玉米秸秆致密成型燃料燃烧动力学分析

为近一步实现秸秆致密成型燃料高效燃烧的合理利用,该文选用玉米秸秆致密成型燃料进行燃烧动力学分析,通过对玉米秸秆在不同粒度（1、0.25 mm）和不同升温速率（10、20、40℃/min）进行热重分析,采用一级反应动力学模型,得出不同实验水平下的热重、热重变化率及差热,利用热重和热重变化率计算出动力学参数——活化能和频率因子, 最后得到玉米秸秆的热解动力学方程。研究表明：玉米秸秆致密成型燃料的燃烧过程大致可以分为燃料吸热失水反应、挥发分析出和燃烧反应及固定碳的燃烧反应3个阶段,升温速率和样品细度的变化对燃料的活化能及最大失重速率有一定影响,玉米秸秆致密成型燃料的活化能在升温速率为20℃/min时最大。该研究为进一步研究生物质成型燃料的实际热解过程分析以及燃烧设备的设计参数选择提供理论依据。     

积分方法改进的生物质热解反应速率模型构建

针对经典Arrhenius方程中温度积分项不可积的问题,通过设定热解过程中生物质转化率同时为时间(和温度r的函数,使温度积分项可积分,有效避免积分法动力学分析中因简化而导致的计算误差。基于此热动力学方程(Ⅱ类热动力学方程)采用等转化率线性积分法求解反应活化能E,并结合模型拟合法选取最优反应机理函数,将选取的机理函数重新代入Ⅱ类热动力学方程积分式解得指前因子A的值。基于等转化率线性积分法分别采用Ⅰ类及Ⅱ类热动力学方程对玉米芯等5种生物质热解过程进行动力学分析,结果显示2类热动力学方程求得生物质活化能E的决定系数均高于0.95。Ⅱ类动力学方程求解的动力学参数计算的动力学分析值与试验值的吻合度高于Ⅰ类动力学方程。根据热解反应的活化能E与lnA具有高度线性拟合性,且转化率0.05～0.85间活化能波动不大这一特点,采用最大热解速率处转化率对应的热解动力学参数简化热解过程的动力学参数,可减小数值模拟的计算成本,为工程上热解反应的数值模拟提供一定的基础。     

坚果壳类生物质慢速热解动力学分析

为研究坚果壳生物质的慢速热解动力学过程，对两类坚果壳类生物质(花生壳和葵花瓜子壳)进行了低升温速率下惰性气氛的热重分析实验。采用竞争型热解反应动力学模型描述它们的热解过程。在原有动力学机理函数的基础上，提出了一种新的经验动力学机理函数。利用现代优化技术——模式搜索法，对实验数据进行了动力学分析，结果表明：新动力学机理函数能有效描述坚果壳类生物质的慢速热解动力学过程。     

水热生物炭燃烧特性与动力学分析

采用热重法对锯末、玉米秸秆水热生物炭燃烧特性及动力学进行了研究,考察了不同升温速率(10、20、40℃/min)对燃烧特性的影响,分析了它们的燃烧特性及动力学参数。结果表明:1)水热炭化前后生物质燃烧质量损失集中在挥发分和固定碳燃烧阶段,升温速率快,着火温度、燃尽温度高,整体向高温区转移,综合燃烧特性指数越大;2)40℃/min时,锯末水热生物炭综合燃烧特性指数远大于玉米秸秆,在其余升温速率下区别不明显;3)以20℃/min相同升温速率时,锯末、玉米秸秆水热生物综合炭燃烧特性相对于未炭化生物质下降27%、13%;4)采用一级反应动力学模型和积分法对水热生物炭燃烧动力学进行了研究,一级反应动力学能很好的描述2种生物炭的燃烧动力学,相关系数(R2)均高于0.9,挥发分阶段活化能大于固定碳阶段的活化能。研究结果可为水热生物炭的燃烧应用能提供理论指导。     

向日葵籽壳热解反应动力学的研究

采用热重分析法(TG)在不同升温速率下(5、10、20、30℃/min)对粒径为0.154～0.280 mm向日葵籽壳热解的热失重行为进行了研究。结果表明，向日葵籽壳热解分为四个阶段，随着升温速率的提高，各个阶段的起始和终止温度向高温侧稍微移动，并且主反应区间也略有增加。Ozawa法和Starink法计算得出的向日葵籽壳在热解过程中不同失重率下的活化能(E)都集中在140～178 kJ/mol范围内。用积分法Coats-Redfern方程、微分法Achar方程以及热分析动力学三因子求算的比较法得出该反应过程的机理函数表达式。经过对41种常用机理函数一一代入得出Jander方程能较好地描述向日葵籽壳热解反应过程，机理为三维扩散，球形对称，反应级数n=2。该研究可为生物质热解装置的工艺参数优化提供参考。     

