生物质成型燃料的热重分析及动力学研究 生物质成型燃料的热重分析及动力学研究

生物质成型燃料的热重分析及动力学研究

  • 期刊名字:新能源进展
  • 文件大小:247kb
  • 论文作者:蒋绍坚,黄靓云,彭好义,唐富强,姚昆
  • 作者单位:中南大学能源科学与工程学院
  • 更新时间:2020-08-31
  • 下载次数:
论文简介

第3卷第2期新能源进展Vol 3 No. 22015年4月ADVANCES IN NEW AND RENEWABLE ENERGYApr.2015文章编号:2095-560X(2015)02001-07生物质成型燃料的热重分析及动力学研究蒋绍坚,黄靓云,彭好义,唐富强,姚昆(中南大学能源科学与工程学院,长沙410083)摘要:对三种生物质成型燃料在不同气氛下和不同升温速率下进行热重实验,研究反应条件对生物质成型燃料失重特性的影响规律,并对其空气气氛下的动力学特性进行了分析。研究结果表明,生物质在空气气氛下的挥发分析出速率比N2气氛下高,随着温度升高,N2气氛下主要是纤维素、半纤维素以及木质素的分解,而空气气氛下还伴随有其分解产物的燃烧。生物质中挥发分含量较高时,反应活性也比较高。实验温度由室温升至800℃时,在升温速率为l0℃/min~25℃/min范围内,随着升温速率的升高,松木热重曲线先向低温区移动再向温度较高的一侧移动,最大失重速率对应的温度也表现出相同规律,当升温速率为20min时最大失重速率对应的温度最低,升温速率为25℃min时失重峰值最大。动力学特性分析表明,采用2组分动力学模型可以较好地表征生物质在空气中的失重特性,计算结果与实验结果吻合度较高。关键词:生物质;热重分析;升温速率;反应活性;动力学模型中图分类号:TK6文献标志码:Adoi:10.3969/issn.2095-560X.201502.001Thermo Gravimetric Analysis and Kinetics of Biomass Briquette FuelsJIANG Shao-jian, HUANG Liang-yun, PENG Hao-yi, TANG Fu-qiang, YAO Kun(School of Energy Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: To study the influence law of reaction conditions on the weightlessness characteristics of biomass briquette, thethermo gravimetric experiment is taken on three types of biomass briquettes under different atmospheres and heating rates,and a mathematical model is established to analyze the dynamic properties of biomass in air. The results show that thevolatile emission rate of biomass in air is higher than that in nitrogen atmosphere. with the temperature increasing, thebiomass mainly performs decomposition of cellulose, hemicellulose and lignin in nitrogen atmosphere, while it performsdecomposition of the components mentioned above and combustion of their decomposition products. It is found that thebiomass containing higher volatile component performs higher reactivity in comparison of the heating process of differentkinds of biomass. The DTG curves of pine move to low temperature region, then to the high part with heating rateincreasing from 10C/min to 25'C/min, and the temperature with maximum weight loss rate performs the similar trend. Thetemperature with maximum weight loss rate is lowest at 20C/min, and the weight loss peak is highest at 