生物质热解与燃烧特性试验研究

第39卷第3期锅炉技术Vol 39, No. 3年5月BOILER TECHNOLOGYMay.,2008文章编号:CN31-1508(2008)03-0077-04生物质热解与燃烧特性试验研究臧丹丹1,陈良勇2,任强强2(1.南京航空航天大学能源与动力学院,江苏南京210016;2.东南大学洁净煤发电和燃烧技术教育部重点实验室,江苏南京210096)关键词:生物质;热重分析;动力学参数摘要:对稻秆的热解特性和燃烧特性进行了热重分析(TG)和差分热重分析(DTG)研究。热解试验中采用高纯氮气作为保护气体,采用升温速率为15t/min,40t/min、100℃/min,加热终温800℃,燃烧试验在干燥热空气气氛下进行,升温速率40℃/min。通过对稻秆热解和燃烧特性的TG和DTG曲线,深入分析稻秆热解燃烧的基本过程和基本特征,并通过动力学分析获得了不同升温速率下热解和燃烧的活化能和频率因子动力学参数。中图分类号:TK6文獻标识码:A1前言物质的直接燃烧技术也日益受到重视,东南大学等多所高校和国内的多家锅炉厂开展了生物质目前,社会和经济的快速发展促使能源安全循环流化床锅炉技术的开发与推广。生物质的和环境问题日益突出。化石燃料资源的有限性和热解和燃烧工艺技术的开发和反应器的合理设化石燃料利用过程中产生的环境污染都使发展洁计都是以对热解机理和燃烧机理的深入研究为净、可再生的替代能源异常迫切。生物质是人类最基础的。通过试验研究,进行动力学分析,深入早利用的可再生能源热值与中等烟煤相当;生物了解反应过程和机理,预测反应速率及难易程质的利用过程中,对大气环境的净排放量为零,燃度,可为生物质热化学转化工艺的研究与开发提烧过程中也仅有少量的SO和NO2排放,这些优供必要的基础参数点使生物质能的开发利用成为新能源技术研究领本试验研究利用热重分析仪对我国南方广域研究的重要方向之一-2。目前,西方发达国家泛分布的稻秆的热解和燃烧特性进行了研究,确中生物质能源化利用率和在总能利用中的比例呈定了不同升温速率下反应动力学参数,为这类生逐年上升的趋势。我国的生物质资源丰富,但能源物质能转化设备的设计和开发提供理论基础。化利用率与发达国家相比仍然较低;虽然我国在生物质能转化的基础研究和应用研究方面作了许多2试验设备及试验方法工作,但与发达国家相比差距甚远2.1试验样品生物质的热裂解和直接燃烧日益成为生物试验以我国长江以南地区的水稻秸秆为试质能源热化学转化的主要途径。生物质的热解验材料。试验前将物料粉碎并混合均匀放置于技术,尤其是快速热解技术,以其高效的转化率密闭的器皿中备用。颗粒物料的平均粒径小于被认为是极有开发前景的生物质利用技术。生0.2mm,相应的工业分析和元素分析见表1。表1生物质元素分析及工业分析工业分析w/%元素分析wd/%样品中国煤化工稻秆6.8810.5878.544.0037.8CNMHGO09收稿日期:2007-09-10;修回日期:2007-12-16作者简介:减丹丹(1977-)女黑龙江人,南京航空航天大学能源与动力系助教,硕士生,从事实验教学及科研工作锅炉技术第39卷2.2试验仪器及操作条件由热解特性曲线可以看出,稻秆热解过程明本试验采用的仪器为法国产的TGA92型常显的分为3个主要阶段:预热干燥阶段、挥发分压热重分析仪。每次实验取样品10mg,放入坩析出阶段与碳化阶段。在3种不同的升温速率埚中。在热解特性试验中,通入高纯氮气作为保下,随温度从室温开始不断升高,稻秆中的水分护气试验开始前30min开始通入,流量为80从40℃开始析出,均在150℃左右完成干燥过ml/min。试验中采用的升温速率分别为15、4程。在升温速率为15℃/min和40℃/min时,100℃/min,热分析温度范围为室温~800℃停随温度的继续升高试样质量在一定温度区域内留时间10min试验时,热天平自动记录重量的保持稳定,而后试样的质量开始下降,热解反应变化信号。每个试验完成后,做一个相同条件的进入挥发分析出阶段;而在升温速率为100℃空白试验以消除系统误差。在燃烧特性试验中,min时在干燥过程完成后便立即开始挥发分的热天平通人干燥空气流量为80ml/min,采用升析出过程。可以看出,随升温速率越大,挥发开温速率为40℃/min,热分析温度范围为室温~始分析出所对应的温度越低。挥发分析出的过800℃。程在TG曲线上表现为TG-T曲线迅速下降,3试验结果与分析在DTG-T曲线上表现为失重峰。挥发分的析出过程为生物质热解的最重要阶段,大约80%3.1热解特性~90%的失重发生在这一阶段。