研究與開發(fā)稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)特性研究文章編號:10048774(2008)050103稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)特性硏究鄧劍,羅永浩,陳祎,段佳,陸方,林鵬(上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海20040)摘要:通過熱重分析方法研究了稻稈的燃燒過程及其動(dòng)力學(xué)特性。非等溫?zé)嶂胤ǖ纳郎厮俾史謩e為20℃/min、30℃/min、40℃/min,加熱終溫800℃;采用空氣為載氣。得到稻稈燃燒的TC、DTG曲線,研究了加熱速率、溫度對燃燒過程的影響,建立了稻稈燃燒的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程,由 Freeman- carroll i法得到該類稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù),并提出了相應(yīng)的燃燒機(jī)理。為燃燒稻稈鍋爐的設(shè)計(jì)開發(fā)提供了理論支持。關(guān)鍵詞:動(dòng)力學(xué)特性;熱重法;稻稈;燃燒一作者:鄧劍中圖分類號:TK6文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A974-),湖南邵陽,博士研究生,從Study on the Combustion Kinetics of Rice Straw煤氣化多聯(lián)產(chǎn)、二氧化碳減排方面的DENG Jian, LUO Yong-hao, CHEN Yi, duAn Jia, L U Fang, LIN Peng研究。Institute of Thermal Energy Engineering, ShanghaiJiao Tong University, Shanghai 200240, ChinaAbstract: The project investigated the combustion process of rice straw together with its kinetics characters using thermody.amic method. The rice straw was burned in air at the heating rate of 20 C/min, 30 C/min, 40 C/min. The final tem-perature was up to 800C. From the plot of TG and DtG, the researchers has studied the influence of heating rate and tem-perature on the combustion process and built a kinetic equation of the reaction. The kinetic parameters of this kind of ricstraw were obtained by Freeman-Carroll method. The combustion mechanism suggested will theoretically support the deof the boiler with riceKey words: kinetics characteristic; thermodynamic; rice straw; combustion0前言燃料等方式成為生物質(zhì)能利用的一個(gè)重要研究課生物質(zhì)能在全世界最終能源消耗中大概占了題。然而,生物質(zhì)能最常用的利用方式還是直接燃14%,而煤炭只占1%。不過在世界不同地方生物燒而大規(guī)模的集中燃燒包括用于工業(yè)爐燃燒和與質(zhì)的重要性有所不同。比如在非洲和亞洲貧窮的國媒炭混燒。許多研究者在生物質(zhì)燃燒熱解和氣化家生物質(zhì)能占能源消耗可能達(dá)到80%-90%。的反應(yīng)性等方面進(jìn)行了有益的探索3目前,生物質(zhì)能對工業(yè)化國家也越來越有吸引力,因生物質(zhì)熱解或燃燒動(dòng)力學(xué)是表征生物質(zhì)在熱分為其具有可再生性和O2零排放的特點(diǎn)。生物質(zhì)燃解反應(yīng)過程中反應(yīng)溫度反應(yīng)時(shí)間等參數(shù)對物料或料的來源非常廣泛包括木材生長周期短的木本作反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率影響的一個(gè)重要特性。動(dòng)力學(xué)特性物和草本植物甘蔗渣、草和廢棄物如紙張和鋸木屑、直接關(guān)系到生物質(zhì)熱化學(xué)利用通過動(dòng)力學(xué)分析可城市固體垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物和食物殘?jiān)壬钊氲亓私夥磻?yīng)過程和機(jī)理,還可預(yù)測反應(yīng)速率生物質(zhì)能的利用轉(zhuǎn)化方式主要有熱化學(xué)法、生及反應(yīng)的難易程度。