劉郁玨 張涵斌 張歆然

摘要 ?利用熱重分析儀，采用熱重-差熱（DTA-TG）等現(xiàn)代分析測(cè)試手段，對(duì)石家莊近郊的水稻、小麥、玉米秸稈的熱解和燃燒特性進(jìn)行研究，確定不同升溫速率下反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明：秸稈熱解分為4個(gè)階段，即干燥階段、過(guò)渡階段、熱解階段、炭化階段。隨著升溫速率的增加，第一階段的終止溫度相似，第二至四階段中，隨升溫速率的提高，熱解起始溫度、質(zhì)量損失速率最大時(shí)候的終止溫度和最大質(zhì)量損失率均提高;秸稈燃燒隨著升溫速率的增加，秸稈的揮發(fā)分析出燃燒溫度與固定碳開(kāi)始燃燒溫度都隨之變大;研究不同升溫速率下的動(dòng)力學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)秸稈熱解和燃燒的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有所不同;對(duì)比不同種類(lèi)的秸稈燃燒與熱解的特性，發(fā)現(xiàn)同一地區(qū)的玉米稈、稻稈和麥稈這3種生物質(zhì)的熱解與燃燒規(guī)律基本一致。

關(guān)鍵詞 秸稈;熱解;燃燒;動(dòng)力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào) S216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 0517-6611（2019）04-0012-06

Abstract The thermogravimetric analyzer was used to study the pyrolysis and combustion characteristics of rice，wheat and corn stover in the suburbs of Shijiazhuang using modern analytical testing methods such as thermogravimetrydifferential heat （DTA-TG） to determine the reaction characteristics and kinetic parameters at different heating rates.The test results showed that the straw pyrolysis could ?be divided into four stages： drying stage，transition stage，pyrolysis stage and carbonization stage.As the heating rate increasing，the termination temperature of the first stage was similar.In the second to fourth stages，as the heating rate increasing，the pyrolysis initiation temperature，termination temperature of maximum mass loss rate ??，and the maximum mass loss rate all ?increased.With the increase of heating rate，the combustion temperature of straw and the combustion temperature of fixed carbon increased with the evaporation of straw.The dynamical parameters of different heating rates showed that the kinetic parameters of straw pyrolysis and combustion were different.It was ?found that the pyrolysis and combustion laws of the three biomasses of corn stalk，rice straw and wheat straw in the same area were ?basically ?same ?by comparing the characteristics of different types of straw burning and pyrolysis.

Key words Straw;Pyrogenic decomposition;Combustion;Dynamics

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈作為一種農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的副產(chǎn)品，在我國(guó)有著產(chǎn)量大、分布廣的特點(diǎn)，同時(shí)也成為一項(xiàng)重要的生物資源。秸稈露天燃燒嚴(yán)重影響大氣環(huán)境質(zhì)量。一些農(nóng)村地區(qū)將大量的廢棄麥草直接在農(nóng)地里焚燒，導(dǎo)致空氣中總懸浮顆粒數(shù)量明顯升高，對(duì)人體健康產(chǎn)生不良影響，此外還會(huì)對(duì)交通安全構(gòu)成威脅。不僅如此，目前面臨的能源危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重，石油、煤炭等不可再生能源存儲(chǔ)量正在銳減，因此利用農(nóng)村方便易得的秸稈，將其高效地轉(zhuǎn)化為可利用的潔凈的燃料，尋找一條投資省、經(jīng)濟(jì)可行、持續(xù)、清潔的能源供應(yīng)方式具有重要的意義。