在挥发分析出本试验所用的稻秤生物质主要是由纤维素、过程中,生物质中的大分子吸收大量的能量,纤半纤维素、木质素及各种提取物等组成组成元维素、半纤维素和木质素发生一系列并行和连续素以碳、氢、氧、氮硫为主但这类元素的总含量的化学过程,析出大量的挥发分,生物质失重迅与其他秸秆类生物质相比较低-。稻秆加热后速。从图1和图2中可以看出,试样热解速率较热解生成可燃气体(主要成分为CO、H2、CH4、快的温度区域出现在150℃~550℃之间,升温CHn、CO等),液体焦油和固体焦炭。稻秆热速率越大,失重峰的跨度也越大。随着升温速率解的TG与DTG曲线如图1、图2所示。的升髙,热解速率曲线前移,达到最高热解速率所对应的温度向温度低端处偏移。这一现象与其他多数秸秆类生物质的热解过程-呈现相反二的规律。升温速率越高,热解越快,相同温度下对应的分解速率也越大;升温速率为100℃/min时所对应的最高热解速率值接近15℃/min时值的4倍。可以看出,较高的升温速率不但可以获得较大的热解速率,而且可以使生物质分解更彻底。在加热温度位于高温区域时热失重曲线温度及热解速率曲线趋于平缓,在这一温度区内以木图1稻秆热解过程的TG曲线质素热解为主3.2动力学参数计算由于秸秆热解反应比较复杂,在热解过程包括许多串行和并行的化学过程。热解的反应速度是升温速率、加热温度及热解产物的函数。根据热解曲线,可以求解生物质热解的反应动力学参数。试样在试验中总的质量变化为:15℃m40℃minl00℃minTYHa中国煤化工(1)式中CNMHG温度m/—试验结束时的质量,mg;图2稻秆热解过程的DTG曲线试样任一时刻的质量,mg第3期减丹丹,等:生物质热解与燃烧特性试验研究根据质量作用定律可以得到试样热解速率验的稻秆热解反应的表观活化能比较低,说明稻方程秆的热解反应还是比较容易进行的。(2)3.3燃烧特性式中:k一—反应速度常数图3给出了升温速率为40℃/min时,稻秆在反应级数空气气氛下的燃烧特性曲线。从稻秆的TG曲线由 Arrehenius定律:可以看出,稻秆的快速燃烧失重过程明显的分为2k=A(3)个阶段:挥发分析出与着火燃烧阶段及固定碳燃烧式中:A—频率因子,min-;阶段。从DTG曲线看出温度超过250℃时失重E活化能,kJ/mol;率迅速增加,并在在320℃左右达到整个燃烧过程R——气体常数,8.1314J/(Kmol);的失重率最高值,此后失重率迅速减小。此阶段为T—绝对温度,K挥发分析出阶段。从390℃开始到530℃为固定研究表明4,秸秆类生物质的热解反应可碳的稳定燃烧阶段,这一阶段失重率保持在恒定视为一级反应。将式(3)代入式(2)积分并整值,这一值越大表明碳燃烧越猛烈。此后失重率迅理得5-。:速减少,燃烧进入固定碳燃尽阶段In(1-a)(4)式中:φ—升温速率,∮dT令Y=In(1(1-2RPAR(-2RT)则有:Y=a+6X根据试验结果,可以计算出样品不同升温速图3稻秆燃烧过程的TG和DTG曲线率下X、Y值,进而求得a、b值,即可求得反应的稻秆燃烧动力学分析方法与热解动力学分表观活化能E和频率因子A,计算结果如表2所示,各拟合方程的相关系数都大于0.9,说明线析方法相同所得动力学参数如表3性回归比较合理。表3稻秆样品的燃烧动力学参数表2生物质样品的热解动力学参数热解速率/t·min-1/℃kJ·mol-1/min热解速率EA40252~3200.985859.631.42×10320~5300950413.316.36×104234~3460.992142.751.48×1040239~3520.990151.107.52×10100216-3360.989252.322.10×104结论由表2可见,不同升温速率下得到的活化能在对稻秆进行热重分析的基础上,从动力学和频率因子存在着差异,即升温速率越高,活化角度对其热解过程进行了研究,主要结论如下:能和频率因子也越大这主要是因为升温速率越(1)稻秆热解过程可分为3个主要阶段,即高,反应物颗粒内部的传热阻力就越大,在宏观干燥阶段、挥发分析出阶段和碳化阶段,失重的上就表现为反应所需能级就越高。同时,活化能最大阶段发生在挥发分的析出阶段的增大伴随着频率因子的增大,这主要是由于热中国煤化工得热解反应动重法中热重曲线的形状与升温速率等实验条件力学CNMHG子均随升温速相关的缘故,反应器内传热传质情况的变化引起率的增加而增大;热解反应的表观活化能比较动力学参数的变化。在3种试验工况下,所试低,热解反应较容易进行。80第39卷(3)稻秆的快速燃烧失重过程明显的分为2[3]张晓东,许敏,孙荣峰等.玉米秸热解动力学研究[J燃个阶段,即挥发分析出与着火燃烧阶段及固定碳料化学学报,2006,34(1),123-125.燃烧阶段[4]赖艳华,吕明新,马春元,等.秸秆类生物质热解特性及其动力学研究[.