物化學(xué)法、提取法。熱化學(xué)法是指高溫下將生物質(zhì)本研究項(xiàng)目對稻稈在空氣氣氛中進(jìn)行了不同升轉(zhuǎn)化為其它形式能量的轉(zhuǎn)化技術(shù)包括直接燃燒溫速率下的非等溫?zé)嶂卦囼?yàn),目的是研究稻稈燃燒熱解氣化和直接液化。生物化學(xué)法是指生物質(zhì)在反應(yīng)性,并由 Freeman- carroll法處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),得微生物的發(fā)酵作用下產(chǎn)生沼氣酒精等能源產(chǎn)品。到的動(dòng)力學(xué)參數(shù)及表達(dá)式反映了稻稈在空氣中燃燒提取法是利用生物質(zhì)提取生物油。目前生物質(zhì)的v凵中國煤化工爐提供一定的理熱解或氣化制取可燃?xì)怏w用于聯(lián)合循環(huán)、制取液體論支CNMHG收稿日期:200805-16試驗(yàn)采用的稻稈樣品來自上海郊區(qū)農(nóng)田,試驗(yàn)基金項(xiàng)目:上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)(05DZ20101)前樣品將磨細(xì)并混合均勻。試樣的粒徑小于1002工業(yè)鍋爐2008年第5期(總第111期)目,每次稱取試樣15±0.5mgo稻稈工業(yè)分析及元儀。起始溫度35℃,終溫800℃,升溫速率分別為素分析見表1。20℃/min、30℃/min和40℃/min,載氣為壓縮空試驗(yàn)儀器為 NETZSCH STA409PC同步熱分析氣,流量為50ml/min表1稻稈的工業(yè)分析和元素分析工業(yè)分析元素分析FCH7.745.15.830.142結(jié)果及分析2.1稻稈燃燒特性的熱分析表征從室溫開始加熱,試樣在180℃以前可以觀察稻稈質(zhì)量轉(zhuǎn)化率a計(jì)算按式(1)到很少的失重在200~370℃之間由于揮發(fā)分的析-m/出將出現(xiàn)快速失重,并且由于有氧的存在,因此發(fā)生0×100%(1)了著火并燃燒。緊接著就是剩余焦炭的氧化分解而式中m為樣品初始質(zhì)量,m為某溫度下(對應(yīng)某緩慢發(fā)生失重。圖1中(a)(b)分別表示不同升溫時(shí)刻)樣品質(zhì)量,m。為反應(yīng)結(jié)束后樣品殘余物質(zhì)量速率下稻稈燃燒a-T和(do/dT)-T關(guān)系曲線。生物質(zhì)燃料具有高的含氧量和高的有機(jī)揮發(fā)從圖1(a)可以看出稻稈的燃燒分為三個(gè)階段,AB分將在燃燒階段產(chǎn)生大量的揮發(fā)物氣體。既發(fā)生水分蒸發(fā)階段BC揮發(fā)分析出并燃燒階段,CD焦炭在燃料加熱熱解過程釋放的揮發(fā)分氣相燃燒,同時(shí)燃燒階段。各特征參數(shù)見圖1(b)所示。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)燃燒整個(gè)過程主要包括魯4水分蒸發(fā)、揮發(fā)分釋放與燃燒以及固定碳的燃燒根據(jù)生物質(zhì)的燃燒過程,在生物質(zhì)的燃燒特性曲線上定義了以下幾個(gè)重要的特征參數(shù)T1為脫水速率最大時(shí)對應(yīng)的溫度;T2為生物質(zhì)的著火溫度,有兩種定義法:一種采用DTA燃燒放熱峰左側(cè)切線與其基線的交點(diǎn)對應(yīng)的溫度(外推法),另一種方法在a)a=7溫度曲線上將首次出現(xiàn)峰的起始點(diǎn)定義為著火點(diǎn)T,采用這種方法定義生物質(zhì)的著火溫度準(zhǔn)確、直觀、易于接受,因?yàn)楫?dāng)生物質(zhì)著火時(shí)開始放出大量熱,從而使得溫度曲線不再按照程序升溫而變化,出現(xiàn)了溫度升高突變而產(chǎn)生了向上的峰由此得到的T2的值與揮發(fā)分釋放過程中失重率最大時(shí)對應(yīng)的溫度致;本研究釆用第二種方法。T3為固定碳燃燒速率最大時(shí)對應(yīng)的溫度,本實(shí)驗(yàn)測得稻稈在空氣中燃燒的特性曲線揮發(fā)分的燃燒與固定碳的燃燒是個(gè)連續(xù)過程,且固定碳燃燒速率較平穩(wěn)。T為燃盡(b)(da/dT)-T溫度,對應(yīng)于TG曲線不再有質(zhì)量變化。表2列出1不同升溫速率下失重率與失重速率變化曲線了各升溫速度下的特征溫度值。失重速率與升溫速率的關(guān)系,總體來看,較低的表2不同升溫速率下的特征溫度值升溫V凵中國煤化工多。但是,三種升加熱速率/(℃·min1)T它T℃T7℃溫速CNMHG非常接近。固定碳的熱盡益度則有大個(gè),衣現(xiàn)在T相差很大,95290430620其中20℃/min時(shí)為550℃,而對于更高的升溫速100290410640率時(shí)此溫度相應(yīng)上移為640℃左右。這一規(guī)律也與研究與開發(fā)稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)特性研究文獻(xiàn)中數(shù)據(jù)相符。