生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能源消耗的14%[1]。我國(guó)華北農(nóng)村地區(qū)所產(chǎn)生的農(nóng)作物廢棄物主要以農(nóng)作物秸稈類(lèi)為主，其中玉米秸稈占有的比例較高。燃燒玉米秸稈相對(duì)于燒煤具有低污染性，其硫、氮含量低，燃燒過(guò)程中的SOx、NOx排放較少，另外對(duì)大氣的二氧化碳排放量近似等于零，可有效地減輕溫室效應(yīng)[2-3]。直接燃燒是生物質(zhì)被應(yīng)用的最簡(jiǎn)單方式，也是最早被使用的傳統(tǒng)方式，但部分生物質(zhì)作為一種低品味的燃料加以利用，燃燒效率極低，燃燒所能達(dá)到的溫度較低，極大地影響生物質(zhì)能源的工業(yè)應(yīng)用[4]。目前，中國(guó)利用秸稈直接供熱發(fā)電尚處于起步階段[5]。熱解是一個(gè)把生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用燃料的基本熱化學(xué)過(guò)程。熱解的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，可以生產(chǎn)炭和多種化工產(chǎn)品，缺點(diǎn)是利用率低，適用性小。氣化也是熱解的一種，主要是把物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)獾募夹g(shù)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)夂?，利用效率較高，用途廣泛。主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，不便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸，另外在穩(wěn)定運(yùn)行、焦油消除、氣體凈化等技術(shù)上仍需進(jìn)一步提高[6]。秸稈炭化技術(shù)也逐漸成熟，目前國(guó)內(nèi)普遍采用秸稈炭化爐[7]。

我國(guó)秸稈綜合利用技術(shù)應(yīng)用晚于北歐和北美國(guó)家。無(wú)論從環(huán)境角度還是從能源安全角度考慮，秸稈綜合利用應(yīng)引起高度重視[8-9]。該試驗(yàn)研究利用熱重分析儀，對(duì)石家莊近郊的水稻、小麥、玉米秸稈的熱解和燃燒特性進(jìn)行研究，確定不同升溫速率下反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，深入了解反應(yīng)過(guò)程及其機(jī)理，預(yù)測(cè)反應(yīng)速率及其難易程度，為這類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化設(shè)備的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)和必要的參數(shù)。

1 原料、方法和儀器

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)以河北石家莊市近郊地區(qū)的水稻、小麥、玉米秸稈為試驗(yàn)原料。試驗(yàn)前將物料粉碎并混合均勻，反復(fù)碾磨直至顆粒物料的平均密度小于0.2 mm，水分、揮發(fā)分、固定碳含量成分見(jiàn)表1?？梢钥闯鏊?、玉米秸稈的揮發(fā)分含量均高于68.00%，麥稈的揮發(fā)分較小為72.70%。而三者的固定碳都只有16%左右，所以這類(lèi)生物質(zhì)秸稈易于點(diǎn)火和燃燒，但因?yàn)楹枯^少，導(dǎo)致發(fā)熱量較低，滿足相同功率的鍋爐，秸稈需求量要大于煤炭需求量。稻稈和麥稈灰分分別為7.84%、7.20%，玉米秸稈的灰分更低，僅為2.76%。說(shuō)明秸稈燃料的燃燒產(chǎn)物不易發(fā)生結(jié)焦等現(xiàn)象，而秸稈中的水分由于秸稈狀況的不同而存在很大差異，所以只有參考意義。水分太高，不僅會(huì)影響燃料的著火，而且會(huì)產(chǎn)生大量的水蒸氣，通過(guò)煙氣帶走相當(dāng)大一部分熱量，所以要安全高效利用秸稈燃料，就必須把燃料水分含量降低到比較理想的水平。

1.2 熱重分析技術(shù)和熱重分析儀

熱重法（thermo gravimetry，TG）是在程序控制溫度下測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度關(guān)系的一種技術(shù)。用于熱重法的儀器是熱天平，它能連續(xù)記錄質(zhì)量與溫度的函數(shù)關(guān)系（TG曲線）。工作時(shí)，一般以程序控制溫度的方式來(lái)加熱或冷卻樣品，或使樣品保持在某個(gè)恒定的溫度，或進(jìn)行某種程序的循環(huán)。熱重法記錄的熱重曲線以質(zhì)量（m）為縱坐標(biāo)（從上到下質(zhì)量減少），以溫度（T或θ）或時(shí)間（t）為橫坐標(biāo)（從左到右溫度增加），即m—T（或θ）曲線。

