燒特性指數令余0P進(jìn)行描述P=( dw/dt)max( dw/dt)ma /(T: T,)△-10K/min式中:(d/dt)m為最大燃燒速率,%/min;(da/- O-20K/min30K/mindt)-為平均燃燒速率(取脫揮到燃盡失重過(guò)程的40溫度區間),%/min;T為揮發(fā)分開(kāi)始析出溫度(著(zhù)火溫度),K;T為燃盡溫度,K.總測米萊」-16從表中可以看到,秸稈材料的著(zhù)火溫度以及脫40050060070080090010001100揮完成溫度均比其他幾種物料低,表明其著(zhù)火特性、脫揮特性好,在著(zhù)火后能夠立即達到最大燃燒速率,圖3不同升溫速率下桉樹(shù)皮的燃燒曲線(xiàn)其前期揮發(fā)分的燃燒速率非?？?在著(zhù)火初期將具Fig 3 Curves of biomass combustion at different heating rates有較高的燃燒強度.桉樹(shù)的3個(gè)物料中,桉樹(shù)葉最易般而言,升溫速率的增加一方面使樣品顆粒著(zhù)火,桉樹(shù)皮和桉樹(shù)枝的著(zhù)火點(diǎn)接近,但桉樹(shù)枝在揮達到燃燒溫度所經(jīng)歷的時(shí)間變短,降低揮發(fā)和燃燒發(fā)分以及固定炭的燃燒強度上均具有優(yōu)勢,表明其程度;另一方面增加了顆粒內外溫差,顆粒外層的在爐內燃燒過(guò)程將具有更好的穩燃性比較幾種生揮發(fā)產(chǎn)物來(lái)不及擴散,影響燃燒的進(jìn)行.由于燃燒物質(zhì)的燃盡溫度可知,桉樹(shù)皮的最大,桉樹(shù)枝和桉樹(shù)過(guò)程取決于反應溫度、揮發(fā)分的析出和氧氣的擴葉的居中,秸稈和甘蔗類(lèi)材料的最小,表明秸稈和甘散濃度,因此該作用又通過(guò)影響燃燒機理而導致蔗類(lèi)材料持續燃燒時(shí)間短,而且第3階段失重率僅燃燒過(guò)程的不同.另外,隨著(zhù)升溫速率升高,內部占整體失重的20%左右,燃燒強度在后期大大降溫度差別增大佐傳質(zhì)的陽(yáng)昆致不同成分的燃低.由表3計算結果可知,甘蔗類(lèi)的燃燒特性指數P燒區間出中國煤化工分峰界限越來(lái)較其他種類(lèi)的高,其綜合燃燒特性好越模糊8CNMHG第8期廖艷芬等:中國南方典型生物質(zhì)熱解及燃燒特性熱重分析2.4氣氛對燃燒的影響C6L 0富氧燃燒可以提高火焰溫度,降低燃燒著(zhù)火點(diǎn)溫度和燃盡溫度,從而提高燃燒效率,減少污染物Vs:Vo2=90:10排放通常,富氧燃燒優(yōu)勢在氧氣濃度達到40%以V:V0=70:30上后逐漸減弱0,因此文中針對幾種氣氛(體積比--Vx:Vo=60340V:V為90:10、80:20、70:30、60:40)進(jìn)行熱重實(shí)驗,分析氣氛對燃燒特性的影響規律圖4為20K/min升溫速率、不同氣氛下的燃燒曲線(xiàn).從圖4可以看到,氧氣濃度對各物料燃燒過(guò)程d秸稈的影響規律相同.在523K之前TG曲線(xiàn)基本上重合,期間著(zhù)火尚未發(fā)生,表明氧氣濃度對燃燒前的干0燥和揮發(fā)分的熱解析出影響甚小達到著(zhù)火點(diǎn)溫度后,隨著(zhù)氧氣濃度升高,氧氣與原料接觸程度增大,促使燃燒完全,從而降低燃盡溫△-VV=90:10V:Va=80:20k2=70308做-V,:Vo=60:40△Vs:Vo,=90:10500600700800V:V=80:20Ws,:Vo=70:30e)甘蔗渣Vx;Vo2=6040-12-V,;V=90:10-440050060070080090010001100。V,Vo,=80:20a)桉樹(shù)皮-V,:Vo,=6040APH#- 040050060070080090010001100皮買(mǎi)f)甘蔗葉V、:V=8020圖4不同氣氛下各生物質(zhì)的燃燒曲線(xiàn)2-V2302=6040Fig 4 Curves of biomass combustion in different ambience度,同時(shí)燃燒完全時(shí)間降低,體現為T(mén)G和DTC曲線(xiàn)40050060070080090010001100逐漸向低溫偏移,且峰高增大.另外也有分析認為,(b)桉樹(shù)葉氧化性環(huán)境中的氧氣可以降低可燃物熱解熔融層的黏度,使得熱解產(chǎn)物揮發(fā)分更加易于析出,從而加快撚燒速度和降低著(zhù)火溫度對-x04目3反應動(dòng)力學(xué)模型和分析VV=70:30根據熱重分析結果,對生物質(zhì)熱解和燃燒建立動(dòng)力學(xué)模型,采用式(1)所示的簡(jiǎn)單動(dòng)力學(xué)方程來(lái)模擬Q熱解燃燒失重現象,其中α為相對失重或稱(chēng)轉化率00500600700800900a中國煤化工的質(zhì)量,下標c)桉樹(shù)枝與∞分別代CNMHG充分反映各6華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第41卷反應區間的情況,采用窄溫度范圍進(jìn)行計算dE幾種物料熱解活化能排序小5樹(shù)枝EE甘葉>E甘渣>E粘桿>E棱樹(shù)葉,桉樹(shù)葉和秸稈的解Expl活化能較小,表明有良好的揮發(fā)分析出特性,相對容式中,E為活化能,A為頻率因子,R為氣體常數,易發(fā)生熱解反應,與前面失重特性吻合;桉樹(shù)皮和桉t為時(shí)間,f(a)為反應物和反應速率的相關(guān)函數,樹(shù)枝活化能較大,比其他生物質(zhì)難熱解熱穩定性較取決于反應機理.