25%C/min. Thedynamics analysis indicates that the thermo gravimetric properties of biomass can be adequately characterized atatmospheric condition using the two-component model, and that the numerical simulation results agree with theexperimental dataKey words: biomass; thermo gravimetric analysis; heating rate; reactivity; kinetic model0引言燃料,是将生物质中的木质素在加热条件下软化使其具有相当的粘着强度,然后通过机械的方式对其为了减轻使用化石能源对环境造成的影响,同施加适当的压力,将分散的生物质转化为具有一定时减少人们对化石能源的依赖,需要改变能源的生形状和密度的固体成型燃料,成型燃料的密度远远产和消费方式,开发利用生物质能等可再生的清洁大于原生物质3。世界各地现有的成型技术主要有能源对建立可持续的能源系统、促进国民经济发展活塞成型、螺旋式成型、模压颗粒成型和卷扭式成和环境保护具有重大意义2。所谓生物质固体成型型。目前,我质成刑料应用较为广泛,为中国煤化工*收稿日期:201411-20修订日期:201412-29CNMHG基金项目:中央高校基金科研业务费专项研究项目(2010QZZD);“可再生能源电力技术南省重点实验至基金(201lDF002↑通信作者:彭好义,E-mail:penghaoyi@csu.edu.cn新能源进展第3卷了加快我国生物质成型燃料规模化利用进程,开发氛下的热解反应特性进行了研究,结果表明:木耳多种生物质成型燃料利用形式、研发高效的生物质在空气气氛下的热解失重特性表现为两步反应机成型燃料燃烧设备,研究生物质成型燃料的热反应理,而在N2气氛下表现为一步反应机理。特性具有重要意义68本文采用杨木、松木和玉米秸秆的成型燃料为热重分析具有简单、方便、准确的特点,被广样本,对其在不同升温速率、不同气氛下的热特性泛用于研究物质热解及氧化反应过程,也是动力学进行了分析,旨在研究反应气氛、反应物类型和加特性研究的重要手段。刘伟军等門利用热分析技术,热速率对热反应机理的多重影响规律,并提出了动分别对6种生物质粉末的燃烧特性进行研究,给出力学模型用以描述空气气氛下的热反应机理其燃烧特性规律性的结论和应用建议。胡松等以热分析为基础,对不同生物质的热解及其在不同1实验含量气氛下燃烧过程进行研究,探讨了生物质热反1实验样品应机理。赖艳华等基于热重分析对秸秆类生物质实验选用由螺旋挤压式成型机生产的棒状成型的热解行为进行了实验研究,分析了加热速度、温燃料,成型的生物质分别为杨木、松木和玉米秸秆。度、加热时间对其热解过程的影响,并建立了北方实验前将三种成型燃料粉磨,取过筛60目的细小颗典型秸秆类生物质的反应动力学方程。宗若雯等2粒,并进行干燥处理,干燥后燃料的工业分析、元通过热分析仪器对典型干杂食品类在空气和N2气素分析结果及低位发热量见表1。表1三种生物质的工业分析和元素分析结果Table 1 Proximate and ultimate analysis of the three biomass materialsBiomass net ad(kJ-kg') Mad (% Aad(%)vad(%)FCad(%)Cad(%) Had(%) Oad(%) Nad(%) Sad(%)1580085914662661409397969039150.951.16P190455.6l02873.4216.36491858344.670.02002Poplar185002.63064808415.8845318.5244570.2509512试验设备和方法发分析出阶段和残炭反应阶段。N2气氛中的TG曲实验采用由美国TA公司生产的SDTQ600线在第二阶段反应之后变化较为缓慢,而空气气氛TG-DSC联用分析仪( Simultaneous TG-DSC)。实中的TG曲线又进入一个新的明显失重阶段,由图2验气氛分别为空气和N2,气流量为100 ml/min,分和图3可知,最终空气气氛中生物质样品的剩余量别在10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min四仅为0.3w%左右,而N2气氛中的剩余量约为个升温速率下进行实验,实验温度从室温至800℃,20wt%,且空气气氛下的挥发分析出速率明显高于实验选取试样质量控制在10±1mg范围内。N2气氛。从DTG曲线可以看出,空气气氛中的DTG曲线出现两个较为明显的失重峰,而N2气氛中仅存2实验结果和分析在一个明显的失重峰。产生上述差异的原因是由于21热解气氛的影响空气气氛中存在一定浓度的氧气,会引起木质素分图1和图2为杨木在N2和空气气氛下的TG和解产物炭的氧化燃烧,同时由于该反应属于放热反DTG曲线。生物质在空气中进行的热反应过程与在应,放出的热量会加快木质素的裂解,更多分解产N2气氛中存在较大差异。