王草的热解与燃烧特性实验研究

第26卷第l1期中国电机工程学报VoL 26 No, 11 Jun, 2006006年6月Proceedings of the CSEE@2006 Chin. Soc. for elec文章编号:0258-8013(2006)11006505中图分类号:TK6文献标识码:A学科分类号:47010王草的热解与燃烧特性实验研究蒲舸,张力,辛明道(重庆大学动力工程学院,重庆市沙坪坝区400030Experimental Study on Pyrolysis and Combustion Characteristic of King grassPU Ge, ZHANG Li, XIN Ming-d(College of Power Engineering, Chongqing University, Shapingba District, Chongqing 400030, China)ABSTRACT: With a thermogravimetric analysis apparatus关键词:生物质;热重分析;热解特性;燃烧特性pyrolysis characteristic experiments of King grass were done at0引言different heating rates, which were 10, 20 and 30C/min, andthe combustion characteristic experiment was done at 20C/min能源是人类经济发展、社会进步不可或缺的支heating rate. Then the characteristic parameters were obtained柱。但是煤炭、石油、天然气等化石能源由于本身by above experiments. The activation energy of pyrolysis and的有限性必定会枯竭。而且化石在燃烧过程中会产combustion were acquired by kinetics analysis· The results生较为严重的环境污染,因此发展相对比较清洁、show that the pyrolysis process of King grass includes three可再生的替代能源已经显得非常急迫。生物质是phases; which are heating and desiccation phase, volatle种可再生的燃料,热值与中等烟煤相当;在其利用mpounds release phase and carbonization phase. Main过程中,对大气环境的CO2净排放量为零,不会象weight loss takes place in volatile compounds release phaseWhen the heating rate increases, all pyrolysis characteristie化石燃料燃烧一样引起和加剧温室效应;燃烧过程temperatures of King grass rise. There are two obvious we中SO、NO2排放较低,因此,随着国际对Soss processes in combustion curve of King grass, and twice NO4及CO2排放的控制,生物质能的合理利用日益ignition happens in combustion process of King grass. Latter引起公众的重视,是国际上作为煤、石油等的替代summit of differential thermal analysis (dTA) curve of King燃料的研究方向之一。目前,生物质能利用总量还grass combustion is higher than forme, which indicates that不到生物质所能产生的总能量的1%,生物质能的heat output of the fixed carbon combustion is higher than开发利用前景十分广阔volatile compounds combustion. The experimental results can以前对生物质的利用主要是农作物秸秆、林业provide direction for utilization of King grass as an energy加工的附产品,但据报道,今后10年内,北美和欧洲国家可能会开始大量种植一种名为象草(又名KEY WORDS: biomass; thermogravimetric analysis; pyrolysi紫狼尾草)的速生能量植物( fast growing energycharacteristic: combustion characteristicplants)2作为燃料发电,替代一部分煤炭和石油。摘要:采用热重分析仪以10、20、30℃min的温升速率对据统计,种植1公顷的象草,将它加工后所产生的王草进行了热解特性实验,以20℃/mim的温升速率进行了能量可替代36桶石油。英国政府称2005年已建成燃烧特性实验,得到热解与燃烧的特性参数。通过动力学分首个利用燃烧象草(由当地农民种植并出售给发电析得到热解与燃烧的活化能等动力学参数。研究结果表明王草的热解过程可分为3个阶段:预热干燥阶段、挥发分析产生的能量进行发电的发电站。电站的装机容量出阶段、碳化阶段,热解失重主要发生在挥发分析出阶段。为2MW,建成后,每年将能够运行800,经过燃随着温升速率的上升,王草各热解特征温度都有所升高,王烧草料产生的电能将能满足20个家庭的电力需草燃烧曲线有2个明显的失重过程,存在二次着火现象.王求。这是世界上对种植的速生能量植物利用的一次草燃烧差热(DTA曲线后面放热峰明显大于前面的放热峰,有益尝试表明固定碳燃烧放热量大于挥发分燃烧放热量。