稻秆燃烧动力学特性研究

研究与开发稻秆燃烧动力学特性研究文章编号:10048774(2008)050103稻秆燃烧动力学特性硏究邓剑,罗永浩,陈祎,段佳,陆方,林鹏(上海交通大学机械与动力工程学院,上海20040)摘要:通过热重分析方法研究了稻秆的燃烧过程及其动力学特性。非等温热重法的升温速率分别为20℃/min、30℃/min、40℃/min,加热终温800℃;采用空气为载气。得到稻秆燃烧的TC、DTG曲线,研究了加热速率、温度对燃烧过程的影响,建立了稻秆燃烧的反应动力学方程,由 Freeman- carroll i法得到该类稻秆燃烧动力学参数,并提出了相应的燃烧机理。为燃烧稻秆锅炉的设计开发提供了理论支持。关键词:动力学特性;热重法;稻秆;燃烧一作者:邓剑中图分类号:TK6文献标识码:A974-),湖南邵阳,博士研究生,从Study on the Combustion Kinetics of Rice Straw煤气化多联产、二氧化碳减排方面的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前言燃料等方式成为生物质能利用的一个重要研究课生物质能在全世界最终能源消耗中大概占了题。然而,生物质能最常用的利用方式还是直接燃14%,而煤炭只占1%。不过在世界不同地方生物烧而大规模的集中燃烧包括用于工业炉燃烧和与质的重要性有所不同。比如在非洲和亚洲贫穷的国媒炭混烧。许多研究者在生物质燃烧热解和气化家生物质能占能源消耗可能达到80%-90%。的反应性等方面进行了有益的探索3目前,生物质能对工业化国家也越来越有吸引力,因生物质热解或燃烧动力学是表征生物质在热分为其具有可再生性和O2零排放的特点。生物质燃解反应过程中反应温度反应时间等参数对物料或料的来源非常广泛包括木材生长周期短的木本作反应产物转化率影响的一个重要特性。动力学特性物和草本植物甘蔗渣、草和废弃物如纸张和锯木屑、直接关系到生物质热化学利用通过动力学分析可城市固体垃圾、农业废弃物和食物残渣等深入地了解反应过程和机理,还可预测反应速率生物质能的利用转化方式主要有热化学法、生及反应的难易程度。物化学法、提取法。热化学法是指高温下将生物质本研究项目对稻秆在空气气氛中进行了不同升转化为其它形式能量的转化技术包括直接燃烧温速率下的非等温热重试验,目的是研究稻秆燃烧热解气化和直接液化。生物化学法是指生物质在反应性,并由 Freeman- carroll法处理试验数据,得微生物的发酵作用下产生沼气酒精等能源产品。到的动力学参数及表达式反映了稻秆在空气中燃烧提取法是利用生物质提取生物油。目前生物质的v凵中国煤化工炉提供一定的理热解或气化制取可燃气体用于联合循环、制取液体论支CNMHG收稿日期:200805-16试验采用的稻秆样品来自上海郊区农田,试验基金项目:上海市科学技术委员会(05DZ20101)前样品将磨细并混合均匀。试样的粒径小于1002工业锅炉2008年第5期(总第111期)目,每次称取试样15±0.5mgo稻秆工业分析及元仪。起始温度35℃,终温800℃,升温速率分别为素分析见表1。20℃/min、30℃/min和40℃/min,载气为压缩空试验仪器为 NETZSCH STA409PC同步热分析气,流量为50ml/min表1稻秆的工业分析和元素分析工业分析元素分析FCH7.745.15.830.142结果及分析2.1稻秆燃烧特性的热分析表征从室温开始加热,试样在180℃以前可以观察稻秆质量转化率a计算按式(1)到很少的失重在200~370℃之间由于挥发分的析-m/出将出现快速失重,并且由于有氧的存在,因此发生0×100%(1)了着火并燃烧。紧接着就是剩余焦炭的氧化分解而式中m为样品初始质量,m为某温度下(对应某缓慢发生失重。图1中(a)(b)分别表示不同升温时刻)样品质量,m。为反应结束后样品残余物质量速率下稻秆燃烧a-T和(do/dT)-T关系曲线。生物质燃料具有高的含氧量和高的有机挥发从图1(a)可以看出稻秆的燃烧分为三个阶段,AB分将在燃烧阶段产生大量的挥发物气体。既发生水分蒸发阶段BC挥发分析出并燃烧阶段,CD焦炭在燃料加热热解过程释放的挥发分气相燃烧,同时燃烧阶段。各特征参数见图1(b)所示。在焦炭氧化过程发生固体多相燃烧。挥发分的燃烧非常迅速,几乎同挥发分析出速度一样,而焦炭的氧化则要慢得多。生物质燃烧整个过程主要包括鲁4水分蒸发、挥发分释放与燃烧以及固定碳的燃烧根据生物质的燃烧过程,在生物质的燃烧特性曲线上定义了以下几个重要的特征参数T1为脱水速率最大时对应的温度;T2为生物质的着火温度,有两种定义法:一种采用DTA燃烧放热峰左侧切线与其基线的交点对应的温度(外推法),另一种方法在a)a=7温度曲线上将首次出现峰的起始点定义为着火点T,采用这种方法定义生物质的着火温度准确、直观、易于接受,因为当生物质着火时开始放出大量热,从而使得温度曲线不再按照程序升温而变化,出现了温度升高突变而产生了向上的峰由此得到的T2的值与挥发分释放过程中失重率最大时对应的温度致;本研究釆用第二种方法。