棉秆热解及燃烧特性试验研究

研究与探讨棉秆热解及燃烧特性试验研究肖健秋,周胜2(1.国防科技大学,长沙410073 ;2.恒源煤电股份有限公司,安徽淮北235100 )摘要:利用热重分析仪研究棉秆在N2及空气气氛下的热解及燃烧特性，通过动力学分析得到了棉秆热解及燃烧的动力学参数,相关系数在0.99以上。研究结果表明:随着升温速率提高,棉秆热解过程中的活化能增加。试验棉秆的着火温度为246C。关键词:棉秆;热解特性;燃烧特性;热重分析;着火温度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中国图分类号:TK16文献标志码:A文章编号:1001-5523( 2009 )03-0020-03我国是当今世界最大的煤炭生产和消费国,近TCA 92型常压热重分析仪。每次实验取样品15 mg,年来在我国一-次能源的利用中,煤炭发电份额- -般粒径小于0.2 mm。高纯氮气作为载气，流量为都在75%左右。燃煤发电不仅会排放出SO2和80 ml/min。热分析温度范围为室温至900C ,停留时NOx,而且会排放出大量温室气体CO2,它们对环境间10 min。试验时，热天平自动记录重量的变化信造成很多负面影响"。生物质能作为可再生能源,储号。每个试验完成后，做-一个相同条件的空白试验量丰富,分布相对集中,由于其具有可再生性,低含以消除系统误差。硫性和C02零排放性,被认为是未来能源的一个重表1秸秆的元素分析和工业分析%要组成部分2。我国的生物质资源丰富,每年仅农作样一工业分析元素分析物废弃物就相当于6亿t标准煤，还有约3亿t煤MAVCH0NS/MJ-kg'当量的林业废弃物。棉秆8.41 1.75 67.97 43.63 5.50 40.33 0.27 0.11 12.37棉秆是我国主要的农业废弃物，如何综合、有能效地利用这些农业废弃物进行资源化研究显得十2 生 物质TC -DTG分析分必要。热解是热化学转化中最为基本的过程,是2.1热解特性试验结果气化、液化及燃烧过程的初始和伴生反应,对热解的分析有助于热化学转化过程控制及高效转化工图1为棉秆在升温速率为10C/min及20C/min艺的开发。目前,国内外对生物质及其组分的热解下的热解曲线。由图可知,在200C ~ 500% ,样品明已有大量的研究别，本文研究棉秆在氮气及空气下显失重,有大量气体(包括焦油)析出,物料重量急剧的热解及燃烧特性。下降。研究表明凹,此阶段发生的热解是纤维素.半纤维素及木质素等生物质有机组成成分热解叠加1试验的结果。纤维素主要热分解区域在250C~500%,●20.试验用棉秆基本性质见表1。采用的仪器为热解后碳量较少,热解速率很快;而木质素较难热肖健秋等，增秆热解及燃楚性试验研究研究与探讨解,热解速率在400C以后出现峰值。在热解温度高较多的碳,因此稻壳、样品热失重曲线和热解速率曲于500C以后，半纤维素和纤维素的热分解基本结线在高温区趋于平缓。束,此时以木质素热解为主。由于木质素热解时形成2.2热解动力学参数oo000.020 \90 t280 t0.5旨70。置。70}o喜64渠60sot4040.6米0-20]50 300450600750900.8800--2温度/心(间) 10C/min图1棉秆热解TC-DTC曲线b) 20C/min根据热解曲线，可以求解生物质热解的反应动研究表明9,秸秆类生物质的热解反应可视为-一力学参数。试样在试验中总的质量变化为:级反应。将式(3)代入式(2)积分并整理得I响:2RTa= mo-m(1)InI-L)]=In[DE(1-E -)RTmg-my式中:mo为试样初始质量;m;为试验结束时的质量;式中φ为升温速率,φ=出。令Y=In -sln(1-c)],m为试样任一时刻的质量。根据质量作用定律可以x=+,a=ln[4R (1- 2RT ),b-=-号。 则有:得到试样热解速率方程:中EEY=a+bX(5)a=k(1-a)(2)式中k为反应速度常数;n为反应级数。根据试验结果，可以计算出样品在不同工况下由Arrehenius定律:X.Y值,进而求得a、b值,即可求得反应的表观活k=Ae-DRT(3)化能E和频率因子A,计算结果如表2所示。很明.式中:A为频率因子;E为活化能;R为气体常数;T显各拟合方程的相关系数都大于0.99，说明线性回为绝对温度。归比较合理。表2热解动力学参数升温速率/C . min'温度区间1.C拟合方程相关系数R活化能E/kJ. mol-'频率因子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燃烧特性00 F2.3.1着火点to图2为棉秆在20C/min下燃烧过程中的TG-DTG曲线如所示。