第26卷第ll期中國電機工程學Vol 26 No 11 Jun. 20062006年6月Proceedings of the Csee@2006 Chin. Soc. for Elec Eng文章編號:0258-8013(2006)11-006505中圖分類號:TK6文獻標識碼:A學科分類號:47010王草的熱解與燃燒特性實驗研究蒲舸,張力,辛明道重慶大學動力工程學院,重慶市沙坪壩區(qū)400030Experimental Study on Pyrolysis and Combustion Characteristic of King GrassPU Ge, ZHANG Li, XIN Ming-dao(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rolysis characteristic experiments of Kirwere done at0引言different heating rates, which were 10, 20 and 30C/min, andthe combustion characteristic experiment was done at 20C/min能源是人類經(jīng)濟發(fā)展、社會進步不可或缺的支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的有限性必定會枯竭。而且化石在燃燒過程中會產(chǎn)combustion were acquired by kinetics analysis· The results生較為嚴重的環(huán)境污染,因此發(fā)展相對比較清潔、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,, volatile種可再生的燃料,熱值與中等煙煤相當:在其利用weight loss takes place in volatile compounds release phase過程中,對大氣環(huán)境的CO2凈排放量為零,不會象When the heating rate increases, all pyrolysis characterist化石燃料燃燒一樣引起和加劇溫室效應;燃燒過程temperatures of King grass rise. There are two obvious weight中SO2、NO2排放較低。因此,隨著國際對SOloss processes in combustion curve of King grass, and twice NO2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,是國際上作為煤、石油等的替代summit of differential thermal analysis(TA) 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 former, 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開發(fā)利用前景十分廣闊volatile compounds combustion. The experimental results can以前對生物質(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)報道,今后10年內(nèi),北美和歐洲國家可能會開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 energyplants)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的溫升速率對據(jù)統(tǒng)計,種植1公頃的象草,將它加工后所產(chǎn)生的20℃/min的溫升速率進行了能量可替代36桶石油。英國政府稱2005年已建成燃燒特性實驗,得到熱解與燃燒的特性參數(shù),通過動力學分首個利用燃燒象草(由當?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力學參數(shù)。研究結(jié)果表王草的熱解過程可分為3個階段:預熱干燥階段、揮發(fā)分廠)產(chǎn)生的能量進行發(fā)電的發(fā)電站。電站的裝機容量出階段、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,每年將能夠運行8000h,經(jīng)過燃隨著溫升速率的上升,王草各熱解特征溫度都有所升高。王燒草中國煤化工)個家庭的電力需草燃燒曲線有2個明顯的失重過程,存在二次著火現(xiàn)象.王求CNMH量植物利用的一次草燃燒差熱①DTA曲線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。實驗結(jié)果可我國的重慶、江西、江蘇、內(nèi)蒙等多個省、市、以為王草的能源化利用提供指導自治區(qū)進行了引種雜交狼尾草(王草),作為牛、羊中國電機工程學報第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)隨溫度的變化曲線本雜交而成的多年生禾本科植物,株高2m以上做燃燒特性實驗時,熱天平通以流量為高的可達5m,適應性廣,耐旱性強,采用刈割方80 mL/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1500kg以上,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m(TG曲線)、質(zhì)量變化率7oDTG曲線)電廠發(fā)電,具有很高的能源利用價值與差熱 YETA TA曲線)隨溫度的變化曲線。