第26卷第l1期中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)VoL 26 No, 11 Jun, 2006006年6月Proceedings of the CSEE@2006 Chin. Soc. for elec文章編號(hào):0258-8013(2006)11006505中圖分類(lèi)號(hào):TK6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A學(xué)科分類(lèi)號(hào):47010王草的熱解與燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究蒲舸,張力,辛明道(重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院,重慶市沙坪壩區(qū)400030Experimental Study on Pyrolysis and Combustion Characteristic of King grassPU Ge, ZHANG Li, XIN Ming-d(College of Power Engineering, Chongqing University, Shapingba District, Chongqing 400030, China)ABSTRACT: With a thermogravimetric analysis apparatus關(guān)鍵詞:生物質(zhì);熱重分析;熱解特性;燃燒特性pyrolysis characteristic experiments of King grass were done at0引言different heating rates, which were 10, 20 and 30C/min, andthe combustion characteristic experiment was done at 20C/min能源是人類(lèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步不可或缺的支heating rate. Then the characteristic parameters were obtained柱。但是煤炭、石油、天然氣等化石能源由于本身by above experiments. The activation energy of pyrolysis and的有限性必定會(huì)枯竭。而且化石在燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)combustion were acquired by kinetics analysis· The results生較為嚴(yán)重的環(huán)境污染,因此發(fā)展相對(duì)比較清潔、show that the pyrolysis process of King grass includes three可再生的替代能源已經(jīng)顯得非常急迫。生物質(zhì)是phases; which are heating and desiccation phase, volatle種可再生的燃料,熱值與中等煙煤相當(dāng);在其利用mpounds release phase and carbonization phase. Main過(guò)程中,對(duì)大氣環(huán)境的CO2凈排放量為零,不會(huì)象weight loss takes place in volatile compounds release phaseWhen the heating rate increases, all pyrolysis characteristie化石燃料燃燒一樣引起和加劇溫室效應(yīng);燃燒過(guò)程temperatures of King grass rise. There are two obvious we中SO、NO2排放較低,因此,隨著國(guó)際對(duì)Soss processes in combustion curve of King grass, and twice NO4及CO2排放的控制,生物質(zhì)能的合理利用日益ignition happens in combustion process of King grass. Latter引起公眾的重視,是國(guó)際上作為煤、石油等的替代summit of differential thermal analysis (dTA) curve of King燃料的研究方向之一。目前,生物質(zhì)能利用總量還grass combustion is higher than forme, which indicates that不到生物質(zhì)所能產(chǎn)生的總能量的1%,生物質(zhì)能的heat output of the fixed carbon combustion is higher than開(kāi)發(fā)利用前景十分廣闊volatile compounds combustion. The experimental results can以前對(duì)生物質(zhì)的利用主要是農(nóng)作物秸稈、林業(yè)provide direction for utilization of King grass as an energy加工的附產(chǎn)品,但據(jù)報(bào)道,今后10年內(nèi),北美和歐洲國(guó)家可能會(huì)開(kāi)始大量種植一種名為象草(又名KEY WORDS: biomass; thermogravimetric analysis; pyrolysi紫狼尾草)的速生能量植物( fast growing energycharacteristic: combustion characteristicplants)2作為燃料發(fā)電,替代一部分煤炭和石油。