微商熱重法（DTG）又稱(chēng)導(dǎo)數(shù)熱重法，是記錄TG曲線對(duì)溫度或時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)的一種方法，即質(zhì)量變化速率作為溫度或時(shí)間的函數(shù)被連續(xù)記錄下來(lái)。熱重曲線中質(zhì)量（m）對(duì)時(shí)間（t）進(jìn)行一次微商，從而得到dm/dt-T（或t）曲線，稱(chēng)為微商熱重（DTG）曲線，它表示質(zhì)量隨時(shí)間的變化率（失重速率）與溫度（或時(shí)間）的關(guān)系，相應(yīng)地稱(chēng)為微商熱重曲線表示結(jié)果的熱重法為微商熱重法。

該驗(yàn)采用日本島津生產(chǎn)的DTG-60H型差熱、熱重同步測(cè)定裝置。該儀器能在高溫條件下對(duì)微量試樣同時(shí)進(jìn)行TG、DTG的技術(shù)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 熱解和燃燒特性試驗(yàn)的操作條件

在熱解試驗(yàn)中，通入40 mL/min 的氮?dú)饬?在室溫下以分別10、15、20 ?℃/min 的升溫速率將水稻、小麥、玉米樣品加熱至分解完全。熱分析溫度范圍為室溫～600 ?℃中停留時(shí)間為10 min。試驗(yàn)時(shí)，熱天平自動(dòng)記錄重量的變化信號(hào)。每個(gè)試驗(yàn)完成后做一個(gè)相同的空白試驗(yàn)消除系統(tǒng)誤差。

在燃燒試驗(yàn)中，熱天平通入干燥合成空氣40 mL/min。在室溫下以分別10、15、20 ?℃/min 的升溫速率分別加熱水稻、小麥、玉米秸稈樣品直至完全燃燒殆盡，熱分析范圍為室溫～600 ℃，在600 ℃時(shí)停留10 min。試驗(yàn)時(shí)，熱天平自動(dòng)記錄重量的變化信號(hào)。每個(gè)試驗(yàn)完成后也需做一個(gè)相同的空白試驗(yàn)消除系統(tǒng)誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 秸稈粉末熱解特性分析

2.1.1 不同升溫速率下稻稈熱解的TG-DTG曲線分析。

熱重分析儀測(cè)定的水稻秸稈在不同升溫速率下的試驗(yàn)結(jié)果，如圖1所示?？梢钥闯鏊窘斩捲诓煌郎厮俾氏碌臒峤庖?guī)律基本相似。其熱解過(guò)程隨著溫度升高可以大致分為4個(gè)階段：第一階段溫度為干燥階段，在30～120 ℃，其失重率為總質(zhì)量的8%左右，此階段失重是由水分引起的;水分蒸發(fā)，重量迅速減少。隨著升溫速率的增加，最終溫度大致相同。第二階段的溫度為過(guò)渡階段，在120～260 ℃，其失重率為總質(zhì)量的11%左右。隨升溫速率增加，最終溫度出現(xiàn)增高趨勢(shì)。第三階段的溫度為熱解階段，在260～320 ℃，并且隨著升溫速率的增加，此階段的終止溫度向高溫方向偏移。主要是固定碳的熱解，其失重率約為總體重量的43%。隨升溫速率增加，最終溫度也出現(xiàn)明顯的增高趨勢(shì)。第4階段的溫度為炭化階段，在320～600 ℃，隨著升溫速率的增加，這個(gè)階段的結(jié)束溫度向高溫方向偏移會(huì)更加嚴(yán)重。失重率約為整個(gè)總重的38%。在第四階段中，升溫速率在10 ℃/min時(shí)，約在480.84 ℃出現(xiàn)失重平臺(tái)（圖1a）;升溫速率為15 ℃/min時(shí)，約在516.78 ℃出現(xiàn)失重平臺(tái)（圖1b）;升溫速率為20 ℃/min時(shí)，約在539.32 ℃出現(xiàn)失重平臺(tái)（圖1c）。剩下的是灰分。這都是由于升溫速率的增加對(duì)秸稈熱解有一個(gè)延遲現(xiàn)象而導(dǎo)致的，這種延遲現(xiàn)象非常明顯。