在我國適合王草生長的地區(qū)利用閑置土地種3熱解特性實驗結(jié)果與分析植王草,利用生物質(zhì)氣化技術(shù),將王草氣化后產(chǎn)生的燃氣作為農(nóng)民燃料,或者將大規(guī)模種植的王草與31熱解特性實驗結(jié)果農(nóng)作物秸稈一起作為發(fā)電燃料,不僅能夠很好滿足王草由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及各種提取當?shù)鼐用竦纳钊剂霞坝秒娦枰?同時還可以減少物組成,其組成元素主要是碳、氫、氧等元素。王化石能源的使用,實現(xiàn)二氧化碳減排,減少SO4草加熱后會發(fā)生熱解,生成可燃氣體(主要成分CO,NO2排放。由此可見,王草是一種很有潛力的速生H2,CO,CH4,CnHm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,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如圖1所示。特性,為設(shè)計和開發(fā)高效的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換設(shè)備提供理論基礎(chǔ)。1實驗材料的物性分析本實驗所使用的樣品取至重慶大學在三峽庫區(qū)推廣栽種的王草。試驗前將空氣干燥基的物料磨細混合,試樣粒徑250-1000m,使其成分均勻02004006008001000溫度℃然后放到皿中待用。進行工業(yè)分析與元素分析,所(a)溫升速率10℃/min得結(jié)果見表1。表1成分分析Tab.I Components analysisTG元素分析樣品析Ca% H,d/%O,f% Nad% Sd/% Aad% Med/% 2.i,ne/(k/kg)王草402852537.120410213.291344176822實驗方法02004006008001000溫度℃21實驗儀器(b)溫升速率20℃/min實驗儀器是上海精密科學儀器有限公司產(chǎn)的ZRY2P型綜合熱重分析儀22實驗條件為去除水分對實驗結(jié)果的影響,試樣在實驗前放入105℃的恒溫爐中干燥Ih。實驗時,分析試樣的質(zhì)量為9mg左右,參比物為aAl2O3做熱解特性時,通入高純N2做保護氣流量為008001000溫度℃80mL/min)。實驗開始時,先通氮氣約60min將加姐升潔an'min熱區(qū)的空氣驅(qū)趕出去后,再打開熱天平的電源對樣中國煤化工品進行加熱并繼續(xù)通入高純N2,升溫速度分別采用CN MH Gristic curve10、20、30℃/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moTG曲線)、質(zhì)量變化率由熱解曲線圖可知,整個熱解過程可分為3個第11期舸等:王草的熱解與燃燒特性實驗研究階段:預熱干燥階段、揮發(fā)分析出階段、碳化階段。k=Ae-ElRT隨著加熱的進行,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為絕對溫度;τ為反應時間;n為反應級數(shù)。在一定溫度區(qū)段保持穩(wěn)定,直到溫度t(揮發(fā)分開始根據(jù)以往的研究經(jīng)驗可選擇m=1,將式(3帶入析出溫度,試樣質(zhì)量開始出現(xiàn)下降。隨著溫度進一式(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In(-AR 2RT E中所示,這一階段,TG曲線急劇下滑,DG曲線式中φ為溫升率,9r·令y=暢素、半纖維素、木質(zhì)素發(fā)生系列并行和連續(xù)的化學=ln[(1變化并析出氣體,開始了揮發(fā)物的析出階段。如圖dT( ay出現(xiàn)峰值,對應的溫度為l2。在熱解溫度高于t碳XIn[-(化階段開始溫度500℃)以后,半纖維素和纖維素小刀,b=、ER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熱解過程,因此高溫區(qū)以木質(zhì)素熱解為Y=a+bX主。由于木質(zhì)素熱解時形成較多的碳,因此王草熱根據(jù)實驗結(jié)果,在不同的熱解階段可以用不同解失重曲線和熱解速率曲線在高溫區(qū)趨于平緩的直線進行擬合,可以計算出樣品不同工況下X王草在不同溫升速率時的熱解參數(shù)見表2。Y的系列值,進而確定出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,即可以計算出反應活化能E和頻率因子ATab 2 Pyrolysis parameters in different heating rates的值,計算結(jié)果如表3所示。很明顯各擬合方程的溫升速率℃min-)相關(guān)系數(shù)都大于099,說明線性回歸比較合理。表3熱解動力學參數(shù)Tab3 Pyrolysis kinetics parameters溫升速率/溫度擬合方程相關(guān)活化能E頻率因子由表2可以看出,隨著溫升速率的上升,王草系數(shù)( k]. mol各特征溫度都有所升高,失重曲線有向溫度高側(cè)移10290-360y5.1785-1112150994792.49442X107動的趨勢。