文中采用 Coats- Redfern積分法,好;甘蔗渣和甘蔗葉居中通過(guò)對溫度積分的近似推導,導出如下近似積分型生物質(zhì)燃燒較為復雜,利用n階模型對燃燒階方程:段進(jìn)行模擬,得到最佳的反應級數,如表5所示g(a)E6種物料燃燒過(guò)程均需要采用二段活化能進(jìn)行分(2)析,對應其溫度范圍分別為揮發(fā)分和固定碳的燃燒過(guò)程式中,g(a)為f(a)的積分形式,g(a)=f(a)反表5燃燒表觀(guān)動(dòng)力學(xué)參數應溫度T由程序升溫速率β確定因為BT/E1, Table 5 Apparent kinetic parameters of biomass samples'com-對于g(a)形式,n[g(a)/T]對1/T的圖線(xiàn)為一條ustion直線(xiàn),通過(guò)斜率可得到活化能E,截距中包含頻率因溫度范線(xiàn)性相樣品子A圍/K(kJ·mol-1)關(guān)系數反應級數n≠1時(shí),方程式(2)可轉化為下式473~6736.30×102.000.992桉樹(shù)皮73-873289.112.20×1082.500.971r(1-n)2RTInE473-73381.624.46×1032.000.982桉樹(shù)葉733-833241.051.03×1041.500.977473~663124.221.14×1071.500.997生物質(zhì)熱裂解通常體現為1階或2階動(dòng)力學(xué)模桉樹(shù)枝63-8232005·3.40×1011.500.985型,文中按照1階或2階動(dòng)力學(xué)模型分別進(jìn)行模擬,取擬合度最佳者,見(jiàn)表4.可以看出,6種生物質(zhì)物料秸稈473~633110.824.98×10°1.000.980633-753165.102.86×1092.000.984熱解過(guò)程采用一段式表觀(guān)活化能即能獲得很好的擬473-648合度.通過(guò)比較發(fā)現:對于生物質(zhì)熱解,草本植物甘蔗渣648~8134.39×1001.500.994(秸稈、甘蔗渣、甘蔗葉)用1階反應模型擬合的效473-643143.281.03×1091.500.99果較好,而木材類(lèi)(桉樹(shù)枝、桉樹(shù)葉)由于組成結構甘蔗葉643-773168.142.14×10.2.000.976更為復雜,2階反應模型擬合效果更佳.桉樹(shù)葉雖不屬于木材類(lèi)但由于桉樹(shù)葉中諸如蛋白質(zhì)等大分子相比而言,秸稈和桉樹(shù)葉低溫階段的燃燒活化占一定份額影響反應機理,因此釆用2階反應模型能較小,表明秸稈和桉樹(shù)葉在低溫階段脫揮速度快,更加適合著(zhù)火點(diǎn)低,易于燃燒桉樹(shù)3種物料的高溫段燃燒的表4生物質(zhì)熱解表觀(guān)動(dòng)力學(xué)參數活化能大,表明木材類(lèi)生物質(zhì)相比草本類(lèi)在脫揮后Table 4 Apparent kinetic parameters of biomass samplespy生成的固定碳結構的芳香化程度高,物料在后期的燃燒穩定性好.對于桉樹(shù)葉,由于高溫段存在蛋白質(zhì)失重溫度線(xiàn)性相等高分子化合物的裂解和燃燒,因此高溫段活化能樣品范圍/K(kJ.mod-1)(103min-)關(guān)系數較大甘蔗類(lèi)和桉樹(shù)枝從低溫段到高溫段的活化能桉樹(shù)皮473~773l12.4517402.000.91變化幅度較其他幾種物料的小,綜合燃燒特性較好,桉樹(shù)葉473~8732.000.970其活化能分析結果與燃燒特性吻合桉樹(shù)枝473-773l18.694結論秸稈473~6331.000.982中國煤化工甘蔗渣473-6831.000.981我國南CNMHG以農林廢棄物甘蔗葉473~693109.741941.000.994中的秸稈、甘蔗以皮桉樹(shù)等為主要資源進(jìn)行燃燒發(fā)第8期廖艷芬等:中國南方典型生物質(zhì)熱解及燃燒特性熱重分析電具有較好的地域優(yōu)勢.文中研究了中國南方典型[4]張斌武書(shū)彬兩種木質(zhì)纖維水解渣的熱解特性分析生物質(zhì)熱解及燃燒特性,得出以下結論[J]華南理工大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版,2012,40(3):1-6.(1)幾種典型的南方生物質(zhì)揮發(fā)分含量均較Zhang Bin, Wu Shu-bin. Analysis of pyrolysis properties of,點(diǎn)火性能較好.