烟梗的热解特性分析

第28卷第4期贵州大学学报(自然科学版)Vol. 28 No.42011年8月Jourmal of Guizhou University ( Natural Sciences)Aug.2011文章编号1000-5269(2011)04 -0033 -04烟梗的热解特性分析龚德鸿'",许成”，顾红艳'(1.贵州大学,电气工程学院，贵阳5003; 2.贵州烟叶复烤有限责任公司,贵阳50005)摘要:用同步 热分析仪对打叶复烤生产副产品烟梗在不同升温速率条件下进行了热解试验,并分析了热解过程及其动力学规律。结果表明,烟梗的热解包括脱水、剧烈失重和缓慢失重3个过程,10C/min、15C/min和20C/min升温速率下的热解峰值温度和热解指数均随升温速率的增加而增大,采用改良的Coats-Redferm积分法进行动力学参数计算,发现当反应级数n=1.6时对不同升温速率的模拟效果最好,热解活化能分别为28. 09 kJ/mol, 28. 46 kJ/mol和28. 56 kJ/ mol.关键词:热解;动力学分析;烟梗中图分类号:TK6文献标识码:A烟梗是打叶复烤企业生产中产生的副产品,每表1烟梗的工业分析成分年我国均会产生数十万吨的烟梗,除少量经膨化处样品水分挥发分固定碳灰分发热量(%)(%) (%) .(%) (kJ/kg)理切丝后作为原料加入卷烟生产中外,其余大部分烟梗10.7969. 8710. 358.9913218均未进行有效利用,由于作为特殊的专卖行业,烟梗不能采用常规的堆肥或填埋方法进行处理,因此从表1可以看出,烟梗的挥发分含量较高,达热解成为其有效利用较为合适的-种选择。通过69.87%,固定碳含量约为10.35%,是较为典型的热解将生物质转换为生物油或热解气已被大家公生物质,表现为高挥发分、低灰分、低热值的特性。认为是- -种生物质能的有效利用方法[1-33 ,这种方1.2热解试验热解试验也在同步热分析系统STA409上进法也适用于烟梗,但近年来对烟梗的研究主要集中行将样品分别在10C、15C和20C的升温速率在提取烟碱.茄呢醇、制烟草薄片、制造纤维板和制下进行热解试验,升温范围为30 C -900 C,以备活性炭等方面(4),而将烟梗用于热解和燃烧的Al2O,坩埚为参比端，N2为保护气氛及吹扫气氛, .研究相对较少。本研究利用同步热分析系统对烟记录了热重曲线(TG)和示差扫描曲线(DSC),并梗在不同试验条件下进行了大量热解试验,以考察由动力学分析软件自带功能生成微分热重曲线烟梗的最佳热解温度范围和挥发分析出规律,并初(DTG).步研究了烟梗的热解动力学方程与参数。2试验结果及 分析1试验2.1烟梗热解特性1.1 试验样品及常规分析以升温速率为20 C/min的热解试验分析烟试验所用烟梗来自中国烟草贵州进出口有限.梗的热解过程,从图1来看,随着加热温度升高,烟责任公司生产车间,并磨制成粉状,并用150目的梗的热解失重主要集中在3个区域。第1个区域标准筛进行筛分,烟梗的工业成分分析和热值如表是室温到150 C,这一区域主要是烟梗中水分析1所示。数据均来自用同步热分析系统STA409做出,DTC曲线有明显变化，并在104 C达到峰值;第2个区域是150 C -580 C ,其中在150 C后烟的工业分析试验和燃烧试验。梗中有机质开始热解析出,但由于热解气中含有大量焦油,焦油有较高的链结构,需要在较高温度时收稿日期: 2010-11-20基金项目:基金项目:贵州省烟草专卖局基金项目(200927) ;贵州省科技厅国际合作项目(黔科合外G字[2009 ]00110号)作者简介:龚德鸿(1977-),男,贵州六枝人,硕士.副教授,主要从事脱硫,清洁燃烧方面的研究,Email:ee. dhgong@ gu. edu. ecn.串通讯作者:龚德鸿, Email:ee. dhgong@ gu. edu. cn.●34●贵州大学学报(自然科学版)第28卷才能进行裂解挥发“'] ,150 C -210 C主要是烟梗表2不同升温速率下的热解特性参数中小分子量物质热解析出,在DTG曲线上有微小.Px10变化;210 C - 580 C这个温度区间是烟梗的主要B失重享D8.0:n(%min-1)(C/min) (%)(%/min)(C) (C) (C )热解析出区域,DTG曲线呈剧烈变化,52%左右的挥发分在此区间析出,并在326C出现最大析出峰10 68.3 3.42 312.5 163.2 116. 0470.6 4.65 324.7 165.3 127. 04值,最大析出速率为7. 34%/ min,与其他生物质析275.8 7.34 326 167.7 149.26热解规律相同,此区间是烟梗中的纤维素和半纤维素热解析出挥发分,而木质素分解形成碳;最后一由表2可知,随着升温速率的增加,失重率最个区域是580 C到900 C ,这一区域是碳与灰分的大峰值速率Dm、最大峰值温度θ.和挥发分初始缓慢分解,研究表明(),主要是钙吸附物的二次裂析出温度0,都呈增加趋势。图2也表现出随着升解，烟梗的灰分主要是钾和钙,钙在较低温度时对温速率的增加，峰温增加，峰面积增大,峰形更尖热解产物有吸附作用,这些吸附物在较高温度时二锐,这是由于单位时间内烟梗在较高的升温速率条次裂解形成次峰,峰值约为693 C.在以下研究中,件下发生转变和反应的量增加了,从而使焓变速率主要是对挥发分析出的第2区域进行研究。增加;同时图2的失重曲线一直持续到反应终温,TG/%DTC /(%/min)因此采用文献7提出的热解指数P分析挥发分析10出效果:8P = D/(0m●0,●A0/r)(1)20川Dm..越大,挥发分析出量越大,0,越小，挥发分析出越容易,m和△01n越小，挥发分的析出峰值二100200300400500600700800900出现越早,所以热解指数越大,热解效果越好。图1烟梗热解的TG和DTG曲线3热解动力学分析2.2升温速率对热解特性的影响对在氮气气氛下进行的热解过程,其动力学分在热解过程中,升温速率对其热解产物的析出析均可用式2进行分析[8]:规律有一-定影响,主要体现在,升温速率的不同,样do =A(1 - a)"exp(- E/RT)(2)品达到析出温度的时间也不同,样品颗粒内外温差不同,颗粒外层的热解气体若未及时析出,将会影式中A为频率因子,E为活化能,n为反应级响到颗粒内部的热解。