將各個(gè)階段終止溫度匯總對(duì)比（表2），發(fā)現(xiàn)第一階段終止溫度相似，而第二、三、四階段終止溫度隨著升溫速率的增加明顯增加，出現(xiàn)了熱解延遲現(xiàn)象。隨著升溫速率的增大，波谷值在遞減（圖1），20 ℃/min時(shí)的波谷值明顯低于前兩者，失重更加明顯。

2.1.2 秸稈熱解動(dòng)力學(xué)研究。

在熱重法分析生物質(zhì)受熱失重過(guò)程中，常用式（1） 所示的動(dòng)力學(xué)方程模擬失重現(xiàn)象[10-11]。

為了消除水分及灰分對(duì)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果的影響，只對(duì)主要熱解區(qū)間（200～500 ℃）進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算。以升溫速率20 ℃ / min 為例，采用不同模型對(duì)熱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到的曲線如圖2所示。表4列出了采用不同模型得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。根據(jù)各方程的回歸系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差，再通過(guò)Malek法對(duì)模型方程進(jìn)行篩選，最終發(fā)現(xiàn)用模型F1模擬效果最好。表5為用選定的模型方程對(duì)秸稈不同升溫速率下的熱重試驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算得到的參數(shù)。由表5可見(jiàn)，不同升溫速率下的活化能E 和頻率因子A 的變化趨勢(shì)一致，E 增加則A 也增加，同樣，E 減小A 也減小，其他文獻(xiàn)把這種關(guān)系稱(chēng)為動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)[14]。通過(guò)曲線擬合可以得到兩者的動(dòng)力學(xué)補(bǔ)償效應(yīng)表達(dá)式為：lnA=0.180 6E-0.256 8，R2=0.999 4。

隨著升溫速率的增加，活化能不斷增加，表示升溫速率越快，反應(yīng)所需的條件越苛刻，反應(yīng)越難進(jìn)行。

2.1.3 不同種類(lèi)秸稈熱解特性的比較。

對(duì)不同生物質(zhì)秸稈的熱解特性進(jìn)行研究，是為了找出各秸稈的特質(zhì)，在設(shè)計(jì)的時(shí)候方便根據(jù)不同樣品進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)定。但大體上來(lái)說(shuō)，同一地區(qū)的小麥、水稻、玉米秸稈的熱解性質(zhì)基本一致。

從圖3a的TG曲線可知，在10 ℃/min的升溫速率下，第一階段干燥中，玉米、麥稈、稻稈的TG曲線相似，表示三者含水量相近，失重率也表現(xiàn)的很相近。第二階段過(guò)渡階段中，玉米先失重，且失重比麥稈和稻稈劇烈，這是由于玉米秸稈的揮發(fā)分含量大，因此析出速率大，失重現(xiàn)象更加明顯。第三階段熱解階段中，玉米秸稈與麥稈曲線相近，稻稈失重相對(duì)較小一些，這是由于稻稈的固定碳含量較少一些。第四階段炭化階段中，玉米所剩質(zhì)量最少，玉米灰分最少，稻稈最多。這與工業(yè)分析中的成分比例成對(duì)應(yīng)關(guān)系。也很明顯地反映秸稈熱解的4個(gè)階段，證明前面分析的結(jié)論是正確的。

2.2 秸稈粉末燃燒特性

燃燒反應(yīng)速度主要與反應(yīng)物的溫度與濃度，特別是著火過(guò)程中溫度有關(guān)。升溫速率是熱重分析法中重要的參數(shù)，它模擬著火燃燒過(guò)程中的溫度條件，即實(shí)際燃燒過(guò)程中的爐膛溫度條件。升溫速率影響揮發(fā)分的析出，而揮發(fā)分在秸稈的著火與穩(wěn)定燃燒中起重要作用，所以升溫速率對(duì)于秸稈的燃燒過(guò)程起著非常重要的影響[15-16]。

2.2.1 不同升溫速率下的TG-DTG曲線分析。秸稈燃燒過(guò)程分為2個(gè)明顯的階段，第一階段是揮發(fā)物質(zhì)析出階段，此階段揮發(fā)性的有機(jī)物質(zhì)受熱開(kāi)始析出。第二階段為固定碳燃燒階段，隨著溫度的升高，固定碳開(kāi)始著火燃燒。為研究不同升溫速率下秸稈的燃燒表現(xiàn)，在其他條件相同的情況下，選取水稻秸稈在10、15、20 ℃/min下的TG-DTG圖進(jìn)行分析。