太阳能学报,200223(2):203-206[5] Monghtaderi B, et al. Pyrolytic characteristics of blended coal参考文献:and woody biomass[J]. Fuel, 2004, 83(6), 745-750[门]蒋剑春生物质能源应用研究现状与发展前景[林产化学[6] Vuthaluru H B. Thermal behavior of coal/ biomass blends与工业,2002,22(2):75-80.during co-pyrolysis [J]. Fuel Processing Technology, 2003[2]蒲舸,张力,辛明道,王草的热解与燃烧特性实验研究[J].85(2),141-155中国电机工程学报,2006,26(11):65-69Experimental Study on the Pyrolysis andCombustion Behavior of biomassZANG Dan-dan, CHEN Liang-yong, REN Qiang-qiang2(l. Nanjing University of aronauitics and astronautics, Nanjing 210016China2. Key Laboratory of Clean Coal Power Generation and Combustion Technologof Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)Key words: biomass: thermogravimetric analysis; dynamic parametersAbstract: In this study, TG and DtG analysis techniques were adopted to study thepyrolysis behavior and combustion behavior of rice stalk systematically. The pyrolysisexperiment was carried out under highly purified N2 and with heating rate from 15 C/min to100 C/min. The combustion behavior of rice stalk was investigated with the heating rate of40 C/min. In each experiment, 800 C was used as an ultimate heat temperature. By theTG and DtG plot, the pyrolysis behavior and combustion behavior of rice stalk wereanalyzed and the dynamic parameters of the tested rice stalk were obtained according to theexperimental data.(上接第76页)The Analyse and Compare of Typical Flue Gas CleaningTechnology in MSw Incineration Power PlantWANG Lei, ZHANG Y un-qiao(Shanghai Electric Environment Protection Group, Shanghai 201108, China)Key words: MSW incineration( Municipal Solid Waste); flue gas cleaning: semi-dryAbstract: Based on the technology and pollutant constituents in flue gas of MSw incinerator as well as the relevant emission standard in Ch中国煤化工 comparesthree kinds of typical process for flue gas cleaningCNMH GlantThispaper can provide reference for the technology selection of flue gas cleaning in MSw inciner-ation power plant.