木质类生物质的热重分析研究 木质类生物质的热重分析研究

木质类生物质的热重分析研究

  • 期刊名字:能源研究与利用
  • 文件大小:727kb
  • 论文作者:沈永兵,肖军,沈来宏
  • 作者单位:东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室
  • 更新时间:2020-08-31
  • 下载次数:
论文简介

Resources新能源与新材料木质类生物质的热重分析研究沈永兵,肖军,沈来宏东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京210096)摘要:在常压热重分析仪和加压热重分析仪上对木屑进行了热解实验,利用热重分析法对其热解行为特性和动力学规律进行了分析,得到了升温速率、压力等因素对木屑热解过程的影响规律。实验表明:常压下,随着升温速率的增加,反应激烈程度增加;与常压相比,加压状态下,活化能明显減小:随着热解压力旳提高,挥发分初析温度和DTG峰值温度升高,最大失重速率减小:活化能E与频率因子A之间存在动力学补偿效应,升温速率不变改变压力或者压力不变,改变升温速率,得到的补偿效应表达式不同。关键词:生物质;加压热解;热重分析Abstract: A pyrolysis experiment on wood chips has been done using an atmospheric pressurehermogravimetric analyzer and a pressurized thermogravimetric analyzer. Pyrolysis characteristic andkinetic parameters were studied by thermogravimetric analysis. The influences of heating rate andpressure on the process of wood chips pyrolysis were obtained. The experimental results of the atmo-spheric pressure show not only that the bigger the heating rate, the fiercer the pyrolysis reaction, butalso that the bigger the pressure, the smaller the activation energy with the increase of the pyrolysipressure, the initial temperature of biomass pyrolysis and the temperature at which the pyrolysis ratereaches the peak value rise. It is indicated that kinetic compensation effect exists on the pressurizedditionKey words: biomass; pressurized pyrolysis; thermogravimetric analysis中图分类号:TK6文献标识码:A文章编号:1001-5523(2005)03-0023-04生物质是一种清洁的可再生能源,它具有二氧行了试验研究。探讨了压力、升温速率等因素对木化碳零排放的突出优点,同时SO2、NO和灰尘的排屑热解的影响规律,对不同试验条件下的反应动力放量比化石燃料小得多。我国农村每年产生各类学参数进行了求解和比较,并作了机理分析,为优化秸秆6.5亿t,林业每年有木材残余物3700万m3,反应操作参数及反应器设计提供理论依据。它们构成了巨大的生物质能源,但目前我国生物质袋的使用方式很不合理大多数秸秆直接燃烧热效1实验设备及实验条件率低于10%,造成资源的浪费和环境污染如何合对理利用这一资源使生物质燃料成为煤和石油等矿1.1实验条件及设备究物燃料的替代品关键是将低品位的生物质能转换常压热重试验采用法国m公司的TCA92好成高品位的能源。因此研究生物质的热解及气化型热重一差热分析仪可获得试样的热重曲线微商用特性显得尤为重要热重曲线、差热曲线和热流曲线。加压热重试验在目前,国内有关生物质热解及气化特性研究主加压热重分析仁上讲行采用非善混执重法进行热年要是常压的加压条件下研究较少。本文在常压解试验实验条中国煤化工重分析仪主热重天平和加压热重天平上对木屑的热解特性进要技术数据见表CNMHG23·收稿日期:2005基金项目:国家自然科学基金项目(No50306002,No20590367)作者简介:沈永兵(1982-)江苏南京人,硕士,从事生物质气化、发电技术研究。沈永兵,木质类生物质的热重分析研究New Energy新能源与新材料表1实验条件下面的近似方程项目数据ln(-n(1-)+1.0516EAE533常压试验重量(mg)加压试样重量(mg)可知ln(-1n(1-a)与成线性关系。用ln(-lm(1-保护气体(氮气)(%)常压下气体流量(mL/min))对1作图,利用直线的斜率和截距求出活化能E加压下气体流量压下升温速率(℃/min10、30、60和频率因子A。加压下升温速率(℃/min)式中:为试样T℃时的质量,ng;加压下压力(MPa)0.2、0.4、0.6lo.为试样初始质量,mga为失重率,%表2常压和加压热重分析仪主要技术数据x为试样最终质量,ng项目常压热重分析仪加压热重分析仪热天平精度(μg)φ为升温速率,℃/min;最大试样重量(mg)A为频率因子,min1温度精度(℃)R为气体常数,8.314J/(k·mol);温度范围(℃)20~1600为加热温度.℃升温速率(℃/min0.01~9999E为表观活化能kJ/mol;压力范围(MPa)0.1~1.4T为挥发分初始析出温度,℃;1.2实验材料2结果与讨论试验物料采用木屑成型颗粒料,试验时将其粉碎研磨,试样粒径<40目,试样成分分析见表3。