由圖4a可知，升溫速率為10 ℃/min時(shí)，在263.92 ℃和441.66 ℃的位置存在2個(gè)谷值，對(duì)應(yīng)著TG曲線上面的2個(gè)拐點(diǎn)。第一個(gè)谷值明顯低過(guò)第2個(gè)谷值，說(shuō)明揮發(fā)分的燃燒相對(duì)固定碳的燃燒來(lái)說(shuō)更加迅速，更加的猛烈。同時(shí)可以看到2個(gè)波峰底部都非常狹窄，可以在某種意義上說(shuō)明它們?nèi)紵臏囟葏^(qū)域比較集中，燃燒階段區(qū)別非常明顯。從圖中的TG曲線可以看到2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，代表著燃燒過(guò)程的2個(gè)重要階段。樣品在230.42 ℃左右時(shí)開(kāi)始快速失重，這時(shí)候是揮發(fā)分的析出燃燒。揮發(fā)分的析出過(guò)程非常迅速，在TG曲線263.92 ℃時(shí)出現(xiàn)了第1個(gè)拐點(diǎn)，揮發(fā)分析出開(kāi)始變緩。到了415.67 ℃時(shí)，失重過(guò)程再次加速，441.66 ℃出現(xiàn)第2個(gè)拐點(diǎn)，失重速率再次變緩，這個(gè)時(shí)候?yàn)楣潭ㄌ嫉娜紵е?，這個(gè)過(guò)程持續(xù)到510.35 ℃。510.35 ℃以后失重較少，TG曲線趨近于平坦，失重過(guò)程基本結(jié)束。

由圖4b可知，升溫速率15 ℃/min，時(shí)TG曲線可以看到2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，代表著燃燒過(guò)程的2個(gè)重要階段。同樣的樣品在209.48 ℃左右時(shí)開(kāi)始快速失重，這時(shí)候是揮發(fā)分的析出燃燒。揮發(fā)分的析出過(guò)程非常迅速，在TG曲線245.85 ℃時(shí)出現(xiàn)了第1個(gè)拐點(diǎn)，揮發(fā)分析出開(kāi)始變緩。到了340.77 ℃時(shí)，失重過(guò)程再次加速，426.42 ℃出現(xiàn)第2個(gè)拐點(diǎn)，失重速率再次變緩，這個(gè)過(guò)程持續(xù)到516.7 ℃。516.7 ℃以后失重較少，TG曲線趨近于平坦，失重過(guò)程基本結(jié)束。圖4b中的DTG曲線可以明顯地看到在277.04 ℃和444.28 ℃的位置存在2個(gè)谷值，對(duì)應(yīng)著TG曲線上面的2個(gè)拐點(diǎn)。

由圖4c可知，升溫速率20 ℃/min時(shí)，類(lèi)似于10、15 ℃/min時(shí)的TG-DTG曲線，在TG曲線圖中看到2個(gè)明顯的拐點(diǎn)，揮發(fā)分的析出燃燒大約在230.61 ℃，在TG曲線253.49 ℃時(shí)出現(xiàn)了第1個(gè)拐點(diǎn)，揮發(fā)分析出開(kāi)始變緩。到了351.15 ℃時(shí)加速，450.25 ℃出現(xiàn)第2個(gè)拐點(diǎn)，失重速率再次變緩，這個(gè)過(guò)程持續(xù)到539.32 ℃。539.32 ℃以后失重較少，TG曲線趨近于平坦，失重過(guò)程基本結(jié)束。圖4c中的DTG曲線中2個(gè)谷值對(duì)應(yīng)的溫度分別為278.93 ℃和442.82 ℃，也對(duì)應(yīng)著TG曲線上面的2個(gè)拐點(diǎn)。

