不同种类生物质热解特性研究

第32卷第1期东北电力大学学报Vol 32. No. 12012年2月Journal Of Northeast Dianli UniversityFeb.,2012文章编号:1005-2992(2012)01-0057-04不同种类生物质热解特性研究史长东,张锐2,车德勇2,贾嘉2(1.吉林市能源测试检验所,吉林吉林132013;2.东北电力大学能源与动力工程学院,吉林吉林132012)摘要:在热重分析仪上,猪粪、稻壳、玉米秸秆、木屑等五种生物质进行热解实验研究。研究发现,生物质的热解过程可分为干燥预热阶段、挥发份析出段、碳化阶段。不同种类的生物质挥发份析出温度、挥发份析出终止温度、最大失重速率对应温度均不相同。通过动力学计算可知玉米秸秆的热解活化能较小,说明它的热解过程最容易进行。关键词:生物质;热解;热分析中图分类号:TK6文献标识码:A生物质能是一种丰富的可再生能源。利用生物质能在对于调整能源结构、缓解能源危机和控制温室气体排放等方面意义重大生物质的热化学转换应用一直倍受关注。热化学转换可快速将低品质的生物质能转化成高品位的合成气、生物油及焦炭。而热解技术是生物质热化学反应应用的基础,对进一步进行生物质的液化、气化等研究有着重要的指导意义。依据来源的不同,将生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废物和畜禽粪便等五大类2。本文在热重分析仪上研究了木屑,秸秆、稻壳和牛粪猪粪的热解特性,并进行了热动力学分析,比较其活化能大小关系,为进一步研究生物质的热化学转化提供基础数据。1实验材料与物性分析本实验选用的实验样品分别为吉林市养殖场的牛粪与猪粪,吉林市木材加工厂的废弃物木屑,稻米加工厂的稻壳以及农田里的废弃玉米秸秆。实验前将样品充分干燥后研磨至0.2mm以下密封保存。实验仪器采用TA公司的SDTQ600型热重分析仪。试验采用非等温法,升温速率为10℃/min,温度范围为室温到800℃,通人高纯氮气作为载气。2实验结果及分析图1-5分别为升温速率10℃/min下牛粪、猪粪、稻壳、玉米秸秆、木屑的TG及DTG曲线。图6为五种生物质的热解失重曲线比较。收稿日期:2011-11-20作者简介:史长东(196-),男,吉林省吉林市人,吉林市能源测试检验所高级工程师,主要研究方向:能量平衡测试、石油化工分析等东北电力大学学报第32卷110706030图1牛粪在升温速率10℃/min的热解曲线2猪粪在升温速率10℃/min的热解曲线I100.110000506010020030040050060070080090000,100200300400500600700800900图3稻壳在升温速率10℃/min的热解曲线图4玉米秸秆在升温速率10℃/min的热解曲线猪粪稻壳0.2玉米秸利60040.600400500600700800图5木屑在升温速率10℃/min的热解曲线图6五种生物质在升温速率10℃/mn下热解曲线比较由生物质热解曲线可知,热解主要分为三个阶段:干燥预热阶段、挥发份析出段碳化阶段。随着加热的进行,生物质中的水分析出,在100℃-120℃左右,干燥基本完成。当到达挥发份析出温度时,试样质量再次出现下降,DTG曲线开始快速下降,并出现峰值。这时,物料中的纤维素、半纤维素、木质素吸收了大量的热量发生化学反应并析出挥发份。当挥发份析出段结束,DTG曲线恢复平稳,物料缓慢第1期史长东等:不同种类生物质热解特性研究失重,此阶段为生物质碳化阶段。图6中可以看出,不同种类生物质失重各不相同,木屑的在挥发份析出段的失重量最大。表1为不同生物质的挥发份析出温度t1、挥发份析出终止温度2与DTG曲线峰值点对应温度t3。表1不同生物质种类挥发份析出温度与、挥发份析出终止温度与DTG曲线峰值点对应温度与样品℃℃牛粪343.42378.31猪粪稻壳200.26335.7371.21玉米秸秆l63.43365.17木屑205.15358.77386.8由表1可知,不同的生物质种类热解的温度区间不同,DTG的峰值点温度不同。这是由于生物质三组分含量不同以及矿物质含量与种类不同导致的。木质素,纤维素,半纤维素的挥发份析出温度段各不相同3,所以不同种类的生物质的主要热解段的温度范围也不相同。而生物质内所含矿物质可对生物质热解过程产生催化作用。3热解动力学参数根据试样的TG曲线我们可以得到试样的质量随温度的变化。试样在实验中的质量变化比用转化率来表示,写作:(1)其中:mo为试样初始质量,mg;m,为试样任意时刻质量,mg;m为试样终止质量,mg。生物质热解动力学方程式可表示为k·f(a)f(a)为热解机理函数的微分形式,根据以往经验选用一级反应动力学机理fk为反应速率常数,根据 Arrhenius定律Ek Aexp( rt(4)将公式(3)和公式(4)带人公式(2),积分后得到In(1-a)ARn5(12RT)E(5)其中φ为升温速率,A为频率因子,E为活化能。对不同时间段的ln10)]9进行直线拟合得到的直线斜率为是节距为lAC2RTARE由于(1-281)-1,所以节距可简化为1B过拟合直线的节距可以求出生物质热解动力aRT学参数活化能E与频率因子A4。根据10℃/min下生物质热解的TG曲线,求得热解动力学参数如表2所示。60东北电力大学学报第32卷表2不同生物质种类的动力学参数生物质种类活化能E(Jmol)频率因子A(S-1)相关系数牛龚86093.5963554.2猪粪85992.28264856.30.985691092.83玉米秸秆60515.13908.25790.983194674.07939067.90.98964结论(1)生物质的热解过程主要发生在:干燥预热阶段、挥发份析出段、碳化阶段。(2)不同种类的生物质挥发份析出温度、挥发份析出终止温度与DTG曲线峰值点对应温度各不相同,这是由于生物质中三组分的含量不同与矿物质含量不同所造成的。(3)对实验试样进行热分析,得到动力学参数,其中玉米秸秆的热解活化能最小,说明热解过程最容易进行。而木屑的热解活化能最大,与木屑相比热解进行的较为困难。考文献[1]田水泉,张立科,杨风岭等.生物质能源化学转化技术与应用研究进展[J].安徽农业科学,2011,39(3):1645-1648:1650[2]肖亮宋国华生物质能发展现状及前景分析[门].中国环境管理干部学院学报[门,2008,18(4)35-39[3]黄娜生物质三组分热裂解特性及其动力学研究[D]北京:北京化工大学,2007[4]胡荣祖,史启祯热分析动力学[M].北京:科学出版社,001Study on Characteristics of pyrolysis Process ofDifferent Types of BiomassSHI Chang-dong, ZHANG rui, CHE De-yong, JIA jia(1. Energy testing laboratory of Jilin City, Jilin Jilin 132013; 2. Energy Resources and Power Engineering College, NortheastDianli University, JilinJilin 132012)Abstract: Five kinds of biomass with the same heating rate were pyrolyzed in a thermogravimetric analyzer toinvestigate the pyrolysis performance of each material. The result shows that the pyrolysis process of biomass in-cludes three stages, which are heating and desiccation phase, volatile compounds release and carbonizationhase Different types of biomass have different volatile release temperature, termination of volatile release tem-erature, and dtG curve peak temperature. By thermal analysis kinetics, it shows the activation energy of corn-stalk is low. That means pyrolysis of cornstalk is easy to processKey words: Biomass Pyrolysis pyrolysis characteristics; Thermal thermal analys