T3为固定碳燃烧速率最大时对应的温度,本实验测得稻秆在空气中燃烧的特性曲线挥发分的燃烧与固定碳的燃烧是个连续过程,且固定碳燃烧速率较平稳。T为燃尽(b)(da/dT)-T温度,对应于TG曲线不再有质量变化。表2列出1不同升温速率下失重率与失重速率变化曲线了各升温速度下的特征温度值。失重速率与升温速率的关系,总体来看,较低的表2不同升温速率下的特征温度值升温V凵中国煤化工多。但是,三种升加热速率/(℃·min1)T它T℃T7℃温速CNMHG非常接近。固定碳的热尽益度则有大个,衣现在T相差很大,95290430620其中20℃/min时为550℃,而对于更高的升温速100290410640率时此温度相应上移为640℃左右。这一规律也与研究与开发稻秆燃烧动力学特性研究文献中数据相符。先假设不同的n,以-1如(1-a)]对]作22 Freeman-Caro法求解动力学参数分解速率可以由式(2)表示图当n值为某一适当值时:-lg/(1-a)”与do(2)呈很好的线性关系(即该n下的线性相关度r最式中k为 Arrhenius速率常数,可以表示为k=接近1),那么这个n就是该反应的反应级数,由此Aexp(-Bp),E为反应活化能,A为指前因子,R为直线的截距和斜率可以求出表观活化能E和指前气体常数,T为绝对温度。因子A值。f(a)的函数形式取决于反应类型或反应机制。ll法只需要一条非等温曲线就一般假定f(a)与温度T和时间t无关,只与反应程度可以求解得到燃烧动力学参数。a有关,对于简单反应f(a)可取f(a)=(1-a)°。23动力学参数求解结果及分析稻秆燃烧过程是从挥发分着火燃烧开始的,同因此将升温速率β=d代人式(2)可得:时由于生物质的燃烧明显分为挥发分和固定碳的燃n==(-)f(7(1-a)(3)烧,这里分别计算了这两个阶段的动力学参数不同升温速率下求得的稻秆燃烧动力学参数见将式(3)两边取对数并利用差减法可化为:表3,n为反应级数,E为活化能,A为指前因子,为t/(1-a)]=p2.30xr(4)曲线拟合的相关系数。表3稻秆燃烧动力学参数T℃(kJ·mo-)185~36010.3980x10100.98620℃/min1011.611.8究/min190~3703.95x10.97911.44.70×1020.98640℃/min370~640215.83结论[2]阎维平,陈吟颖.生物质混合物与褐煤共热解特性的试验研究[J].动力工程,2006,26,(6),865-870(1)稻秆在空气中燃烧过程有两个明显的反应[3] Senneca,o.; Chiron,R.; salatino,P., A Thermogravi-阶段第一阶段是挥发分的燃烧,速度很快,与挥发metric Study of Nonfossil Solid Fuels. 2. Oxidative Pyrolysis分析出速度一致,质量变化率曲线有明显的峰值;第and Char Combustion J]. Energy Fuels 2002, 16,(3)二阶段为焦炭的缓慢氧化,持续时间较长,质量变化1-668.率曲线没有明显的峰值[4]赖艳华,吕明新,马春元,施明恒秸秆类生物质热解特(2)不同升温速率对生物质的燃尽时间和最终性及其动力学研究[J].太阳能学报2002,23,(2),燃尽温度影响较大,升温速率越慢,燃尽时间越长,203-206[5]马孝琴生物质燃烧动力学实验研究[门].可再生能源,燃尽温度越低。2004,6,(18),18-22(3)由 Freeman-Camo法求解的动力学参数[6]徐朝芬,孙学信,用T2 DTG2DSC研究生物质的燃烧特表明稻秆燃烧过程中,挥发分析出并燃烧阶段是性[门].华中科技大学学报(自然科学版),2007,35,级反应,而焦炭燃烧阶段的反应级数则为0.5。(3),126-128.(4)稻杆燃烧的三个特征温度在燃烧组织、减[7] elkins,,B.M; Baxter,L.L;Mils,T.R.;Me,t少挥发分和焦炭不完全方面有一定的指导意义,为R.combusTionpropertiesofbiomass[j].FuelProcessing锅炉设计提供理论支持。啁Te中国煤化工46参考文献[8]闵CNMHG及燃烧特性的研究[1]Senneca, 0. Kinetics of pyrolysis, combustion and gasifica[9]蔡正千热分析[M].北京高等教育出版社,1993on of three biomass fuels[J]. Fuel Processing Technology2007,88,(1),87-97