实验结果可我国的重庆、江西、江苏、内蒙等多个省、市、以为王草的能源化利用提供指导。区进行了引种杂交狼尾草(王草中国电机工程学报第26卷等牲畜饲料。它是以象草为母本,美洲狼尾草为父h6DTG曲线)随温度的变化曲线本杂交而成的多年生禾本科植物,株高2m以上,做燃烧特性实验时,热天平通以流量为高的可达5m,适应性广,耐旱性强,采用刈割方80mL/min的干燥空气,使试样在空气氛围中以20式,每亩年产青草可达1500kg以上国,产量高于℃/min的一定速度连续升温,用热分析仪记录试样象草。收获后的干草能利用现有技术制成燃料用于质量mrTG曲线)、质量变化率rDTG曲线)电厂发电,具有很高的能源利用价值。与差热 VETA DTA曲线)随温度的变化曲线在我国适合王草生长的地区利用闲置土地种植王草,利用生物质气化技术,将王草气化后产生3热解特性实验结果与分析的燃气作为农民燃料,或者将大规模种植的王草与31热解特性实验结果农作物秸秆一起作为发电燃料,不仅能够很好满足王草由纤维素、半纤维素、木质素及各种提取当地居民的生活燃料及用电需要,同时还可以减少物组成,其组成元素主要是碳、氢、氧等元素。王化石能源的使用,实现二氧化碳减排,减少SO2、草加热后会发生热解,生成可燃气体(主要成分CO,NO排放。由此可见,王草是一种很有潜力的速生H2,CO,CH4,CH等)、焦油和多孔固体焦炭能量植物。升温速度分别为10、20、30℃/min时,王草的热解本文利用热重分析仪研究王草的热解与燃烧曲线如图1所示。特性,为设计和开发高效的生物质能转换设备提供理论基础。↑实验材料的物性分析本实验所使用的样品取至重庆大学在三峡库区推广栽种的王草。试验前将空气干燥基的物料磨420细混合,试样粒径250-1000m,使其成分均匀,02004006008001000温度/℃然后放到皿中待用。进行工业分析与元素分析,所(a)温升速率10℃hmin得结果见表1。表1成分分析Tab.I Components analysis曾6元素分析样品Cx% H % O.% Nad% S/% Aad/% Med/% 2.ne/(k/kg)王草402852537120410.213.291344176822实验方法02004006008001000温度21实验仪器(b)温升速率20℃/min实验仪器是上海精密科学仪器有限公司产的ZRY2P型综合热重分析仪22实验条件为去除水分对实验结果的影响,试样在实验前放入105℃的恒温炉中干燥Ih。实验时,分析试样的质量为9mg左右,参比物为aA2O。做热解特性时,通入高纯N2做保护气流量为02004006008001000温度℃80mL/min)。实验开始时,先通氮气约60mn将加(c)温升速率30℃/min热区的空气驱赶出去后,再打开热天平的电源对样图1热解特性曲线品进行加热并继续通入高纯N2,升温速度分别采用Fig 1 Pyrolysis characteristic curve10、20、30℃加min,热解终温为970℃。用热分析32热解特性分析仪记录试样质量mTG曲线)、质量变化率由热解曲线图可知,整个热解过程可分为3个第11期舸等:王草的热解与燃烧特性实验研究阶段:预热干燥阶段、挥发分析出阶段、碳化阶段k=Ae-E/RT随着加热的进行,温度不断升高,王草中所含水分式中:A为频率因子;E为活化能;R为气体常数首先析出,在120℃左右完成干燥。然后试样质量T为绝对温度;t为反应时间;n为反应级数。在一定温度区段保持稳定,直到温度t(挥发分开始根据以往的研究经验可选择m=1,将式(3带入析出温度),试样质量开始出现下降。随着温度进一式(2)积分并整理可得0步升高,物料中的大分子吸收了大量的能量,纤维Inl-Ind-oj=In ARa-2RT-E素、半纤维素、木质素发生系列并行和连续的化学变化并析出气体,开始了挥发物的析出阶段。如图中所示,这一阶段,TG曲线急剧下滑,DTG曲线式中ψ为温升率,=令=-ayT出现峰值,对应的温度为在热解温度高于碳x=1,a=hAa-2RT),b=化阶段开始温度500℃)以后,半纤维素和纤维素R的热分解基本结束,而木质素较难热解,其热解几则有乎跨越整个热解过程,因此高温区以木质素热解为Y=a+bX主。由于木质素热解时形成较多的碳,因此王草热根据实验结果,在不同的热解阶段可以用不同解失重曲线和热解速率曲线在高温区趋于平缓。的直线进行拟合,可以计算出样品不同工况下X王草在不同温升速率时的热解参数见表2Y的系列值,进而确定出a、b值。在确定出a、b表2不同温升速的热解参数值以后,即可以计算出反应活化能E和频率因子Aab2 Pyrolysis parameters in different heating rates的值,计算结果如表3所示。很明显各拟合方程的温升速率℃m相关系数都大于099,说明线性回归比较合理表3热解动力学参数20223Tab3 Pyrolysis kinetics parameters温升速率/温度相关活化能E/频率因子A由表2可以看出,随着温升速率的上升,王草拟合方程系数(kJmo)min1各特征温度都有所升高,失重曲线有向温度高侧移10290-360y=5785-115x0994792.494440×l03动的趋势。由图1可以看出,温度上升到890℃后,20290-366y=51470-1190x0.9989303438×1030290~372y=34238-10257x0.992285287.181×107温升速率为10℃/min时,TG曲线有加速下滑的趋势,温升速率为20和30℃/min时的TG曲线也有4燃烧特性实验结果与分析一定下滑,但没有10℃min时曲线下滑明显。这表4.1燃烧特性实验结果明,在一定的高温区段,王草木质素有加速分解的温升为20℃/min,空气氛围下王草的燃烧特性趋势。曲线如图2所示。