N2气氛中,生物质发生的物燃烧失重,因此空气气氛中TG曲线在第三阶段热反应主要是热分解反应,TG曲线有两个失重阶的失重明显比N2气氛中高。段:水分析出阶段和挥发分析出阶段。由于木质素22生物质种类的影响的热稳定性较半纤维素和纤维素更高,在挥发分析各种生物质中挥发分、固定碳等组分的含量不出阶段首先是纤维素和半纤维素分解,随着温度升同,其在空中国煤化工应活性。由图高至40℃之后,主要是木质素的分解。空气气3可以看出CNMHG8w%,松木为氛中,TG曲线有三个失重阶段:水分析出阶段、挥995w1%,而玉米秸秆为86wt%。DTG曲线中,第2期蒋绍坚等:生物质成型燃料的热重分析及动力学研究种生物质在挥发分析出阶段,杨木最大失重速率最同升温速率下的TG曲线基本重合;温度大于250℃大,松木次之,玉米秸秆最小,残炭反应阶段的最大时,不同升温速率下的TG曲线开始出现分离,松失重速率也呈现同样的趋势。这是因为杨木挥发分含木的TG曲线随着升温速率的增大先向低温区移动量最高,反应活性最大,随温度升高,挥发分析出较再向温度较高的一侧移动。从DTG曲线可以看出快,松木的挥发分含量和杨木相当,玉米秸秆则较低。DTG曲线中的2个失重峰所对应的温度也表现出相同变化趋势,在升温速率为20℃/min时失重峰所对应的温度最低,在升温速率为25℃/min时失重峰值0.0最大。-0.81-10cmin-022--15C/min4425cmin1060150300450600750900g图1杨木在N2气氛中的TG和DTG曲线Fig. 1 TG and DTG curve of poplar in nitrogen0100200300400500600700800900图4松木在不同升温速率下的TG、DTG曲线Fig 4 TG and dTG curves of pine under different heating rates由于升温速率是影响生物质在热反应过程中000-0.6传热与传质作用的主要因素,在挥发分析出阶段,升温速率的适当增大会使得温度快速升高,促进挥-1.0发分的析出,使得产物析出向低温区移动;而当升-1.2温速率过大,会使生物质颗粒在某一温度下的停留0100200300400500600700800时间缩短,致使颗粒外表面的热量来不及传导至颗图2杨木在空气气氛中的TG和DTG曲线粒内部,从而使颗粒内外表面的温差加大,导致颗Fig. 2 TG and DTG curves of poplar in air粒内部在某一温度下被分解的量减少,使得产物的析出向高温区移动,出现滞后现象。在焦炭燃烧阶120段,升温速率适当增大会加速燃烧反应的进行,而温度升高过快时,由于环境中的氧气浓度有限,部I--Poplal04分物质来不及反应,反应减慢,燃烧反应向高温区移动。103热解动力学分析31模型与分析0150300450600750900目前,已有不少专家学者对生物质在空气气氛TCC中的动力学模型做了研究,然而,由于试验用生物图3三种生物质在空气气氛中的TG、DTG曲线Fig 3 TG and dTG curves of the three kinds of biomass in air质组分的多样性,在动力学模型和动力学参数两方面都有不同中国煤化工一步展开研究。23升温速率的影响例如CavoCNMH GIM)和直接法由图4可知,在温度小于250℃时,松木在不(DM)模型对不同空气N2比例下稻秆的干燥、热解新能源进展第3卷和燃烧三阶段进行分析,研究结果表明,在不同空(4)气/N2比例下,模型的吻合程度存在较大差异;陈dt海翔等采用等转化率法( Model-Free法)成功证其中,Z为第i组分物质所占的失重份额;明了油茶枝在空气气氛下生物质热解失重过程的根据式(1)和式(2),假设升温速率为两步反应模型。因此,本文在两步反应模型的基础B=dT/d,结合 Arrhenius公式,反应速率的一般上,利用 Arrhenius z程,建立了生物质空气气氛失形式可表示为:重模型。如前所述,三种生物质的失重主要集中在250℃da A~550℃之间,由DTG曲线可以看出,生物质在该区间内出现两个失重峰,本文假设这一阶段由2种对式(5)移相、积分并同时取对数得式(6)组分的物质独立反应,因此,将该区间内的2种组和式(7)分反应定义为第1、第2区间,每种组分的反应可当n=1时:以表示为In(1-a)2RTL_E当n≠1时de. A expRT/a,IRG 2RTLEBE、E刀Rri=12根据式(6)和式(7)即可求出生物质2种组式中:a1(i=1,2)为物质的转化率;mo、m和m分在空气气氛下的动力学参数。限于文章篇幅,本分别为第i组分物质的初始质量、t时刻质量和剩余文以玉米秸秆在10℃/min、15℃/min、20℃min质量;A1、E、T和n分别为第i组分物质的指前因25℃/min四个升温速率为例,说明求解方法,表2子、表观活化能、所对应的温度和反应阶数。和表3给出了玉米秸秆组分1和组分2在不同反应级数下的动力学初值,根据表中所给的数据,选取a=∑2a(3)相关系数最好的一组中的活化能E和指前因子A作为模型中参数,选取结果如表4所示。