木基和竹基生物质燃料燃烧动力学特性研究.doc

PAGE1

木基和竹基生物质燃料燃烧动力学特性研究

摘要：选用木基和竹基生物质燃料进行燃烧热重实验，分段推断其燃烧反应机理及拟合计算动力学参数，探究燃烧动力学特性随温度变化规律。结果表明：木基生物质燃料着火温度、燃尽温度、挥发分析出燃烧最大速率及其对应温度均低于竹基生物质燃料，焦炭燃烧阶段前者的燃烧速率大于后者；木基生物质燃料挥发分析出燃烧初期（260~280℃）和过渡阶段（360~440℃）燃烧反应机理为三维扩散机理（G11），挥发分析出燃烧及焦炭燃烧最大速率前后的机理函数不相一致，竹基生物质燃料整个燃烧反应过程可用同一机理函数描述。挥发分析出燃烧阶段，木基生物质燃料活化能随温度按“增加-下降-增加-下降”变化，竹基生物质燃料则先增加至峰值后下降。

引言

生物质燃烧动力学特性是燃烧设备研发、运行及燃烧方式优化的理论依据。目前，多数学者在进行生物质燃烧反应动力学研究时常采用反应级数形式的反应机理函数，忽略其他形式机理函数的推断和选用，未能充分反映生物质燃烧过程反应机理。在求解燃烧反应动力学参数方面，多数学者建立单阶段或双阶段动力学方程，并以转化率为分段依据进行计算、求解，阶段划分过少易导致动力学参数求解结果局部失真，且掩盖燃烧过程部分反应机理。不同转化率下生物质燃烧反应具有不同活化能及频率因子，而转化率随温度变化而变化，且同一转化率可对应于多个温度。温度是影响燃烧反应过程的关键因素，通过建立燃烧反应动力学参数与温度之间的关系，结合燃烧热重曲线进行分析，有助于认识不同温度历程生物质燃烧反应机理。

本文以木基和竹基生物质燃料作为研究对象，利用热重分析仪研究生物质燃料燃烧特性，探讨不同温度范围内最佳燃烧反应机理函数，并通过Coats-Redfern法求解燃烧动力学参数，分析燃烧动力学特性随温度变化规律，为研发高效的生物质燃用设备和选择合理的燃用方式提供理论参考。

1实验部分

1.1实验原料

本实验选用的原料为广东当地产销较多的木基成型燃料和竹基成型燃料，为保证样品具有代表性，从同一生产批次多点取样，其工业分析及元素分析结果见表1。原料在105℃下连续干燥10h，经粉碎后筛选粒径≤0.18mm的颗粒，并置于干燥皿中备用。

1.2实验设备和方法

采用德国NETZSCH公司生产的STA449C同步热分析仪进行燃烧热重分析实验，样品质量为5.5±0.2mg，载气为干燥空气，流量设定为40mL/min，分别以10，20，30，40℃/min升温速率由环境温度升至1000℃。

2实验结果与分析

2.1燃烧热重曲线分析

不同升温速率下木基和竹基生物质燃料燃烧TG和DTG曲线如图1所示。两种生物质燃料燃烧TG曲线表现为两段式，分别对应于DTG曲线两个失重峰。两种生物质燃料燃烧TG和DTG曲线形状、变化趋势相似，而燃烧过程起点、终点、燃烧速率及残余率等有所不同。

由图1看出，120℃前两种生物质燃料均已完成水分蒸发，此后便进入燃烧预热阶段。随着颗粒内外部温度不断升高，挥发分开始析出，与空气混合并在温度达到着火点时发生燃烧反应，燃烧产生的热量进一步加速燃料热分解，TG曲线快速下降，DTG曲线形成一明显失重峰。从木基和竹基生物质燃料DTG曲线可发现，前者挥发分析出燃烧温度区间大，说明含有较多热分解温度低的小分子挥发分（半纤维素），即热分解起始时间提前。竹基生物质燃料挥发分析出燃烧时间较木基生物质燃料短，在挥发分含量几乎相同的情况下（表1），前者单位时间燃烧的质量更多，这也是前者挥发分析出燃烧速率大于后者的主要原因。温度约为400℃时，两种生物质燃料进入焦炭燃烧阶段，木基生物质燃料最大燃烧速率明显高于竹基生物质燃料，一是前者燃烧过程灰分少，颗粒内外氧分子和热量扩散阻力小；二是前者在挥发分析出燃烧阶段反应速率低，焦炭生成量大，即有更多的碳参与燃烧反应。温度为492~575℃时，DTG曲线变化缓慢并趋于0，进入燃尽阶段。

随着升温速率的增大，两种生物质挥发分析出燃烧温度区间均向高温方向偏移，这是因为升温速率越大，热滞后现象越明显，颗粒来不及吸收热量，导致热分解所需温度向高温侧移动。升温速率对燃烧反应速率有一定影响，但影响规律不明显。表2为不同升温速率下木基和竹基生物质燃料燃烧特征参数。

2.2燃烧反应动力学

2.2.1燃烧反应机理函数推断

生物质燃料燃烧是一个复杂的物理化学反应过程，其反应速率取决于速率常数和反应物浓度。燃烧反应动力学基本方程为

由表2可知，两种生物质着火温度为255~297℃，焦炭最大燃烧速率对应温度为427~490℃，为最大程度反映转化率与温度、升温速率之间的关系，选取温度为260~460℃内的转化率进行分析。分别将不同温度范围内的转化率和升温速率数据代入方程式（3）进行