33热解动力学参数4.2燃烧特性分析根据试样的热解曲线我们可以得出试样在热重分析仪上进行热解时任意温度下对应的质量。这过程,及挥发分析出与着火燃烧、固定碳燃烧。DTG样利用质量作用定律,可以得出试样的热解失重方曲线有2个峰值,DTG曲线的峰值代表燃烧速率最程,以描述试样在实验过程中的质量变化过程。大值,峰值越大,则燃烧越猛烈。试样在实验中的总的质量变化为:DTA曲线反映了试样在整个燃烧过程中热量()随时间或温度的变化规律,DTA的峰值代表放热速率的最大值。由图2可见,王草燃烧DTA曲线有2式中:m为试样初始质量;m为试样在实验结束时个峰值,存在二次着火现象,后面放热峰明显大于的质量;m为试样任一时刻的质量。根据质量作用前面的放热峰,且持续时间更长,表明固定碳燃烧定律可以得到试样热解速率方程:放热量大于挥发分燃烧放热量。(2)43燃烧特征参数的确定式中k为反应速度常数。(1)峰值温度。由 Arrhenius定律DTG、DTA峰值温度见表4。中国电机工程学第26卷mg/min;T为着火温度,K;T为燃尽温度,K。DTGSy值越大说明燃料的燃烧特性越佳。试样燃烧特性参数如表5所示。4.4燃烧动力学分析王草燃烧动力学分析的方法与热解动力学分析相同,结果见表6。表6燃烧动力学参数(a) TG-DTG曲线温升速率/温度范围相关活化能E频率因子A拟合方程20272-317y=90621-12919x099510741245x10°5结论(1)王草的热解过程可分为3个阶段:预热干燥阶段、挥发分析出阶段、碳化阶段。热解失重b) TG-DTA曲线主要发生在挥发分析出阶段图2燃烧特性曲线(温升速率20℃/min)(2)随着温升速率的上升,王草各特征温度Fig 2 Combustion characteristic都有所升高,失重曲线有向温度高侧移动的趋势urve(heating rate 20 C/min)(3)王草燃烧有2个明显的失重过程,存在表4燃娆特性曲线DTG与DIA峰值温度二次着火现象及挥发分着火燃烧、固定碳着火燃Tab 4 DTG and DTA summit temperaturesof combustion characteristic curve烧。DTG曲线(4)王草燃烧DTA曲线后面放热峰明显大于温升速率第一峰第二第二峰前面的放热峰,表明固碳燃烧放热量大于挥发分燃度/℃温度/℃温月温度/℃烧放热量(2)着火温度参考文献本文采用 TG-DTG法来确定试样的着火温度吴伟烽,刘聿拯生物质能利用技术介绍冂工业锅炉,200T16,数据见表5Wu Weifeng, Liu Yuzheng. The study of biomass energy utilization(3)燃尽温度。technology[]. Industrial Boiler, 2003, 81(5): 11-14(in Chinese)本文将试样失重占总失重99%时对应的温度2 Hein Kr g, BemtgenJM. EU clean coal technology. co-combustion定义为燃尽温度T6,数据见表5。of coal and biomass[]. Fuel Processing Technology, 1998, 54(3):159-169表5综合燃烧特性指数3]陈济,万云林,于徐根,谈谈王草[,江西畜牧兽医杂志,199,Tab. 5 Synthesis combustion characteristic parameters(3):38-39温升速率T/K TVK(mg-min)(mg:")mg minKJournal of Animal Husbandry Veterinary Medicine, 1999,(3)6074429[4]赖艳华,吕明新,马春元,等,程序升温下秸秆类生物质燃料热(4)综合燃烧特性指数的确定。解规律门,燃烧科学与技术,2001,7(3):245-248.为了全面评价试样的燃烧情况,采用文献16-J中描述煤的综合燃烧特性指数S来描述实characteristics of agricultural residues under liner heating temperature[]. Journal of Combustion Science And Technology, 2001, 7(3)验中的试样的燃烧情况:45-248 (in Chinese)Sy=ldm/dr)ma(dm/dt)mcanigations into the pyrolytic behaviourcoal/biomass blends using thermogravimetric analysis[]. Bioresource式中:Sw为综合燃烧特性指数;( dm/dd为最大Technology,2004,92(2):187-195燃烧速度,mg/min:(dm/dnmn为平均燃烧速度,pyrolysis of waste wood[J]. 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Proceedings of the CSEE,作者简介;5,25(15):106-0 n Chinese)蒲舸(1969-),男,讲师,重庆大学在职博土研究生,主要研究12]温俊明,池涌,金余其,等.垃圾热解实验研究及其神经网络预为方向燃烧与环保, pulay@163com测模型U,中国电机工程学报,2005,255):154158张力(1956-),男,教授,博士生导师,主要研究方向为燃烧与Ven Junming, Chi Yong, Jin Yuqi, et al. Experimental study on MSW #Frpyrolysis and its neural network prediction modelp]. Proceedings ofthe CSEE, 2005, 25(5): 154-158( in Chinese)(编辑车德竞)