利用TC-DTG方法分析麦秆。的着火温度,如图所示,得到试验棉秆的着火温度为积41.05246C。-15根据热解动力学参数求解方法，得到样品的燃80020烧动力学参数如表3所示。图2棉秆燃烧TG -DTC曲线●21●直佳利等、绵科地丰及计传性试验研究研究与探讨裹3燃烧动力学参数温度区间/C拟合方程相关系数R活化能EkJ.mol-频率因子A/min+258-332Y=0.9747-7 178X0.995959.688.56x 10332-536Y=10.014 6-1 860X0.967515.466.31 x 104[4]程世庆，尚琳琳.张海清.生物质的热解过程及其动力学规3结论律[].煤炭学报, 2006.31(4):501 -505.[5|张晓乐。许敏.孙荣峰，孙立.玉米秸热解动力学研究J]燃利用热重分析仪研究棉秆的热解及燃烧特性。料化学学报, 2006, 34();123-125.[6] Worasuwannarak N, Sonobe T, Tanthapanichakoon W. Pyroly-结论如下:sis Behaviors of Rice Straw, Rice Husk, and Cormcob by(1)棉秆热解主要可分为4个阶段,干燥预热、TG-MS Technique [.I Joumal of Analyical and Applied Py-挥发分析出和碳化。随着升温速率提高,棉秆热解mlysis, 2007, 78(2):265- 271.过程中的活化能增加。[7]Yang HP, Yan R, Chen HP, Lee D H, Zheng C G. Character-istics of Hemielluose, Cellulose and Lignin PyolyisJ]l Fuel,(2)试验棉秆的着火温度为246C。2007, 86(12-13): 1781- 1788.[8]姚燕,王树荣,郑镄,等.基于热红联用分析的木质素热裂参考文献:解动力学研究[].燃烧科学与技术，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. Reducing[10]赖艳华,吕明新.马春元施明恒.秸秆类生物质热解特性CO2 Emission by Substituting Biomass for Fossil Fuels[J], En-及其动力学研究[J]太阳能学报，2002,23(2): 203-206.ergy, 1995, (20):1097-1113.[3] 杨海平，陈汉平.晏蓉.等油棕废弃物热解的TC-FTIR分收稿 日期:2008-12-01析I燃料化学学报, 2006, 343):309 -314.国际能源环保会展信息(三)时间: 2009.6.9-6.11.会议地址英国伦敦2009年未来资源讨论会联系人:Green Power Conferences,Southbank House!会议地址:英国伦敦Black Prince Road,London,SE1 7SJ,UK联系人:Rebecca Penberthy电话:+44(0)207 0990600电话:+44(0)1604620426传真:+44(0)207 900 1853会议网址:t:/://w futuresourceuk .com电子邮箱:nfo@greenpowerconferences.com会议网:址:tp://wwwgweepowereonferences.cm时间:2009.6.15能太阳能一一未来能源之窗uk/v8- 12/Prospectus/ndex.phpsEvent-会议地址:马来西亚槟榔屿Codes SP0906UK研联系人:Pusat Tenaga Malaysia(5462237-T)联系地址:No.2Jalan9/10.Persiaran Usahawan,Seksyen时间:2009.6.23-6.24第6届华尔街可再生能源融资论坛59,43650 Bandar Baru Bangi,Selangor Darul Ehsan会议地址:美国纽约!电话:603-89210800用传真:603- -89210911联系电话:+1 212 224 3789电子邮箱:infopv@mbipv.net.my会议网址:tp://ww.eurormoneyenergy.com/EventDe会议网址:t:/ww.mbipv.net.my/tails/0/912/6th-Renewable- Energy-Fi-nance- -Fourm W all Street.html时间:2009.6.16-6.18(王效华).22.太阳能经济论坛