由圖1可以看出,溫度上升到890℃后,20290-366y=5.1470-119g0.996893.03438×10330290-372y=34238-10257x0.992285287.181×10溫升速率為10℃/min時,TG曲線有加速下滑的趨勢,溫升速率為20和30℃/min時的TG曲線也有4燃燒特性實驗結(jié)果與分析定下滑,但沒有10℃/min時曲線下滑明顯。這表41燃燒特性實驗結(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。曲線如圖2所示。33熱解動力學參數(shù)4.2燃燒特性分析根據(jù)試樣的熱解曲線我們可以得出試樣在熱由圖2可以知道,TG曲線有2個明顯的失重重分析儀上進行熱解時任意溫度下對應的質(zhì)量。這過程,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有2個峰值,DTG曲線的峰值代表燃燒速率最程,以描述試樣在實驗過程中的質(zhì)量變化過程9。大值,峰值越大,則燃燒越猛烈。試樣在實驗中的總的質(zhì)量變化為:DTA曲線反映了試樣在整個燃燒過程中熱量a=m二m(1)隨時間或溫度的變化規(guī)律,DTA的峰值代表放熱速率的最大值。由圖2可見,王草燃燒DTA曲線有2式中:m為試樣初始質(zhì)量;m為試樣在實驗結(jié)束時個峰值,存在二次著火現(xiàn)象,后面放熱峰明顯大于的質(zhì)量;m為試樣任一時刻的質(zhì)量。根據(jù)質(zhì)量作用前面中國煤化工表明固定碳燃燒定律可以得到試樣熱解速率方程放熱CNMHGa=k(1-a)(2)4.3燃烴特征參數(shù)的確定式中k為反應速度常數(shù)(1)峰值溫度。由 Arrhenius定律DTG、DTA峰值溫度見表4。國電機工第26卷mg/min:T為著火溫度,K;T為燃盡溫度,KS值越大說明燃料的燃燒特性越佳。試樣燃燒特性參數(shù)如表5所示。44燃燒動力學分析420王草燃燒動力學分析的方法與熱解動力學分析相同,結(jié)果見表6。20040600800表6燃燒動力學參數(shù)Tab. 6 Combustion kinetics parameters(a) TG-DTG曲線溫升速率/溫度范圍相關(guān)活化能E頻率因子A擬合方程00020272-317y90621-12919x0995610741245×10°403466y=254556917x09945751245×104205結(jié)論(1)王草的熱解過程可分為3個階段:預熱干燥階段、揮發(fā)分析出階段、碳化階段。熱解失重b)TG-DTA曲線主要發(fā)生在揮發(fā)分析出階段。圖2燃燒特性曲線(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,失重曲線有向溫度高側(cè)移動的趨勢。curve(heating rate 20C/min)(3)王草燃燒有2個明顯的失重過程,存在表4燃燒特性曲線DTG與DTA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DTA曲線(4)王草燃燒DTA曲線后面放熱峰明顯大于溫升速率第一峰第二峰第二峰(℃min)前面的放熱峰,表明固碳燃燒放熱量大于揮發(fā)分燃溫度/℃溫度/℃溫度℃溫度r℃C燒放熱量。319(2)著火溫度。參考文獻本文采用 TG-DTG法來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)介紹工業(yè)鍋爐,200T6,數(shù)據(jù)見表5。81(5):l1-14Wu Weifeng, Liu Yuzheng. The study of biomass energy utilization(3)燃盡溫度technology[J]. Industrial Boiler, 2003, 81(5): 11-14(in Chinese)本文將試樣失重占總失重99%時對應的溫度[2] Hein KrG, BemtgenJM. EU clean coal technology- co-combustion定義為燃盡溫度T66,數(shù)據(jù)見表5of coal and biomass[]. Fuel Processing Technology, 1998, 54(3):159-169.表5綜合燃燒特性指數(shù)[3]陳濟,萬云林,于徐根,談談王草門江西畜牧獸醫(yī)雜志,199Tab. 5 Synthesis combustion characteristic parameters(3):38-39溫升速率IC-, TK TMKSv(mg.minK-Cheng Ji, Wan Yunlin, Yu Xugen. Introduce king grass[J]. JiangxiJournal of Animal Husbandry Veterinary Medicine, 1999,(3)60744290684×1038-39ⅰ n Chinese)[4]賴艷華,呂明新,馬春元,等.程序升溫下秸稈類生物質(zhì)燃料熱(4)綜合燃燒特性指數(shù)的確定解規(guī)律門.