2.1常压下的升温速率影响表3木屑试样成分分析常压下,升温速率为10℃/min,30℃/min,60℃/min下的TG-T和DTG-T曲线分别如图1、图2所成分(%挥发低位发名称示碳氢氧氮硫灰分分析分热量水(%)(MJkg干燥基42.640903200.94866753216101.3实验数据处理生物质热解过程是复杂的反应过程,忽略反应温度对活化能的影响,并假设其符合简单动力学方程,则生物质热解动力学反应方程表述为008001000温度(℃)根据反应动力学方程:d=k图1不同加热速率下TG-T曲线试样的失重率为:w-100%对生物质,假定反应为一级反应:fa)=(1-a)(3)0℃/min根据 Arrhenius方程k=Aexp(-E/RT)而升温速率φ=7为常数联立方程可得到:dn=4exp(-E/RT(1-a)(5)中国煤化工对上式采用 Ozawa- Doyle积分方法4可得到川NDIU-O05年第3期Resources新能源与新材料沈永兵,木质类生物质的热重分析研究New mate由TG-T和DTG-T曲线及相关计算可得到反力学参数如表6、表7所示。应热解特性的主要参数,表4为木屑常压不同升温6.0速率下的热解特性参数。从表4可以看到,木屑的挥发分初始析出温度T和DTG峰值温度T,随着加热速率的提高略有增加。木屑的最大失重速率(dhdl)灬随着升温速率的提高而大大增加,升温速率对5.6热解反应过程有较大的影响。表4常压不同升温速率下木屑的热解特性参数生物质温升速率T试样5.2木屑图3常压下不同升温速率下的动力学补偿拟合直线图36849.31表5常压不同升温速率下木屑热解动力学参数(失重率a:10%-80%)升温0.1速率拟合方程频率因子活化能相关(℃hmin)(min)(kJ·mol-)系数0. 6 MPa0.2Ma10Y=92346X+14.732175879259373.054099530. 4 MPa30Y=-85421X+13.35657481816.756757609959200400600800100060Y=-73016X+11.53948183192.3457.76209902温度(℃)图4不同压力下T—T曲线对应的动力学参数计算结果列于表5中。从表可以发现,常压下,随着升温速率的升高热解反应的频率因子由58792593min1,减小为18319234min-,相应的活化能由73.054kJ/mol减少为57762k J/mol,两者的变化趋势一致。升温速率由10℃min15提高到30℃/min,活化能减少了5478kJ/mol,而由0.2 MPa30℃/min提高到60℃/min,活化能减少了9.814kmin,说明随着升温速率的增加活化能减少的趋势增强,木屑的热解反应激烈程度逐渐增强。从表5中还温度(℃)袋可以看出:表观活化能E的增大伴随着频率因子A图5不同压力下DTG-T曲线德的增大即E和A之间存在着“动力学补偿效应”表6不同压力下木屑的热解特性参数(30℃/mi图3所示为木屑常压不同升温速率下的动力学补偿拟合直线图拟合结果为g=0343E+33061生物质试验压力试样用22压力的影响197351相同的升温速率30℃/min,压力0.MPa、0.2木屑年MPa、04MPa06MPa下的木屑TG-7和DT-T曲线如图4图5所示,木屑的热解特性主要参数和动H356-15.56中国煤化工CNMHG -1120沈永兵,木质类生物质的热重分析研究New enera新能源与新材料由表6可知,木屑的热重试验压力分别由常压30℃/min升温速率下,对常压到0.6MPa的动的0.1MPa上升到06MPa木屑的初始析出温度从力学参数活化能E和频率因子A进行拟合,二者关197℃提高到213℃,对应于最大热解速率的峰值系如图6所示,从图可见其线性关系良好,E和A温度T略有增大,另外从DvG曲线和表中数据还之间也存在着动力学补偿效应”,拟合结果为lg1=可看到其最大失重速率(dl随着压力的提高而0.0859E-0.14722减小,木屑的(d/d)m分别从21.76%/min降低到1122%/min,说明随着试验压力的增加挥发分释放3结语的强度减弱,释放高峰延后。在常压下,随着升温速率增加,最大热解速率值从图4中也可看出随着压力的增加,达到相同增大,挥发分析出增强活化能减少的趋势增加。与失重量,所需要的温度越高;在相同的温度下,压力常压相比,加压状态下活化能降低明显,同时挥发分越低,挥发分析出越多余重越小,可见压力的增加析出初温延迟,最大析出率减小而且最大失重速率抑制了热解气相产物的析出。(dwo/dr)m也降低,所对应的峰值温度T后移。活化表7不同压力下木屑热解动力学参数(30℃/min)能E与频率因子A之间存在动力学补偿效应,升温(失重率a:10%-80%)速率不变,改变压力或者压力不变,改变升温速率,压力拟合方程频率因子活化能相关得到的补偿效应表达式不同。(MPa)(min)(kJ·mol)系数0.1Y=-8542.1X+13.35657481816.7567.5760.9959参考文献0.2Y=-6242.4X+9.16039923.849.3830.99110.4Y=-5472.1X+8.113323973.643.2890.9912]于娟,章明川,沈轶,范卫东周月桂生物质热解特0.6Y=-5259.6X+7767972926.841.6080.9940性的热重分析[D上海上海交通大学,2002[2]马隆龙,吴创之,孙立生物质气化技术及其应用由表7可知压力由0.2MPa升高到0.6MPa.木M.北京:化学工业出版社,2003屑的活化能由49.383 k J/mol减少到41.608 kJ/mol。[3]崔亚兵,等常压及加压条件下生物质热解特性随着压力升高活化能减少趋势变缓,同时频率因子的热重研究[J].锅炉技术,2004,7(3:12-15也明显减少,二者变化趋势一致,这表明其反应性能4]李余增热分析[M]北京清华大学出版社,1987得到了很大提高[5]李文,李保庆,孙成功,等生物质热解、加氢热解对比不同压力下的动力学参数发现,在加压条及其与煤共热解的热重研究[J].燃料化学学报件下木屑的活化能明显低于常压,表明在加压下木1996,24(4:341-347.屑的热解反应更容易进行,且随着压力的提高,降低6赖艳华,吕明新,马春元,等程序升温下秸秆类程度逐渐减弱生物质燃料热解规律[J].燃烧科学与技术,2001,7(3):245-248[7]刘振海热分析导论[M]北京:化学工业出版社5.5199154.0445505665E(kJ.mol-)中国煤化工图6不同压力下lgA-E图CNMHG005年第3期6

论文截图
版权:如无特殊注明,文章转载自网络,侵权请联系cnmhg168#163.com删除!文件均为网友上传,仅供研究和学习使用,务必24小时内删除。