表2玉米秸秆组分1在不同升温速率下的动力学参数Table 2 Kinetic parameters of component 1 in cornstalk under different heating ratescC min")ParametersvaluesCorrelation index R20.90490.938795l809524095200.94820.9412E(k]mor)132.014946166.59171.30176.1818638197.102.0Correlation index R20.9037095300.9536095320949509424E(Jmor)14082106044179018528190842024721422.0Correlation index r09028093750.951209521094850.9420E(. mol)15355174.791956420].39207322197323279中国煤化工820index r20.9363096070.9676CNMHG6OE(kJ mor)124.60140.3915597160.28164.7017400183.78第2期蒋绍坚等:生物质成型燃料的热重分析及动力学研究表3玉米秸秆组分2在不同升温速率下的动力学参数Table 3 Kinetic parameters of component 2 in cornstalk under different heating ratesParametersvaluesmin1.6Correlation index R20.76320.78910.810008148081960828808377E(kJ mol103.69111.131174211905120.6912403127441.615Correlation index R2 0.7503 0.7708 0.786679040.79420.8016308088E(kJ- mol)l14.88121.2012647127821291813194134.751.61.8Correlation index R20859820.928020923509180091090893508745E(kj mol)574974.5810301114.14125900.51.01.8Correlation index r208237089850.90520.90060.89430.87860.861140.415382670771.58756284.1093.06表4玉米秸秆中2种组分在不同升温速率下的最优动力学参数Table 4 Optimal dynamic parameters of the two comporents in cornstalk under different heating ratesConntsating rate2(C min)E(kJ mol) A1(s)n2 E2(kJ mor)A2(s)1.5171.31509×101551.0%127.45344×109489%1518528712x1046507%1.5195645.65×147.6%1.0239×105524%1415597281×1015469%146770770×10453.1%以升温速率为10℃min时的动力学参数为例,温速率下a~T曲线的模型数据和实验数据吻合度将表4中的数据代入式(4)可得较好。从 dadt~T曲线可以看出,玉米秸秆出现两个反应峰,其中第一个反应峰处的模型数据和实验da1424271d t=05108×500×00e-7-(1-a)+(8)大,而在第二个反应峰处,反应峰出现的温度时刻数据吻合度较好,最大峰值所对应的温度点相差不0.4892×344×10evp/1059619出现了偏移,产生偏移的主要原因是由于在模型的计算过程中没有考虑生物质样品本身的传热性能,将实验过程中的T数据代入式(8)中,进而对由前面的分析可知,升温速率的增大会使产物析出玉米秸秆在空气气氛中的转化率进行计算,将计算和燃烧反应向高温区移动,因此模型计算结果和实所得结果和实验所得结果进行对比分析,采用 origin验结果会出现一定程度的偏差。总体而言,在不考软件绘制a~T曲线和dadt~T曲线。虑生物质样品本身传热性能的影响下,采用该模型32模型的验证对空气气氛下什物质告面过积行丰征的模拟效果由图5a~56d可以看出,玉米秸秆在4种不同升较好,模拟中国煤化工地吻合。