摘要：
通過熱重分析方法研究了不同種類的生物質(zhì)在不同燃燒條件下的燃燒過程及其動(dòng)力學(xué)特性。在升溫速率分別為20、30和40℃／min，加熱終溫900℃的條件下，得到了不同種類的生物質(zhì)燃燒的TG、DSC曲線，研究了加熱速率和含氧量對(duì)燃燒過程的影響，建立了生物質(zhì)燃燒的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，由Coats-Redfern積分法得到了生物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)，分析了不同試樣的活化能和頻率因子。
隨著化石能源日趨減少和人類大量使用礦物燃料帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)重，特別是近幾年石油和煤炭價(jià)格直線上升，迫使各國政府開始關(guān)心、重視替代能源生物質(zhì)能源的開發(fā)利用。我國生物質(zhì)資源豐富，僅農(nóng)作物秸桿年產(chǎn)量就達(dá)6億t以上，并且生物質(zhì)是一種可再生能源，資源豐富，品種多樣。生物質(zhì)能最常用的利用方式還是直接燃燒，而大規(guī)模的集中燃燒包括用于工業(yè)爐燃燒和與煤炭混燒。
因非等溫?zé)嶂卦囼?yàn)可以消除樣品間的誤差，所以文章對(duì)不同種類的生物質(zhì)在氮?dú)馀c氧氣混合氣氛中進(jìn)行了不同升溫速率下的非等溫?zé)嶂卦囼?yàn)。并采用Coats-Redfern法得到了反映各種生物質(zhì)燃燒特性的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，為設(shè)計(jì)和開發(fā)燃燒不同種類的生物鍋爐提供理論支持。
1.實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)采用的生物質(zhì)分別為加工過的鋸末顆粒、刨花顆粒、稻殼顆粒和秸稈顆粒以及未加工的鋸末和稻殼，在進(jìn)行試驗(yàn)之前將樣品磨細(xì)并混合均勻。試樣粒徑小于100目，每次稱取試樣15±0.5mg。生物質(zhì)工業(yè)分析見表1。
生物質(zhì)的熱重分析采用的儀器是由德國耐馳公司生產(chǎn)的409PC熱重分析儀。儀器測定的溫度范圍：20～1550℃，加熱速率范圍：0.1～50K／min。試樣的起始溫度為35℃，終止溫度為900％，升溫速度為20、30和40℃／min，載氣為氮?dú)馀c氧氣混合氣體，氧氣含量為15％、20％和33％。
2.結(jié)果與分析
2.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果
生物質(zhì)成型顆粒燃料具有高的含氧量和高的有機(jī)揮發(fā)分，將在燃燒階段產(chǎn)生大量的揮發(fā)物氣體。既發(fā)生在燃料加熱熱解過程釋放的揮發(fā)分氣相燃燒，同時(shí)在焦炭氧化過程發(fā)生固體多相燃燒。揮發(fā)分的燃燒非常迅速，幾乎同揮發(fā)分析出速度一樣，而焦炭的氧化則要慢得多。生物質(zhì)燃燒可分為3個(gè)階段，第1個(gè)階段為脫水階段，第2個(gè)階段為揮發(fā)分析出燃燒階段，第3個(gè)階段為焦炭燃燒階段。
2.1.1生物質(zhì)顆粒在不同升溫速度下的燃燒特性
助燃?xì)怏w為含氧量為20％的氧氣與氮?dú)饣旌蠚怏w，由生物質(zhì)顆粒在不同升溫速度的條件下燃燒的TG和DSC曲線可知，升溫速度對(duì)生物質(zhì)顆粒燃燒有較大的影響。隨著升溫速度不斷增加，不同種類的生物質(zhì)顆粒的燃盡溫度都有所增加。生物質(zhì)顆粒的燃燒最終殘余物質(zhì)量也隨著升溫速度不斷提高開始增加，但是增加的幅度不是很明顯，其中當(dāng)升溫速度設(shè)置為20℃·min-1時(shí)，生物質(zhì)顆粒的燃燒最終殘余物質(zhì)量最大。升溫速度的提高使生物質(zhì)的失重速率也隨之提高。升溫速度為30℃·min-1時(shí)的失重速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他2種升溫速度，TG曲線也比其他2種更為光滑。
升溫速度對(duì)于生物質(zhì)顆粒的DSC曲線也有明顯的影響。在采取較低的升溫速度時(shí)，不同種類的生物質(zhì)燃燒都呈現(xiàn)出2個(gè)明顯的放熱峰。隨著升溫速度的不斷提高，原本2個(gè)較為明顯放熱波峰開始相互重疊。第一個(gè)放熱波峰出現(xiàn)時(shí)的溫度開始增加。其中鋸末顆粒，在升溫速度為20℃·min-1時(shí)，2個(gè)明顯的放熱波峰已經(jīng)變?yōu)?個(gè)放熱峰。其他3種的生物質(zhì)顆粒的DSC曲線在升溫速度為30℃·min-1時(shí)，2個(gè)放熱波峰已經(jīng)不是很明顯了，其中秸稈顆粒的DSC曲線的放熱波峰幾乎變?yōu)?個(gè)。
2.1.2生物質(zhì)顆粒在不同氧含量中的燃燒特性
由升溫速度為20℃·min-1，不同種類的生物質(zhì)顆粒在含氧量分別為15％、20％、33％時(shí)燃燒的TG和DSC曲線可以，不同的含氧量對(duì)生物質(zhì)顆粒燃燒的TG和DSC曲線較為明顯的影響。