摘要:采用熱重分析儀以10、20、30℃min的溫升速率對(duì)據(jù)統(tǒng)計(jì),種植1公頃的象草,將它加工后所產(chǎn)生的王草進(jìn)行了熱解特性實(shí)驗(yàn),以20℃/mim的溫升速率進(jìn)行了能量可替代36桶石油。英國(guó)政府稱(chēng)2005年已建成燃燒特性實(shí)驗(yàn),得到熱解與燃燒的特性參數(shù)。通過(guò)動(dòng)力學(xué)分首個(gè)利用燃燒象草(由當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植并出售給發(fā)電析得到熱解與燃燒的活化能等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。研究結(jié)果表明王草的熱解過(guò)程可分為3個(gè)階段:預(yù)熱干燥階段、揮發(fā)分析產(chǎn)生的能量進(jìn)行發(fā)電的發(fā)電站。電站的裝機(jī)容量出階段、碳化階段,熱解失重主要發(fā)生在揮發(fā)分析出階段。為2MW,建成后,每年將能夠運(yùn)行800,經(jīng)過(guò)燃隨著溫升速率的上升,王草各熱解特征溫度都有所升高,王燒草料產(chǎn)生的電能將能滿(mǎn)足20個(gè)家庭的電力需草燃燒曲線(xiàn)有2個(gè)明顯的失重過(guò)程,存在二次著火現(xiàn)象.王求。這是世界上對(duì)種植的速生能量植物利用的一次草燃燒差熱(DTA曲線(xiàn)后面放熱峰明顯大于前面的放熱峰,有益嘗試表明固定碳燃燒放熱量大于揮發(fā)分燃燒放熱量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可我國(guó)的重慶、江西、江蘇、內(nèi)蒙等多個(gè)省、市、以為王草的能源化利用提供指導(dǎo)。區(qū)進(jìn)行了引種雜交狼尾草(王草中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)第26卷等牲畜飼料。它是以象草為母本,美洲狼尾草為父h6DTG曲線(xiàn))隨溫度的變化曲線(xiàn)本雜交而成的多年生禾本科植物,株高2m以上,做燃燒特性實(shí)驗(yàn)時(shí),熱天平通以流量為高的可達(dá)5m,適應(yīng)性廣,耐旱性強(qiáng),采用刈割方80mL/min的干燥空氣,使試樣在空氣氛圍中以20式,每畝年產(chǎn)青草可達(dá)1500kg以上國(guó),產(chǎn)量高于℃/min的一定速度連續(xù)升溫,用熱分析儀記錄試樣象草。收獲后的干草能利用現(xiàn)有技術(shù)制成燃料用于質(zhì)量mrTG曲線(xiàn))、質(zhì)量變化率rDTG曲線(xiàn))電廠(chǎng)發(fā)電,具有很高的能源利用價(jià)值。與差熱 VETA DTA曲線(xiàn))隨溫度的變化曲線(xiàn)在我國(guó)適合王草生長(zhǎng)的地區(qū)利用閑置土地種植王草,利用生物質(zhì)氣化技術(shù),將王草氣化后產(chǎn)生3熱解特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析的燃?xì)庾鳛檗r(nóng)民燃料,或者將大規(guī)模種植的王草與31熱解特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果農(nóng)作物秸稈一起作為發(fā)電燃料,不僅能夠很好滿(mǎn)足王草由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及各種提取當(dāng)?shù)鼐用竦纳钊剂霞坝秒娦枰?同時(shí)還可以減少物組成,其組成元素主要是碳、氫、氧等元素。王化石能源的使用,實(shí)現(xiàn)二氧化碳減排,減少SO2、草加熱后會(huì)發(fā)生熱解,生成可燃?xì)怏w(主要成分CO,NO排放。由此可見(jiàn),王草是一種很有潛力的速生H2,CO,CH4,CH等)、焦油和多孔固體焦炭能量植物。升溫速度分別為10、20、30℃/min時(shí),王草的熱解本文利用熱重分析儀研究王草的熱解與燃燒曲線(xiàn)如圖1所示。特性,為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高效的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換設(shè)備提供理論基礎(chǔ)。