生物质成型燃料的热解性质及反应动力学分析.doc
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1、生物质成型燃料的热解性质及反应动力学分析摘要:文中使用热重分析法研究生物质成型燃料的热解性质。结果显示,生物质成型燃料的热解过程主要分为三个阶段:失水干燥、快速热解与缓慢失重。当升温速度从5K/min逐渐升高至30K/min时,最大热解速率由-3.72%/min逐步上升至-19.41%/min,这说明提高升温速度对热解有利,热解曲线向高温区移动。采用Coats-Redfern模型对成型燃料的热解过程进行拟合,发现一级动力学模型可描述成型燃料的热解过程,且活化能在58kJ/mol69kJ/mol之间,表明生物质成型燃料的热解过程很容易进行。随着化石能源的日益枯竭与环境问题的愈发严重,生物质作为便
2、于运输与储存的可再生能源,其能量转换与清洁利用受到了广泛的关注,生物质能源的开发已成为了重要研究方向1。生物质成型燃料是采用农林废弃物作为原料,通过粉碎、干燥、机械加压等过程,将密度低的原料制成高密度、高热值的生物质固体燃料,它也可以作为生物质热解、气化的燃料,以实现生物质燃料的高效利用2。生物质热解是在隔绝空气条件下,利用热能将大分子有机物转化为小分子物质的过程,是高效利用生物质能的方式之一3,4。目前大量热解气化的研究集中于生物质单体,如秸秆、农林废弃物等,对于成型燃料的研究较少。为了推广生物质热解气化炉,提高生物质资源利用率,有必要对生物质成型燃料的热解过程与机理进行研究。文中对不同升温
3、速率下生物质的热解过程进行研究,并采用Coats-Redfern法分析热解动力学,求出活化能、频率因子等动力学参数,为成型燃料的热化学转化及转换设备的开发设计提供基础数据。1材料与方法1.1试验原料生物质成型燃料源于福建省福州市某生物质燃料生产厂家。试验原料首先经过烘箱烘干后,在空气中水分平衡,破碎后筛出进行工业组分、元素及热值分析,分析结果见表1。表1也列出了烟煤的指标进行对比,烟煤数据源于福建省锅炉压力容器检验研究院的日常检测。由燃料理化性质分析可得,成型燃料的挥发分为79.39%,远高于烟煤的30.18%;固定炭为14.94%,远低于烟煤;由于成型燃料的挥发分高,固定炭低,O元素含量高,
4、导致成型燃料的低位热值比烟煤偏低。1.2试验装置及运行参数热重分析采用北京博渊的微机差热天平。每次试验生物质粉末用量(10.00.5)mg,通入高纯氮气(99.999%)作为保护气,流量为100mL/min,升温速率分别为5K/min、10K/min、20K/min、30K/min,电脑自动记录热解过程的热重曲线(TG)和微分热重曲线(DTG)。1.3分析方法生物质燃料的工业组分,包括水分(Mad)、灰分(Aad)与挥发分(Vad)均采用长沙开元5E-MAG6700型工业分析仪测定;C、H、N元素采用长沙开元的5E-CHN2000型元素分析仪测定;S元素采用长沙三德SDS516型测硫仪测定;热
5、值采用长沙开元5E-KCIV型快速量热仪测定,O元素与固定碳(FCad)含量均通过差减法计算得出。2结果与讨论2.1生物质成型燃料的热解过程图1显示了成型燃料在升温速率为5K/min下的TG-DTG曲线。由图1可知,可将生物质成型燃料的热解过程分为三个时期:第一时期是从室温至517.5K(T1):当温度升至381.4K,原料失重率为3.31%,几乎等于成型燃料的含水率(3.42%),这个部分主要是失水,DTG曲线也出现较小的失重峰;在381.4K-517.5K间,TG曲线缓慢下降,蜡质成分发生软化;第一阶段的总失重率(TG1)为7.07%。第二时期是517.5K(T1)-625.1K(T2):
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