一般生物質(zhì)中氮和硫含量均較hydrolysis residues of two kinds of lignocelluloses [J]低,有利于清潔發(fā)電,但桉樹(shù)葉中硫和氮含量均較Journal of SouthUniversity of Techneience Edition, 2012, 40(3): 1-6高,隨著(zhù)環(huán)保要求的提高該類(lèi)生物質(zhì)直燃發(fā)電將需[5] Sanchez-Silva L, Lopez-Gonzalez D, Garcia-Minguillan A要考慮脫硫和脫銷(xiāo)工藝;秸稈和桉樹(shù)皮的灰分含量M, et al. Pyrosis, combustion and gasification characteris-較高,在除塵方面有較高要求tics of nannochloropsis gaditana mircoalgae J].Biore(2)相比而言,草本類(lèi)生物質(zhì)(秸稈和甘蔗)比source Technology, 2013, 130: 321-331其木質(zhì)類(lèi)生物質(zhì)具有脫揮速度快脫揮完成時(shí)間短6]SuYi, Lu Yong-hao, Wu Wen-guang,eta. Characteristics的特點(diǎn),因此其著(zhù)火溫度也相應較低,著(zhù)火特性好;of pine wood oxidative pyrolysis: degradation behavior但其持續燃燒時(shí)間短,而且后期燃燒強度降低.在桉carbon oxide production and heat properties [J].Joun樹(shù)的3個(gè)物料中,桉樹(shù)葉最易著(zhù)火,而且由于含有較of Analytical and Applied Pyrolysis, 2012, 98: 137-143多的粗蛋白和粗脂肪,其燃燒區間延長(cháng)但桉樹(shù)枝在7W%cpxm,. ang haI-ge,aahmence of the interaction of components on the pyrolysis be-揮發(fā)分以及固定炭的燃燒強度上均具有優(yōu)勢,其在havior of biomass [J] Journal of Analytical and Applied爐內燃燒過(guò)程具有更好的穩燃性,甘蔗類(lèi)燃燒時(shí)間Pyrolysis,2011,91(1):183-189短,綜合燃燒特性好[8]廖艷芬,馬曉茜,孫永明木材熱解及金屬鹽催化熱解(3)適當提高氧氣濃度、增加與原料接觸程度,動(dòng)力學(xué)特性研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2008,28(5):均有助于降低著(zhù)火溫度,強化燃燒.由于不同種類(lèi)生物質(zhì)的燃燒特性差異較大,在Liao Yan-fen, Ma Xiao-qian, Sun Yong-ming. Kinetics of生物質(zhì)燃燒發(fā)電工程中,應充分考慮不同物料的燃pyrolysis and metal-salt catalized pyrolysis of wood [J]燒特性,綜合分析各種燃燒的著(zhù)火、穩燃、燃燒強度Chemistry and Industry of Forest Products, 2008, 28 (5)45-50.等特性,進(jìn)行優(yōu)化摻混燃燒[9] Miranda Isabel, Gpminho Jorge, Mirra Ines, et al. Fractio-參考文獻:ning and chemical characterization of barks of Betula pendula and Eucalyptus globulus [ J Industrial Crops and[1]畢于運,王亞靜高春雨中國主要秸稈資源數量及其Products,2013,41:299-305區域分布[J]農機化研究,2010(3):1-7[10]何敏澳大利亞小桉樹(shù)流化床快速熱解的研究[D]Bi Yu-yun, Wang Ya-jing, Gao Chun-yu. Straw resource太原:太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,2012quantity and its regional distribution in China [JJ. Journal of [11] Romani Aloia, Garrote Gil, Parajo Juan Carlos. Bioetha-Agricultural Mechanization Research, 2010(3): 1-7nol production from autohyrolyzed eucalyptus globulus by[2]歐釗榮譚宗琨,何燕,等影響我國甘蔗主產(chǎn)區甘蔗multaneous saccharification and fermentation operating產(chǎn)量的關(guān)鍵氣象因子及其豐欠指標[J].安徽農業(yè)科at high solids loading [J]. 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SugarcaneCNMHG2004,11(2):1-4[14 Jutakanolcppaplooa,etchant華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第41卷Sugarcane leaves: preteatment and ethanol fermentatiorials for the production of renewable fuels and chemicalsbySaccharomycescervisiae [J]. Biomass and Bioenergy[J]. Bioresource Technology, 2007, 98( 12): 23512012,39:283-289[15]包承玉,謝云敏,宋永芳.