生物質(zhì)熱反應(yīng)機理特性研究

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1、第30卷第4期太陽能學報v01．3O．No．42OO9年4月ACTAENERGI^-ESOLARIsSINICAApr．，2OO9生物質(zhì)熱反應(yīng)機理特性研究胡松，付鵬，向軍，孫路石，丘繼華，張軍營(華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，武漢43oo74)摘要：通過對不同生物質(zhì)在熱解以及不同氧含量下燃燒過程的研究，詳細探討了生物質(zhì)熱反應(yīng)機理。將OZA．WA分析方法和動力學分析法結(jié)合，計算得到固體樣品在熱反應(yīng)過程中的活化能分布特征，進而確定所對應(yīng)的動力學反應(yīng)機理。通過對纖維素熱解過程的分析證明該方法的準確

2、性，并對不同生物質(zhì)在不同條件下熱反應(yīng)過程進行全面分析。結(jié)果表明，熱反應(yīng)過程可以分為兩個階段，第一階段為揮發(fā)份釋放階段，動力學基本上符合R2即三維隨機成核和核增長(除棉桿在N2：02=54：1條件下的反應(yīng))；第二階段為焦反應(yīng)階段，動力學機理變化較大，而該變化與顆粒相的結(jié)構(gòu)有關(guān)，其動力學特征可以歸納為(1一a)，n的取值與顆粒結(jié)構(gòu)特性相關(guān)。關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；熱反應(yīng)；OZAWA方法；動力學分析中圈分類號：TQ351．2文獻標識碼：A『lin)來表征生物質(zhì)熱解過程。OsvaldaSennecaLl研究IJ

3、和罱了3種生物質(zhì)在熱解、燃燒和氣化中的動力學過程。目前全球能源消費比例是煤約占12％、天然氣他認為焦的孔隙結(jié)構(gòu)對其后期的反應(yīng)性有直接關(guān)15％以及電力14％，與之相比的是生物質(zhì)能約占系，氧濃度對生物質(zhì)熱反應(yīng)過程有直接影響。Ayllon14％l1J?，F(xiàn)在發(fā)達國家對生物質(zhì)能利用日益關(guān)注，M等[3]研究肉類的熱解過程，通過比較不同的動力主要是因為生物質(zhì)是可再生能源以及具有CO2零排學方程確定符合肉類熱解的最佳動力學解釋。放特性。生物質(zhì)能利用通常是借助熱化學轉(zhuǎn)化(熱以上表明對生物質(zhì)熱解、燃燒或氣化過程動力

4、解、氣化和燃燒)來完成的。熱解、氣化和燃燒之間學的研究有各種各樣的分析結(jié)果_5。而生物質(zhì)物的主要區(qū)別在于反應(yīng)過程中氧濃度的不同。熱解是理，化學結(jié)構(gòu)多樣性更使得分析結(jié)論無明顯規(guī)律，這在無氧條件下完成的，其主要產(chǎn)物是焦炭、焦油和熱正是制約生物質(zhì)大規(guī)模使用的瓶頸。對生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)解氣；氣化則是在缺氧或可提供氧原子的氣化介質(zhì)化過程中動力學規(guī)律的分析和總結(jié)是破解這一瓶頸條件下反應(yīng)生成氣化氣；燃燒是在氧濃度為21％條的關(guān)鍵。本文主要對我國典型農(nóng)業(yè)生物質(zhì)在熱重分件下完成的氣固反應(yīng)。析儀上進行不同氧含量條件下反應(yīng)過

5、程研究。提出近50年來，研究者們對生物質(zhì)熱轉(zhuǎn)換過程一種基于OZAWA法和動力學評判的分析方法。通進行了詳細研究。但很少有人對生物質(zhì)熱反應(yīng)進行過對純纖維素熱解過程的分析，確定該方法的準確系統(tǒng)探討。JaakkoJauhiainen等l2研究了橄欖制油后性。然后對生物質(zhì)熱解及不同氧含量燃燒過程進行廢棄物的熱解和燃燒過程，他們發(fā)現(xiàn)其熱解過程可研究，分別確定所對應(yīng)的動力學參數(shù)和動力學機理。分為holoceUulose和lignin分解過程兩個部分。而燃1實驗方法燒過程中只是在上述反應(yīng)上加入了一個額外的焦反

6、應(yīng)過程，該反應(yīng)在揮發(fā)分還未釋放完就開始進行。所有的生物質(zhì)破碎至25tan—lmm顆粒。所有同時在不同氧濃度下，廢棄物的動力學參數(shù)與氧的試驗均在德國Bayreuth大學完成，元素分析和工業(yè)分壓成正比。而Antal和V~egyi-4等提出用反應(yīng)級分析在Euro-CA3000(HEKAtech，Italy)和rIGA·2OOO數(shù)為一的三組分模型(hemicelhlose，cellulose和lig．(NavasInstrtnnents，Spain)I-_進行，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。收稿日期：20O7．10-

7、23基金項目：國家高新技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)項目(2007AA05Z308)；新世紀優(yōu)秀人才支持計劃項目(NCET-07-0335)通訊作者：胡松(1973一)，男，博士、副教授、碩士生導師，主要從事非催化氣固反應(yīng)動力學方面的研究。hssh30@163．e0m51O太陽能學報30卷表1農(nóng)業(yè)生物質(zhì)工業(yè)分析及元素分析a)與反應(yīng)機理有關(guān)。Table1Proximateandultimateanalysis2．1OZAWA法ofagriculturebiomasssamplesOZAWA方法在計算活

8、化能時無需提前確定反元素分析，％(wt)工業(yè)分析，％(wt)應(yīng)機理，具體計算方法見參考文獻[1l，l2]。樣品[c][H][N][S][0]H20VFCA2．2動力學模型分析稻草38．105．250．860．0255．775．6866．7113．5014．11由TG和DTG數(shù)據(jù)可以確定動力學參數(shù)，但絕谷殼38．455．220．45—55．886．7361．2314．9617．08大多數(shù)方法使用的前提條件是需要確定反應(yīng)機理，棉桿44．855．720．76—48．676．4175．7715．122．