先假設(shè)不同的n,以-1如(1-a)]對]作22 Freeman-Caro法求解動(dòng)力學(xué)參數(shù)分解速率可以由式(2)表示圖當(dāng)n值為某一適當(dāng)值時(shí):-lg/(1-a)”與do(2)呈很好的線性關(guān)系(即該n下的線性相關(guān)度r最式中k為 Arrhenius速率常數(shù),可以表示為k=接近1),那么這個(gè)n就是該反應(yīng)的反應(yīng)級數(shù),由此Aexp(-Bp),E為反應(yīng)活化能,A為指前因子,R為直線的截距和斜率可以求出表觀活化能E和指前氣體常數(shù),T為絕對溫度。因子A值。f(a)的函數(shù)形式取決于反應(yīng)類型或反應(yīng)機(jī)制。ll法只需要一條非等溫曲線就一般假定f(a)與溫度T和時(shí)間t無關(guān),只與反應(yīng)程度可以求解得到燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)。a有關(guān),對于簡單反應(yīng)f(a)可取f(a)=(1-a)°。23動(dòng)力學(xué)參數(shù)求解結(jié)果及分析稻稈燃燒過程是從揮發(fā)分著火燃燒開始的,同因此將升溫速率β=d代人式(2)可得:時(shí)由于生物質(zhì)的燃燒明顯分為揮發(fā)分和固定碳的燃n==(-)f(7(1-a)(3)燒,這里分別計(jì)算了這兩個(gè)階段的動(dòng)力學(xué)參數(shù)不同升溫速率下求得的稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)見將式(3)兩邊取對數(shù)并利用差減法可化為:表3,n為反應(yīng)級數(shù),E為活化能,A為指前因子,為t/(1-a)]=p2.30xr(4)曲線擬合的相關(guān)系數(shù)。表3稻稈燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)T℃(kJ·mo-)185~36010.3980x10100.98620℃/min1011.611.8究/min190~3703.95x10.97911.44.70×1020.98640℃/min370~640215.83結(jié)論[2]閻維平,陳吟穎.生物質(zhì)混合物與褐煤共熱解特性的試驗(yàn)研究[J].動(dòng)力工程,2006,26,(6),865-870(1)稻稈在空氣中燃燒過程有兩個(gè)明顯的反應(yīng)[3] Senneca,o.; Chiron,R.; salatino,P., A Thermogravi-階段第一階段是揮發(fā)分的燃燒,速度很快,與揮發(fā)metric Study of Nonfossil Solid Fuels. 2. Oxidative Pyrolysis分析出速度一致,質(zhì)量變化率曲線有明顯的峰值;第and Char Combustion J]. Energy Fuels 2002, 16,(3)二階段為焦炭的緩慢氧化,持續(xù)時(shí)間較長,質(zhì)量變化1-668.率曲線沒有明顯的峰值[4]賴艷華,呂明新,馬春元,施明恒秸稈類生物質(zhì)熱解特(2)不同升溫速率對生物質(zhì)的燃盡時(shí)間和最終性及其動(dòng)力學(xué)研究[J].太陽能學(xué)報(bào)2002,23,(2),燃盡溫度影響較大,升溫速率越慢,燃盡時(shí)間越長,203-206[5]馬孝琴生物質(zhì)燃燒動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[門].可再生能源,燃盡溫度越低。2004,6,(18),18-22(3)由 Freeman-Camo法求解的動(dòng)力學(xué)參數(shù)[6]徐朝芬,孫學(xué)信,用T2 DTG2DSC研究生物質(zhì)的燃燒特表明稻稈燃燒過程中,揮發(fā)分析出并燃燒階段是性[門].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,35,級反應(yīng),而焦炭燃燒階段的反應(yīng)級數(shù)則為0.5。(3),126-128.(4)稻桿燃燒的三個(gè)特征溫度在燃燒組織、減[7] elkins,,B.M; Baxter,L.L;Mils,T.R.;Me,t少揮發(fā)分和焦炭不完全方面有一定的指導(dǎo)意義,為R.combusTionpropertiesofbiomass[j].FuelProcessing鍋爐設(shè)計(jì)提供理論支持。啁Te中國煤化工46參考文獻(xiàn)[8]閔CNMHG及燃燒特性的研究[1]Senneca, 0. Kinetics of pyrolysis, combustion and gasifica[9]蔡正千熱分析[M].北京高等教育出版社,1993on of three biomass fuels[J]. Fuel Processing Technology2007,88,(1),87-97