图2是烟梗在10C、15 C数,R为气体反应常数,a为样品重量变化率。若和20C三种不同升温速率条件的热失重曲线将升温速率β = CI代人式2,并采用改良的Coats-(TG)和失重微分曲线(DTG),表2给出相应的热Redferm进行积分可得[9]:解特性参数。001-da= A(1-a)"exp(- E/RT)(3)dT BT80|升酒率1C/mnin60|升温速率20 C/min对3式进行积分,并考虑初始条件a=0时,T40|=T0,则:20|(4)100 200 300400500600700 8006-f[r°.°σDTC/(%/min)温度/C式4左面变形为:la升温速率10 C/min(1 -a)'1-n←n≠1(5)-10L100 200300400500600700 800b(y=-ln(1-a)n=1图2不同升温速率的 TG和DTG曲线4右面变形为第4期龚德鸿等:烟梗的热解特性分析●35.R__feeBITdr = Rexp(- E/RT)(7)联立式5,6,7 可得(1 -aY =In(一二--) =F- n≠1n2O R2-0:9386(8)0.00040.0008 0.0012 0.0016 0.0020 0.0024 0.0028Y= ln(-ln(1-a)) =F-Rn=1 (9)17T(K-少)RT圄4升温速率为15 C/min时的动力学分析其中:F = In(AK; BE令B=-台,X= 1/T ,则有:Y= F+BX(10)上式为一直线,B为直线的斜率,F为直线的截距;由斜率可求出活化能E,截距可求出频率因0.00001/T(K-)子A.圄5升温速率 为20 C/min时的动力学分析根据图2选择主要热解温度区间(140C-600 C )分析动力学特性,并对升温速率分别为10C/min,15 C/min和20 C/min的热解曲线,在选择反应级数n为0 -2(步长为0. 2)时对失重数据进行了拟合,得到曲线如图3,4,5所示,并发现当0.00080.0012 0.0016 0.0020 0.0024 0.0028n=1.6时对不同升温速率的模拟效果最好,在升温速率分别为10 C/min, 15 C/min和20 C/min图3升温速率为 10 C/min时的动力学分析时,各样品热解活化能分别为28. 09 kJ/mol ,28.46kJ/mol和28.56 kJ/mol, 各计算结果如表所示表3不同升温速率下的动力学特性_β( C/ min)温度范围拟合公式E( k/ mol)101.6140-600y = -3379.2x + 5.910128.091.25x 10'0. 995815y = -3423.6x + 5.913128. 461.90x1070. 991120140 -600. y = -3194.8x + 5.46228. 561.51x100.99474结论3)不同升温速率下试验数据的拟合曲线表采用热重分析方法对烟梗进行了不同升温速明，当反应级数为1.6时，计算结果与试验数据符率下的热解试验研究,分析了其热解过程,计算出合较好,活化能的变化趋势表明升温速率的提高有了热解特性参数,并采用改良的Coats-Redferm移利于烟梗的热解。分法进行热解动力学参数计算,主要结论如下:参考文献:1)从TG及DTG曲线上可以看出,烟梗的热[1]任强强，赵长遂.升温速率对生物质热解的影响[J].燃料化学解包括3个过程,即脱水，剧烈失重和缓慢失重。学报，2008, 36(2): 232 -235.烟梗在较低温度时就发生了挥发分析出,约在150[2]Mohd Rolee Othman, Young - Hun Park, Thanh An Ngo. Ther-C时少量小分子物质开始析出,而主要热解析出区mogravimetrice characteristics and prolysis kinetice of Giheung Res-域发生在210C到580C,并在320C左右达到最pia sewage sludge[J]. Korean J Chem Eng,2010,27(1):163-大析出峰值;167.2)烟梗的最大析出峰值温度、热解指数均随[3]王夷，王宁，于立军，等.海藻的热解特性分析[J].中国电机升温速率的增加而增大;工程学报,2007, 27(14):102 - 106.[4]鲁蕾，付敏,郭宝星.烟梗成分提取及其应用研究[J].四川●36.贵州大学学报(自然科学版)第28卷化工,004,0 7(1):9-12.海交通大学学报,202, 36( 10) ;1475 - 1480.[5]张军，盛昌栋，汉春利，等.烟梗在链条炉上燃烧利用分析[8]Kyong-hwan le, sea chenon oh. Kinetics of the thermal degnada-[J].工业锅炉:1999, 3:22 -24.tion of wax materials obtained from pyrolysis of mixed waste plastics[6]张军,袁建伟,徐益谦.矿物质对煤粉热解的影响[J].燃烧[J]. Korean J Chem Eng,2010,27(1):139 - 143.科学与技术,1998, 4(1):63 -68.[9]胡荣祖，史启祯.热分析动力学[M ]. 北京:科学出版社，[7]于娟，章明川,沈轶,等生物质热解特性的热重分析[J].上2001 :48-49.Analysis on Pyrolysis Characteristics of Tobacco StemGONG De-hong' , XU Cheng2 ,CU Hong-yan?