升温速率对椰壳热解特性的影响及动力学分析

利用热重分析仪对椰壳在不同升温速率（5、20、40℃/min）下的热解特性及动力学进行了研究,探讨了热解机理。结果表明：椰壳热解过程主要分为脱水、快速热解和缓慢失重;对比不同升温速率下的失重曲线表明,升温速率对热解失重率有明显影响,其最终热解产物的得率随升温速率的增加而减少。运用氮吸附仪测定其吸附等温线,获得不同热解温度对炭化料的孔结构,结果表明：热解温度越高,微孔越发达。使用TG曲线数据,利用分布活化能模型求出相应的活化能,失重率在0.1～0.8之间时,活化能在146～444 kJ/mol,呈“N”形变化。活化能的分布函数,反映了椰壳热解过程中不同阶段反应性能的变化规律,有助于了解椰壳的热解机理。     

玉米秸秆热解动力学分析(简报)

该文采用耐驰STA449同步热分析仪,研究了玉米秸秆在升温速率为5、10、15、20、30 K/min,反应终止温度1273K的热分解反应,结果表明玉米秸秆热解过程可分为失水预热解、热解和碳化3个阶段,随着升温速率增加,反应的特征温度和最大失重速率增加,差示扫描（DSC）曲线整体向下倾斜,升温速率过大时,出现失水滞后现象。分别用FWO法、FRL法和Kissinger法对玉米秸秆热解进行了动力学计算,其热解活化能为（161±23）kJ/mol,通过Malek法确定了玉米秸秆热解满足J-M-A方程,反应机理为随机成核随后生长,确定了反应级数n和指前因子对数lgA的范围,并利用Matlab软件对实验数据进行拟合,验证了机理的正确性,并确定了玉米秸秆热解反应的动力学参数。该文结果对工程应用有指导意义。     

玉米秸秆与油页岩混烧的热重试验

为了充分燃烧利用农业生物质与油页岩,采用热重-差示扫描量热(TG-DSC,thermogravimetric-differential scanning calorimetry)技术对玉米秸秆与油页岩混合燃料进行了热重试验,对其各燃烧特性与燃烧机理进行了分析并计算了燃烧动力学参数。结果表明,混烧试样的微分热重(DTG,differential thermogravimetric)曲线出现4个峰值,主要分别是半纤维素热解、纤维素热解、木质素和油页岩热解,以及油页岩焦炭燃烧和油页岩无机盐热解。在DTG曲线第1至第3峰之间出现DSC曲线放热峰,在DTG曲线第3峰至第4峰之间出现DSC曲线吸热峰,需要强化混合燃料的前期燃烧;玉米秸秆与油页岩的质量比例为4∶1时的混合燃料S2,其混烧的可燃特性、着火特性及综合燃烧特性指数均最大,燃尽时间最短,燃尽特性指数较大;在前3个温度区段,混合试样的活化能及频率因子均随温度区段的升高而降低,体现了活化能与频率因子变化的一致性;低温阶段与高温阶段反应级数分别约为1.5及0.7。研究结果可为生物质和油页岩的混烧利用提供参考。     

几种生物质热解特性及动力学的对比

该文对芒属、芦苇、狼尾草进行常压热重分析,同时与稻草相比较,试验结果表明：草类生物质热解过程可以分为4个阶段,干燥失水、过渡阶段、快速热解、炭化阶段。在290℃附近存在一个肩峰,失重都集中在187～400℃,挥发分综合释放指数芒属＞稻草＞狼尾草＞芦苇,活化能芒属＞稻草＞狼尾草＞芦苇,固体剩余物芒属＞狼尾草＞稻草＞芦苇,所以总体上看芒属的热解稳定性相对较差,芦苇的热解稳定性较好,同时采用二级反应动力学模型由Coats-Redfern法求的相应得活化能和频率因子。     

松木粉加压热解气化动力学特性

为了研究松木粉的加压气化特性,在加压热天平上分别进行了N_2、CO_2+N_2气氛下松木粉加压热解/气化试验,使用Malek法推断最概然机理,研究了反应压力与对热解/气化特性和动力学参数的影响。结果表明:压力对松木粉热解/气化过程有显著影响。N_2气氛下,压力的增大抑制了挥发分的析出,最大失质量由73.8%减小至71.4%;Malek法推断出二级反应级数和随机成核分别为加压热解第1、第2段最概然机理;热解第一段活化能由压力为0时41.15 k J/mol增大至0.9 MPa时的52.41 k J/mol。在CO_2+N_2气氛下,热解阶段压力的增大抑制挥发分的析出;半焦气化阶段,压力的增大促进气化反应的进行,使失质量速率峰值由0.101%/K增大至0.162%/K,且出现温度降低;二维扩散(圆柱形对称)为加压气化最概然机理;随着压力的提高,在碳转化率较高时,半焦CO_2气化速率逐渐提高。该文结果可为生物质的高效、清洁利用提供参考依据。     