CNMHG新能源进展第3卷0.0120010a Experimental dw/da0.010Experimental dw/drCalculated dwldtCalculated dwt0.00.004200250300350400450500200250300350400450500TCC)(a)10℃00120.010Experimental dwr0.010Calculated dwldt0.0080.0080.0020.00025030035040045050055050300350400450500550TCC)(c)20℃/min图5玉米秸秆在不同升温速率下的实验与模型DTG曲线Fig 5 Experimental and calculated DTG curves of cornstalk under different heating rates4结论动,DTG曲线中两个失重峰所对应的温度也表现出相同规律,表明在生物质热反应过程中,需选择合本文对松木、杨木和玉米秸秆三种生物质在空适的升温速率,升温速率过高反而不能较好地促进气和N2气氛下的热反应进行研究,分析了生物质种产物的析出和残炭反应。类、反应气氛、升温速率对生物质热反应过程失重(4)采用2组分动力学模型可以较好地模拟表特性的影响规律,并建立了适用于空气气氛的热反征生物质在空气气氛中的热反应失重特性,计算结应失重模型,主要得出以下结论果可以很好地与实验结果相吻合。(1)生物质在空气和N2气氛中进行的热反应过程存在较大差异,空气气氛中的TG曲线出现三个失重阶段,主失重阶段分别为挥发分的析出阶段和参考文献残炭反应阶段,对应的DTG曲线出现两个明显的失[1] Leung GCK. China' energy security: Perception andreality[]. Energy Policy, 2011, 39(3): 1330-1337.重峰;在N2气氛中则出现两个失重阶段,主失重阶[2]赵军,王述洋.我国生物质能资源与利用门太阳能段为挥发分的析出阶段,对应的DTG曲线只出现学报,2008,29(1):90-94个明显的失重峰,且空气气氛下的挥发分析出速率B]许静喻国胜,肖江生物质燃料的加工及其应用中国林业,2004,(1):31-3明显高于N2气氛。[4] Shen L, Liu L T, Yao Z J, et al. Development Potentials(2)生物质种类不同,其热反应活性也不同。and Policy Options of Biomass in china[J]挥发分含量较高的生物质反应活性更高,其挥发分Environmental Management, 2010, 46: 539-554[5]谢启弱物质中刑燃料物珊性能和燃烧D]南京的析出速率更大。南京中国煤化工(3)在空气气氛下,松木的TG曲线随着升温[6王芸,CNMH热解特性的影响门速率的增大先向低温区移动再向温度较高的一侧移中国电机工程学报,201131(26):117-123第2期蒋绍坚等:生物质成型燃料的热重分析及动力学研究[7 Chatcharin S, Tanakom W. Study of ratio of energy [13] Demirbas A Mechanisms of liquefaction and pyrolysisconsumption and gained energy during briquettingreation of biomass[]. Energy Conversionprocess for glycerin-biomass briquette fuel]. FuelManagement, 2000, 41: 633-6462014,115:186-189[14] Calvo L F, Otero M, Jenkins B M, et al. Heating process[8] Hu J J, Lei T Z, Wang Z w, et al. Economiccharacteristics and kinetics of rice straw in differenenvironmental and social assessment of briquette fuelatmospheres[]. Fuel Processing Technology, 2004, 85(4)from agricultural residues in China-A study on flat die279291briquetting using corm stalk[ Energy,2014,64(1)[15]陈海翔.生物质热解的物理化学模型及分析方法研557-566[9]刘伟军,李鹏程,郭燕.基于热分析实验的多种生物究[D]北京:中国科学技术大学,2006质燃烧特性门上海工程技术大学学报,2011,25(4)287-291作者简介:[10]胡松,付鹏,向军,等.生物质热反应机理特性研究太阳能学报,2009,30(4:509-514蒋绍坚(1963-),男,教授,主要从事高效清洁燃烧技术[l]赖艳华,吕明新,马春员,等秸秆类生物质热解特性生物质能利用技术、流程工业节能环保技术等低碳能源技术及其动力学研究门]太阳能学报,200,23(2)的研究。203-206.12]宗若雯,张小芹,李松阳,等.典型干杂类可燃物的热彭好义(1974),男,副教授,主要从事燃料燃烧与气化重分析U燃烧科学与技术,209,15(4:309-315中国煤化工CNMH

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。