桉樹(shù)葉的營(yíng)養成分及其評18]宋長(cháng)忠,火災可燃物熱解動(dòng)力學(xué)及著(zhù)火特性研究?jì)r(jià)[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),1989,9(4):49-53[D].杭州:浙江大學(xué)能源系,2006Bao Cheng-yu, Xie Yun-min, Song Yong-fang. Composi-[19]廖艷芬,馬曉茜城市污水污泥燃燒特性和動(dòng)力學(xué)特tion and evaluation of nutritive ingredients in eucalypyus性分析[J].燃料化學(xué)學(xué)報,2009,37(3):296-301leaves [J]. Chemistry and Industry of Forest ProductsLiao Yan-fen, Ma Xiao-qian. 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Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, Guangdong, China)Abstract: TGa was employed to investigate several kinds of typical biomass materials( namely, eucalyptus barkeucalyptus leaves, eucalyptus branches, straw, bagasse and sugarcane leaves )in South China through pyrolysisand combustion experiments. The results show that(1)as compared with wood-based materials(eucalyptus barkseucalyptus leaves, eucalyptus branches), herbal materials( straw, bagasse and sugarcane leaves )are of better per-formance in the ignition process and the liberation of volatile compounds due to their simple material structure;(2)herbal materials. however, have a short burnout time in terms of the fixed carbon and the residue, with a low com-bustion loss which accounts for only 20% of the overall weight loss and a greatly decreasing combustion intensity inthe later stage;(3)three types of eucalyptus materials are found to be of different combustion characteristics due totheir different compositions; (4)eucalyptus leaves are easy to ignite and their more crude protein and crude fatbring about a wider combustion temperature range and a lower combustion intensity; (5)eucalyptus branches haveadvantage in terms of the combustion intensities of the volatiles and the fixed carbon, indicating that they are ofmore stable combustion in the furnace;(6) eucalyptus barks have a long combustion duration but possess noadvantage in terms of the ignition and the combustion intensity; and(7) bagasse and sugarcane leaves possess ashort combustion duration but show a good synthetic combustion performance. In addition, a non-isothermaanalysis method( Coats-Redfem)is adopted to evaluate the pyrolysis and combustion processes of all the materialsthus obtaining the corresponding kinetic parametersKey words: biomass; pyrolysis; combustion; kinetic characteristic中國煤化工CNMHG