↑實(shí)驗(yàn)材料的物性分析本實(shí)驗(yàn)所使用的樣品取至重慶大學(xué)在三峽庫(kù)區(qū)推廣栽種的王草。試驗(yàn)前將空氣干燥基的物料磨420細(xì)混合,試樣粒徑250-1000m,使其成分均勻,02004006008001000溫度/℃然后放到皿中待用。進(jìn)行工業(yè)分析與元素分析,所(a)溫升速率10℃hmin得結(jié)果見(jiàn)表1。表1成分分析Tab.I Components analysis曾6元素分析樣品Cx% H % O.% Nad% S/% Aad/% Med/% 2.ne/(k/kg)王草402852537120410.213.291344176822實(shí)驗(yàn)方法02004006008001000溫度21實(shí)驗(yàn)儀器(b)溫升速率20℃/min實(shí)驗(yàn)儀器是上海精密科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)的ZRY2P型綜合熱重分析儀22實(shí)驗(yàn)條件為去除水分對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,試樣在實(shí)驗(yàn)前放入105℃的恒溫爐中干燥Ih。實(shí)驗(yàn)時(shí),分析試樣的質(zhì)量為9mg左右,參比物為aA2O。做熱解特性時(shí),通入高純N2做保護(hù)氣流量為02004006008001000溫度℃80mL/min)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí),先通氮?dú)饧s60mn將加(c)溫升速率30℃/min熱區(qū)的空氣驅(qū)趕出去后,再打開(kāi)熱天平的電源對(duì)樣圖1熱解特性曲線(xiàn)品進(jìn)行加熱并繼續(xù)通入高純N2,升溫速度分別采用Fig 1 Pyrolysis characteristic curve10、20、30℃加min,熱解終溫為970℃。用熱分析32熱解特性分析儀記錄試樣質(zhì)量mTG曲線(xiàn))、質(zhì)量變化率由熱解曲線(xiàn)圖可知,整個(gè)熱解過(guò)程可分為3個(gè)第11期舸等:王草的熱解與燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究階段:預(yù)熱干燥階段、揮發(fā)分析出階段、碳化階段k=Ae-E/RT隨著加熱的進(jìn)行,溫度不斷升高,王草中所含水分式中:A為頻率因子;E為活化能;R為氣體常數(shù)首先析出,在120℃左右完成干燥。然后試樣質(zhì)量T為絕對(duì)溫度;t為反應(yīng)時(shí)間;n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。在一定溫度區(qū)段保持穩(wěn)定,直到溫度t(揮發(fā)分開(kāi)始根據(jù)以往的研究經(jīng)驗(yàn)可選擇m=1,將式(3帶入析出溫度),試樣質(zhì)量開(kāi)始出現(xiàn)下降。隨著溫度進(jìn)一式(2)積分并整理可得0步升高,物料中的大分子吸收了大量的能量,纖維Inl-Ind-oj=In ARa-2RT-E素、半纖維素、木質(zhì)素發(fā)生系列并行和連續(xù)的化學(xué)變化并析出氣體,開(kāi)始了揮發(fā)物的析出階段。如圖中所示,這一階段,TG曲線(xiàn)急劇下滑,DTG曲線(xiàn)式中ψ為溫升率,=令=-ayT出現(xiàn)峰值,對(duì)應(yīng)的溫度為在熱解溫度高于碳x=1,a=hAa-2RT),b=化階段開(kāi)始溫度500℃)以后,半纖維素和纖維素R的熱分解基本結(jié)束,而木質(zhì)素較難熱解,其熱解幾則有乎跨越整個(gè)熱解過(guò)程,因此高溫區(qū)以木質(zhì)素?zé)峤鉃閅=a+bX主。由于木質(zhì)素?zé)峤鈺r(shí)形成較多的碳,因此王草熱根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在不同的熱解階段可以用不同解失重曲線(xiàn)和熱解速率曲線(xiàn)在高溫區(qū)趨于平緩。的直線(xiàn)進(jìn)行擬合,可以計(jì)算出樣品不同工況下X王草在不同溫升速率時(shí)的熱解參數(shù)見(jiàn)表2Y的系列值,進(jìn)而確定出a、b值。在確定出a、b表2不同溫升速的熱解參數(shù)值以后,即可以計(jì)算出反應(yīng)活化能E和頻率因子Aab2 Pyrolysis parameters in different heating rates的值,計(jì)算結(jié)果如表3所示。很明顯各擬合方程的溫升速率℃m相關(guān)系數(shù)都大于099,說(shuō)明線(xiàn)性回歸比較合理表3熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)20223Tab3 Pyrolysis kinetics parameters溫升速率/溫度相關(guān)活化能E/頻率因子A由表2可以看出,隨著溫升速率的上升,王草擬合方程系數(shù)(kJmo)min1各特征溫度都有所升高,失重曲線(xiàn)有向溫度高側(cè)移10290-360y=5785-115x0994792.494440×l03動(dòng)的趨勢(shì)。