將10、15、20 ℃/min時(shí)各谷值和拐點(diǎn)溫度對(duì)比，如表6所示，隨著升溫速率的增加，秸稈的揮發(fā)分析出燃燒溫度與固定碳開(kāi)始燃燒溫度都隨之變大。15 ℃/min的TG曲線相對(duì)而言更加靠近10 ℃/min一點(diǎn)，3個(gè)升溫速率下拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度隨著升溫速率增加時(shí)逐漸遞減，所以升溫速率的增加對(duì)燃燒的影響不是線性的，在一定范圍內(nèi)升溫速率越快，燃燒延遲現(xiàn)象越嚴(yán)重。10和15 ℃/min的數(shù)值都非常的接近，而20 ℃/min時(shí)的數(shù)值較前2種升溫速率時(shí)的數(shù)值相差較大一點(diǎn)，20 ℃/min的谷值要遠(yuǎn)大于10和15 ℃/min時(shí)的谷值。說(shuō)明隨著升溫速率的增加，揮發(fā)分的析出燃燒與固定碳的燃燒速率都變大，燃燒過(guò)程更加的劇烈，而且在一定范圍內(nèi)，升溫速率的邊際效益是增加的，即升溫速率越高，增加相同變量時(shí)，燃燒速率變化越大。

對(duì)于升溫速率對(duì)秸稈燃燒的影響可以歸結(jié)為：隨著升溫速率的增加，揮發(fā)分的析出燃燒延遲;隨著升溫速率的增加，秸稈燃燒速度也隨之增加，而且邊際效益增加。

2.2.2 秸稈燃燒動(dòng)力學(xué)研究。

在熱重法分析生物質(zhì)燃燒受熱失重過(guò)程中，同樣常采用式（1） 所示的動(dòng)力學(xué)方程來(lái)模擬失重現(xiàn)象[12，17]。

從表7所列的3種常見(jiàn)模型中選擇適于生物質(zhì)熱解失重行為的反應(yīng)模型。除了根據(jù)相關(guān)系數(shù)外，還采用Malek法來(lái)選取反應(yīng)模型[13]將人為數(shù)據(jù)αi，y（αi），i=1，2，…和α=0.5，T0.5，（dαdt）0.5，代入y（α）=（TT0.5）2dαdt（dαdt）0.5，作出y（）-α標(biāo)準(zhǔn)曲線。在y（）-α曲線群中，與試驗(yàn)曲線最為接近的那條標(biāo)準(zhǔn)曲線所對(duì)應(yīng)的機(jī)理函數(shù)最為合理。

為消除水分及灰分對(duì)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果的影響，只對(duì)主要熱解區(qū)間（200～500 ℃）進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算。以升溫速率20 ℃/min 為例，采用不同模型對(duì)熱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到曲線如圖5所示。表8列出了采用不同模型得到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。根據(jù)各方程的回歸系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)偏差，再通過(guò)Malek法對(duì)模型方程進(jìn)行篩選，最終發(fā)現(xiàn)用模型F1模擬效果最好。

2.2.3 不同種類(lèi)秸稈燃燒特性比較。

對(duì)生物質(zhì)秸稈的燃燒特性進(jìn)行研究，是為了找出各秸稈的特質(zhì)，以根據(jù)不同樣品進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。但大體上來(lái)說(shuō)，同一地區(qū)的小麥、水稻、玉米秸稈的性質(zhì)基本一致。

如圖6a所示，在10 ℃/min的升溫速率下，水稻、小麥、玉米秸稈的DTG曲線非常相似，都在263.92 ℃和441.66 ℃左右到達(dá)谷值。其中玉米和水稻秸稈的曲線較小麥來(lái)說(shuō)更為靠近，玉米和水稻的第一谷值數(shù)值相近，麥稈的谷值比玉米和水稻低很多，為-12.00。這是因?yàn)辂湺挼膿]發(fā)分比前兩者的含量都大，在第一階段，析出揮發(fā)分更多，揮發(fā)分的析出燃燒速率大，失重現(xiàn)象更加明顯。而稻稈和麥稈的第二谷值數(shù)值較為接近，玉米第二谷值較為偏低，為-5.15。這是因?yàn)橛衩椎墓潭ㄌ己勘容^多，在第二階段即固定碳燃燒階段中，燃燒較為劇烈，失重也更顯著。