木屑及其水热炭的热解特性和动力学对比

为全面了解木屑及其水热炭的差异,获取更多关于水热炭作为化工燃料的使用特性。该文使用热重分析仪和傅里叶红外光谱仪对比研究了木屑及其水热炭在热解过程(10℃/min升温速率)中的失重特性及其官能团变化,分析了升温速率(10、20、30℃/min)对2种样品热解失重过程的影响,采用DAEM(分布活化能模型)计算了2种样品不同转化率下的活化能。结果表明:1)在200℃反应6 h得到的木屑水热炭,化学结构与木屑相似。2)在热解过程(10℃/min升温速率)中,木屑与水热炭最大失重速率分别为0.817%/℃和1.224%/℃,温度为353.57℃和363.42℃;不同终温下半焦红外光谱分析发现,水热炭更易解聚,其碳化速度更快。3)对比3种不同升温速率下2种样品的失重曲线可知,水热处理没有影响热滞后现象,样品焦炭生成量与升温速率无关,焦炭生成量平均值水热炭大于木屑。4)DAEM模型适用于2种样品热解反应活化能的求解,木屑及其水热炭活化能分别为99.33~252.72 k J/mol和63.77~211.68 k J/mol,当转化率在0.30到0.80范围时,木屑的活化能高于水热炭。研究结果为木屑水热炭热化学转化制备焦炭提供理论依据。     

玉米秸秆与市政污泥混合热解特性及动力学分析

为探究玉米秸秆与市政污泥的混合热解特性,基于热重分析法,在不同升温速率(10、20和30℃/min)下对玉米秸秆、市政污泥及混样进行热重试验,同时采用Coats-Redfern积分法进行了动力学分析。结果表明:玉米秸秆与市政污泥相比热解特性差异大,残余率相差18.57%,综合热解指数相差35.73×10^-5,活化能E相差35.31~46.88 kJ/mol。随市政污泥的从10%到90%,热解起始温度由277.7℃下降至256.1℃,残余率由33.69%增加至45.83%,最大失质量速率由7.88%/min下降至3.11%/min,综合热解指数由8.5×10^-5下降至1.7×10^-5。表明市政污泥虽改善了混样的热解起始温度,但同时也使残余率增加,失质量速率变缓,综合热解指数降低。混样综合热解指数显示二者共热解整体存在抑制作用。动力学参数显示,升温速率升高使活化能增加,玉米秸秆单独热解过程所需活化能E大于市政污泥,市政污泥的质量分数从10%提高到90%,热解活化能由66.01~46.16 kJ/mol降低至44.47~17.04 kJ/mol。该研究可为玉米秸秆和市政污泥的利用提供基础支撑。     

基于热重法的生物质工业分析及其发热量测定

为了比较不同种类生物质的燃烧特性,丰富热重分析技术的应用方向,该文采用热重分析技术对农业剩余物、林业剩余物和工业加工废渣的代表性生物质进行了空气气氛下不同升温速率的燃烧特性试验研究。研究表明:3种类型生物质的燃烧过程均包括4个主要阶段:水分蒸发阶段、挥发分析出及燃烧阶段、固定碳燃烧阶段、燃尽阶段。该文提出1种确定样品工业分析值的方法,即热分析曲线法,并推荐应用20℃/min升温速率下的热分析曲线图来计算确定。同时还提出1种差热分析法,用以计算生物质样品发热量,分析发现,农业秸秆类剩余物适用于20℃/min的升温速率,木屑和甜高粱渣适用于5、10℃/min的升温速率。该文提出的计算工业分析值的热分析曲线法与计算发热量的差热分析法,为热重分析技术研究生物质的燃烧特性提供了新的应用方向,但2种新方法的建立,以及他们的有效性和适用性,仍需要大量试验数据的验证和进一步的试验研究。     