(1. College of Electrical Engineeing, Guizhou University, Guiyang 50003 , China;2. Guizhou Tobacco Leaf Redring Co, Ld, Guiyang 5000, China)Abstract: Pyrolysis experiments of tobacco stem belonging to byproduct of threshing and redrying were conductedon the STA 409 at diferent heating rates (10,15 ,20 C/min) , and pyrolysis process and kinetics were analyzedtoo. The results show: the pyrolysis of tobacco stem include three typical process that are dehydration, rapidweight-loss and slow weight loss. As heating rate increases , the peak temperature and the releasing index of py-rolysis increase. Kinetic parameters were calculated using the improved Coats-Redferm integral method, from thisstudy, it was found that the proper reaction orders is 1. 6, and the apparent activation energies were 28.09, 28.46 and 28. 56 kJ/mol for heating rates of 10, 15 and 20C/ min.Key words; pyrolysis; kinetic analysis; tobacco stem(.上接第28页)[9]李爱荣，周坚.中国石蒜叶片的生长周期及其发育过程的研究(3):243 -247. .[J].植物学通报2005 ,2(6) :680 -686.[12]郭兆武，虢国成，熊远福,等两种野生石蒜的光合生理细胞[10]周守标,罗琦,李金花石蒜属12种植物叶片比较解剖学研学及裁培特性比较[J].西北农业学报, 2007(02) :136 - 141.究[].云南植物研究2006 ,28(5) :473 -480.[13]全妙华,陈东明，何吉石蒜属植物忽地笑的光合特性研兖[11]卓丽环,孙颖.遮光处理对大花百子莲叶片结构特征和光合[J].西南农业学报,2010,23(3) :694 -699.特性的影响[J].上海交通大学学报(农业科学版), 2009,27Effects of Shading on Growing Development of Lycoris aureaou Jing" ,YU Ze-zhi, YANG Ying(College of Forestry , Guizhou University, Cuiyang 550025, China)Abstract: Different shading was applied to study the growing development and analyse the effects on golden spi-der lily ( Lycoris aurea). The results were as follows: the 20% shading appeared scapes at the earliest, and thefull exposure was the latest. The 40% shading had the longest average length of scape and the full exposure wasthe shortest. The efects of shading to the length of scape was significant. Blossom rate of the 40% was the high-est; the full exposure was the lowest as well. So, it was more favorable to blossom at shading environment. Almost concentrate time of blossom were in early or middle September under different shading, and the influencewas not significant. The 40% shading treatment showed the highest blossom rate, the longest time of lasted-blog-som, more consistent of bloom stage ，larger flowers and leaves, the more number of blade; However, the blos-som under the full exposure Was in October, which showed it could certain delay flowering time, but the time oflasted-blossom was shorter, the time of blade- spread out was delay as well as. With shading degree increasing,leaf chlorophyll content increasing gradually. To sum up, it could showed Lycoris aurea was fit for medium, butit was able to endure a shadow environment. The conclusion was the medium ilumination intensity was more suit-able for Lycoris aurea application outdoor.Key words: Lycoris aurea; shading; medium ilumination intensity ; blossom; blossom rate