助燃?xì)怏w中的含氧量不斷增加，使不同種類的生物質(zhì)顆粒的燃盡溫度都有所降低。而對(duì)于不同種類的生物質(zhì)顆粒的燃燒最終殘余物質(zhì)量的影響則不盡相同。含氧量的變化對(duì)于鋸末顆粒和稻殼顆粒最終殘余物質(zhì)量影響較小，這兩種生物質(zhì)顆粒的最終殘余物質(zhì)量基本保持不變。而對(duì)于刨花顆粒，燃燒在含氧量為20％時(shí)的最終殘余物質(zhì)量最大。秸稈顆粒隨著含氧量的不斷提高，最終殘余物質(zhì)量也不斷增大，在含氧量為33％時(shí)達(dá)到最大。
含氧量的不同對(duì)于失重速率的影響也有所不同，鋸末顆粒、刨花顆粒和
稻殼顆粒燃料隨著含氧量的增加，失重速率也不斷加大。其中，刨花顆粒和稻殼顆粒的失重速率在含氧量為15％和20％時(shí)變化不大。但是當(dāng)含氧量提高為33％時(shí)，這兩種生物質(zhì)顆粒的失重速率明顯變大。含氧量的提高對(duì)秸稈顆粒的失重速率的影響則較小，秸稈顆粒的失重速率基本保持不變。
含氧量對(duì)于生物質(zhì)顆粒的DSC曲線有明顯的影響。助燃其他的含氧量不斷增加，不同種類的生物質(zhì)顆粒的放熱峰值也隨之不斷提高，當(dāng)含氧量為33％時(shí)，生物質(zhì)顆粒燃燒的放熱峰值達(dá)到最大。而放熱峰值達(dá)到最大時(shí)的溫度也隨含氧量的增加逐漸降低，在含氧量為33％時(shí)，溫度最低。
含氧量的不同，對(duì)于不同種類的生物質(zhì)顆粒的DSC曲線的波峰的影響也不相同。含氧量的變化對(duì)鋸末顆粒的DSC曲線的波峰影響較小，鋸末顆粒的DSC曲線始終呈現(xiàn)1個(gè)放熱波峰。刨花顆粒在含氧量較低時(shí)，DSC曲線呈現(xiàn)出2個(gè)明顯的放熱波峰。而在含氧量為33％時(shí)，則只有1個(gè)放熱波峰。稻殼顆粒的DSC曲線的放熱波隨著含氧量增大，開始變陡，放熱速率逐漸增大。隨著含氧量的增加秸稈顆粒的DSC曲線的放熱波峰，逐漸明顯起來。而它的放熱峰值在含氧量為33％，達(dá)到最大。
2.1.3經(jīng)過加工的生物質(zhì)顆粒與未加工過的生物質(zhì)的燃燒特性比較
燃燒環(huán)境：升溫速度為20℃·min-1，助燃?xì)怏w的含氧量為20％。由不同加工工藝的生物質(zhì)燃燒的TG和DSC瞌線可以，生物質(zhì)是否經(jīng)過加工處理，其燃燒的特性曲線有明顯的區(qū)別。鋸末經(jīng)過加工成型處理之后，TG曲線較比未經(jīng)過加工處理的更為光滑。鋸末的DSC曲線也有明顯變化。未經(jīng)過加工處理的鋸末的DSC曲線呈現(xiàn)2個(gè)明顯的放熱波峰，而經(jīng)過加工成型處理之后，鋸末DSC曲線則有1個(gè)明顯的放熱波峰。
經(jīng)過加工成型處理的稻殼和未加工的稻殼的TG曲線有較明顯區(qū)別。經(jīng)過加工后的稻殼的燃燒最終殘余物質(zhì)量，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于未加工的稻殼，而且經(jīng)過加工的鋸末的燃盡溫度也要比未加工的鋸末有所提高。稻殼的DSC曲線區(qū)別也比較明顯。未經(jīng)過加工處理的鋸末的DSC曲線呈現(xiàn)2個(gè)明顯的放熱波峰，第1個(gè)放熱波峰和第2個(gè)放熱波峰差別較大。而經(jīng)過加工成型處理之后，鋸末DSC曲線有2個(gè)相差不大的放熱波峰。
2.2生物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)特性參數(shù)
2.2.1生物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué)模型
生物質(zhì)顆粒燃料燃燒動(dòng)力學(xué)模型的動(dòng)力學(xué)參數(shù)是隨試驗(yàn)條件改變的，這就要對(duì)每一個(gè)熱重試驗(yàn)先做出燃燒動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)曲線，以求得E、A值，來求出燃燒動(dòng)力學(xué)模型。熱分析動(dòng)力學(xué)研究大都基于這樣一個(gè)最基本假設(shè)：
2.2.2燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)求解
實(shí)驗(yàn)所得不同種類的生物質(zhì)顆粒在不同的燃燒狀態(tài)的燃燒動(dòng)力學(xué)常數(shù)見表2。
3.結(jié)論
(1)不同升溫速度對(duì)生物質(zhì)的燃盡溫度和最終殘余物質(zhì)量有影響，升溫速度越快，燃盡溫度越高，最終殘余物質(zhì)量也越大。
(2)生物質(zhì)在燃燒過程中一般有2個(gè)反應(yīng)階段。第1個(gè)階段是揮發(fā)分的燃燒。第2個(gè)是焦炭的氧化。但是升溫速度的提高和含氧量的提高，可以這兩個(gè)階段也不斷相互重疊，二者的區(qū)別不斷減。
(3)助燃?xì)怏w中的含氧量對(duì)生物質(zhì)的燃盡溫度有一定影響，但是對(duì)于最終殘余物質(zhì)量的影響，不同種類的生物質(zhì)試樣不盡相同。
(4)不同種類的生物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)表明在不同燃燒條件下，生物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)不盡相同。
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