由圖1可以看出,溫度上升到890℃后,20290-366y=51470-1190x0.9989303438×1030290~372y=34238-10257x0.992285287.181×107溫升速率為10℃/min時(shí),TG曲線(xiàn)有加速下滑的趨勢(shì),溫升速率為20和30℃/min時(shí)的TG曲線(xiàn)也有4燃燒特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析一定下滑,但沒(méi)有10℃min時(shí)曲線(xiàn)下滑明顯。這表4.1燃燒特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果明,在一定的高溫區(qū)段,王草木質(zhì)素有加速分解的溫升為20℃/min,空氣氛圍下王草的燃燒特性趨勢(shì)。曲線(xiàn)如圖2所示。33熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)4.2燃燒特性分析根據(jù)試樣的熱解曲線(xiàn)我們可以得出試樣在熱重分析儀上進(jìn)行熱解時(shí)任意溫度下對(duì)應(yīng)的質(zhì)量。這過(guò)程,及揮發(fā)分析出與著火燃燒、固定碳燃燒。DTG樣利用質(zhì)量作用定律,可以得出試樣的熱解失重方曲線(xiàn)有2個(gè)峰值,DTG曲線(xiàn)的峰值代表燃燒速率最程,以描述試樣在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的質(zhì)量變化過(guò)程。大值,峰值越大,則燃燒越猛烈。試樣在實(shí)驗(yàn)中的總的質(zhì)量變化為:DTA曲線(xiàn)反映了試樣在整個(gè)燃燒過(guò)程中熱量()隨時(shí)間或溫度的變化規(guī)律,DTA的峰值代表放熱速率的最大值。由圖2可見(jiàn),王草燃燒DTA曲線(xiàn)有2式中:m為試樣初始質(zhì)量;m為試樣在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)個(gè)峰值,存在二次著火現(xiàn)象,后面放熱峰明顯大于的質(zhì)量;m為試樣任一時(shí)刻的質(zhì)量。根據(jù)質(zhì)量作用前面的放熱峰,且持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng),表明固定碳燃燒定律可以得到試樣熱解速率方程:放熱量大于揮發(fā)分燃燒放熱量。(2)43燃燒特征參數(shù)的確定式中k為反應(yīng)速度常數(shù)。(1)峰值溫度。由 Arrhenius定律DTG、DTA峰值溫度見(jiàn)表4。中國(guó)電機(jī)工程學(xué)第26卷mg/min;T為著火溫度,K;T為燃盡溫度,K。DTGSy值越大說(shuō)明燃料的燃燒特性越佳。試樣燃燒特性參數(shù)如表5所示。4.4燃燒動(dòng)力學(xué)分析王草燃燒動(dòng)力學(xué)分析的方法與熱解動(dòng)力學(xué)分析相同,結(jié)果見(jiàn)表6。表6燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)(a) TG-DTG曲線(xiàn)溫升速率/溫度范圍相關(guān)活化能E頻率因子A擬合方程20272-317y=90621-12919x099510741245x10°5結(jié)論(1)王草的熱解過(guò)程可分為3個(gè)階段:預(yù)熱干燥階段、揮發(fā)分析出階段、碳化階段。熱解失重b) TG-DTA曲線(xiàn)主要發(fā)生在揮發(fā)分析出階段圖2燃燒特性曲線(xiàn)(溫升速率20℃/min)(2)隨著溫升速率的上升,王草各特征溫度Fig 2 Combustion characteristic都有所升高,失重曲線(xiàn)有向溫度高側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)urve(heating rate 20 C/min)(3)王草燃燒有2個(gè)明顯的失重過(guò)程,存在表4燃嬈特性曲線(xiàn)DTG與DIA峰值溫度二次著火現(xiàn)象及揮發(fā)分著火燃燒、固定碳著火燃Tab 4 DTG and DTA summit temperaturesof combustion characteristic curve燒。DTG曲線(xiàn)(4)王草燃燒DTA曲線(xiàn)后面放熱峰明顯大于溫升速率第一峰第二第二峰前面的放熱峰,表明固碳燃燒放熱量大于揮發(fā)分燃度/℃溫度/℃溫月溫度/℃燒放熱量(2)著火溫度參考文獻(xiàn)本文采用 TG-DTG法來(lái)確定試樣的著火溫度吳偉烽,劉聿拯生物質(zhì)能利用技術(shù)介紹冂工業(yè)鍋爐,200T16,數(shù)據(jù)見(jiàn)表5Wu Weifeng, Liu Yuzheng. 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