燃燒科學與技術(shù),2001,73):245-248為了全面評價試樣的燃燒情況,采用文獻Lai Yanhua, Li Mingxin, Ma Chunyuan, et al. Research on pyrolysis[16-1i7]中描述煤的綜合燃燒特性指數(shù)S來描述實characteristics of agricultural residues under liner heating temperatureJournal of Combustion Science And Technology, 2001, 7(3)驗中的試樣的燃燒情況中國煤化工/dr)ma(dm/dr)NMHpyrolytic behaviour of式中:S為綜合燃燒特性指數(shù);( (dm/dtmax為最大gemJ,hoE, Puigjaner L., Thermogravimetric study of the燃燒速度,mg/min;( dm/dr)為平均燃燒速度,pyrolysis of waste wood[J]. Thermochim Acta, 1998, 320(2):第11期蒲舸等:王草的熱解與燃燒特性實驗研究161-167.[13] Moghtaderi B, Meesri C, Terry F Wall. Pyrolytic characteristics of[7] Garcia A N, Marcilla A, Font R. Thermogravimetric kinetic study ofblended coal and woody biomass []. Fuel, 2004, 83(6): 745-750the pyrolysis of municipal solid waste[J]. Thermochim Acta, 1995, [14] Vuthaluru H B. Thermal behaviour of coal/biomass blends during254(4):277-304co-pyrolysis]. Fuel Processing Technology, 2003, 85(2): 141-15Sorum L, Gronli M G, Hustad J E. Pyrolysis characteristics and [15] Sami M, Annamalai K, Wooldridge M. Co-firing of coal and biomassof municipal solid wastes]. Fuel, 2001, 80(9): 1217-1227.fuel blends[]. Progress in Energy and Combustion Science, 2001韓向新,劉德昌,等,油頁巖顆粒的燃燒模型[門.中國27(2):171-214電機工程學報,202,22(11)138145[16]顧利鋒,陳曉平,趙長遂,等.城市污泥和煤混燃特性的熱重分Jiang Xiumin, Han Xiangxin, Liu Dechang, et al. Combustion model析法研究U門.熱能動力工,2003,18(6:561-563of oil shale particle[]. Proceedings of the CSEE, 2002, 22(11):Gu Lifeng, Chen Xiaoping, Zhao Changsui, et al. a study of the138-145 (in Chinese)characteristics of mixed burning of municipal sewage sludge and coal[10姜秀民,楊海平,劉輝,等.粉煤顆粒粒度對燃燒特性影響熱分by a thermogravimetric methodg]. Journal of Engineering for Ther析J中國電機工程學報,2002,2212):142-145mal Energy and Power, 2003, 18(6): 561- 563 (in Chinese)Jiang Xiumin, Yang Haiping, Liu Hui,etal. Analysis of the effect[17姜秀民,李巨斌,邱健榮,等.超細化煤粉燃燒特性的研究門,中國電機工程學報,2000206):71-74thermogravimetry!]. Preof the csee,2002,222(12):Jiang Xiumin, Li Jubin, Qiu Jianrong. Study on combustion charact-142-145(in Chinese)eristic of micro-pulverized coal[J]. Proceedings[l韓向新,姜秀民,崔志剛,等.油頁巖半焦燃燒特性的研究U中2016): 71-74(in Chinese)國電機工程學報,2005,25(15):106-110Han Xiangxin, Jiang Xiumin, Cui Zhigang et al. Study of combustion收稿日期:2006performance of oil shale semi-coke[J]. Proceedings of the CSEE,作者簡介2005,25(15):106-0 n Chinese)蒲舸(1969-),男,講師,重慶大學在職博土研究生,主要研究「12】]溫俊明,池涌,金余其,等,垃圾熱解實驗研究及其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預為方向燃燒與環(huán)保, pulay@163com測模型[.中國電機工程學報,2005,25(5):154-158張力(1956-),男,教授,博士生導師,主要研究方向為燃燒與en Junming, Chi Yong, Jin Yuqi, et al. Experimental study on MSW #FRpyrolysis and its neural network prediction modelp]. Proceedings ofthe CSEE, 2005, 25(5): 154-158 (in Chinese)(編輯車德競)中國煤化工CNMHG