如圖6b所示，10 ℃/min的升溫速率下，水稻、小麥、玉米秸稈的TG曲線十分相近，麥稈較其他兩者的揮發(fā)分的析出較為延遲。稻稈的固定碳著火點(diǎn)比其他兩者更高一點(diǎn)，玉米秸稈燃燒剩余的灰分更少。

3 總結(jié)與討論

在對(duì)秸稈進(jìn)行熱重分析的基礎(chǔ)上，從動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)其熱解與燃燒的過(guò)程進(jìn)行分析研究，得出的主要結(jié)論如下：

（1）由秸稈熱解的熱重分析TG-DTG曲線可以看出，秸稈熱解分為4個(gè)階段：干燥階段、過(guò)渡階段、熱解階段、炭化階段。隨著升溫速率的增加，第一階段的終止溫度相似，第二至四階段中，隨升溫速率的提高，熱解起始溫度、質(zhì)量損失速率最大時(shí)候的終止溫度、最大質(zhì)量損失率均提高。這可以解釋為一種延遲現(xiàn)象，升溫速率慢熱解相對(duì)更加徹底一些。

（2）由秸稈燃燒的熱重分析TG-DTG曲線可以看出，隨著升溫速率的增加，秸稈的揮發(fā)分析出燃燒溫度與固定碳開(kāi)始燃燒溫度都隨之變大。升溫速率的增加對(duì)燃燒的影響不是線性的，在一定范圍內(nèi)升溫速率越快，燃燒延遲現(xiàn)象越嚴(yán)重。隨著升溫速率的增加，揮發(fā)分的析出燃燒與固定碳的燃燒速率都變大，燃燒過(guò)程更加的劇烈，而且在一定范圍內(nèi)，升溫速率的邊際效益是增加的，即升溫速率越高，增加相同變量時(shí)，燃燒速率變化越大。對(duì)于升溫速率對(duì)秸稈燃燒的影響可以歸結(jié)為：隨著升溫速率的增加，揮發(fā)分的析出燃燒延遲;隨著升溫速率的增加，秸稈燃燒速度也隨之增加，而且邊際效益增加。

（3）根據(jù)Coats-Redgern采用連續(xù)的一級(jí)反應(yīng)過(guò)程對(duì)秸稈的熱重試驗(yàn)（熱解與燃燒）的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，并用Malek方法選出F1（一級(jí)反應(yīng)模型）為最合適的機(jī)理方程。因此得出不同升溫速率下的動(dòng)力學(xué)模型。該模型雖然不能完全涵蓋熱解機(jī)理，但模型相對(duì)簡(jiǎn)單，可用于秸稈熱解裝置的設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化。

（4）不同升溫速率下所得熱解和燃燒的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有所

不同，但是活化能和頻率因子均隨升溫速率的增加而增大;無(wú)論是熱解反應(yīng)還是燃燒反應(yīng)，隨著升溫速率的增加，反應(yīng)

所需的活化能也在增加，表明升溫速率高的反應(yīng)比升溫速率低的反應(yīng)更難進(jìn)行，同時(shí)需要的條件更為苛刻，需要特別考慮;對(duì)比熱解和燃燒所需的活化能，發(fā)現(xiàn)熱解比燃燒所需的活化能低，表明熱解反應(yīng)比較容易進(jìn)行。

（5）通過(guò)對(duì)比不同種類(lèi)的秸稈燃燒與熱解的特性發(fā)現(xiàn)：同一地區(qū)的玉米稈、稻稈和麥稈3種生物質(zhì)的熱解與燃燒規(guī)律基本一致。

生物質(zhì)作為一種可再生資源，目前全世界對(duì)它的研究才剛成型，并未進(jìn)行規(guī)模化的投產(chǎn)。在能源供應(yīng)十分緊張的條件下，對(duì)生物能源的研究開(kāi)發(fā)更需要加快腳步，而秸稈作為生物質(zhì)能源的最主要成分，更需要尋求工業(yè)化投產(chǎn)的道路。

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