保温时间与粒度对稻秆和棉秆热解产物组成及能量转化影响

热解炭化技术的开发对秸秆的能源化利用具有重要意义。试验研究了保温时间与粒度对水稻和棉花秸秆热解产物理化特性及能源转化的影响。结果表明,保温时间从0到120 min中,秸秆生物炭产率先降低后略增加,热解气中CH_4、C_nH_m和H_2百分含量增加,其高位热值和能量转化率增加,而生物炭的pH值、电导率、灰分、固定碳、C、高位热值增加,保温时间为90 min的生物炭的炭化程度最好。秸秆中能量有1.5%~5.4%保留在热解气中,有50%~57%保留在生物炭中。不同粒度相比,粗粉秸秆的生物炭的炭产率、挥发分、H、O、N及碳转化率最高,细粉秸秆热解气中CO和CH_4百分含量、高位热值和能量转化率最高,而超微秸秆生物炭的pH值、灰分、C最高。棉花秸秆生物炭的挥发分、固定碳、C、H、碳转化率、高位热值和能量转化率高于水稻秸秆生物炭。     

木屑快速热裂解生物油特性及其红外光谱分析

该文以杨木木屑快速热裂解制取的生物油为原料,对其进行了理化特性研究及傅立叶变换红外光谱（FTIR）分析,同时和甜高粱茎秆残渣热裂解生物油的特性进行了比较。结果表明,木屑生物油含水率较低（25.01%）,热值较高（20.62 MJ/kg）,常温下运动黏度为3.44 mm2/s,密度、灰分含量和残炭值分别为1072 kg/m3,0.305%,12.74%,且呈明显的酸性（pH=3.07）。随着温度的升高（25～100℃）,木屑生物油运动黏度明显降低。木屑生物油的较低含水率和较高热值,使其在应用方面优于甜高粱茎秆残渣生物油。然而,从傅立叶变换红外光谱图上不同位置的吸收峰可以判断木屑生物油含有多种官能团,实际应用之前需要进一步的精制。     

玉米秸秆粉末闪速加热挥发特性的研究

为了获得生物质在闪速加热条件下的热解挥发特性，引入一套层流炉系统进行实验研究。可变工况参数包括反应加热温度从800 K至950 K变化，热解停留时间从0.108～0.224 s变化。实验材料是粉碎的玉米秸秆，粒径0.117～0.173 mm，不作为变量考虑。利用等离子体加热技术，可以保证层流炉内部温度稳定保持在恒定设置数值。工作气体为氩气，流量1.5～2.5 m³/h。热解残炭由一个水冷收集器(冷激器)收集，并且利用旋风分离器与气流分离。利用灰分示踪法确定玉米秸秆粉末热解的挥发程度。引入Arrhenius形式的一级挥发反应模型分析实验数据，得到了相应的热化学动力学参数。结果表明，闪速加热热解与慢速热解存在明显不同，与加热速率无关。闪速加热挥发特性对于研究生物质液化机理有重要意义。     

应用同步热分析仪确定小麦秸秆热解需热量

为了解决生物质热解过程需热量的定量问题,该文应用热重—差示扫描（TG/DSC）同步热分析仪对小麦秸秆进行了热解实验研究。将约5 mg的小麦秸秆粉样品装入带盖的铂铑坩锅中,放在热解炉中的DSC-cp高精度样品支架上,在流量为25 mL/min的高纯氮气吹扫下,以10 K/min的升温速率从常温升至973 K,记录生物质的热重(TG)曲线和差示扫描(DSC)曲线。通过对实验所得微分热重(DTG)曲线和DSC曲线对比分析,对小麦秸秆热解过程进行了详细的探讨。在DSC曲线上扣除水分的影响后对其积分得出热解过程需热量的规律。结果表明,要使1 kg干小麦秸秆完成从常温303 K到673 K,773 K,873 K的升温和热解,所需的总热量分别为523 kJ,558 kJ,592 kJ。     

碱木质素与油页岩共热解特性及动力学分析

通过油页岩与碱木质素的热解不但可以得到丰富的轻质气体,也存在着有害的含芳环结构化合物以及酚类化合物等物质,通过二者的共热解意在减小有害物质的生成,提高气产率。选取不同工况下碱木质素与油页岩进行共热解试验,并通过2种Model free动力学分析法对该混合试样进行拟合分析。结果表明:5个试样的失质量峰整体都具有相同的规律。油页岩与碱木质素的热解峰有叠加,具备协同的条件。碱木质素添加量为80%的混合试样对气产率存在抑制作用,其余混合比都使气产率增加。基于FTIR的检测,混合比对二者的共热解产量影响的研究中表明,向油页岩中添加80%的碱性木质素,可以减少芳环结构化合物与酚类化合物的生成。但对于H2O、CO、CO2、CH4的累积产量并未产生明显的影响。不同升温速率的试样中,芳环结构化合物、CO2、CH4的累积产量与升温速率和温度成正比,H2O、CO、苯酚类化合物则不同。通过2种Model free法对该试验数据进行拟合且效果较好,证明了该反应机理的复杂性。