玉米秸秆燃烧特性及动力学分析

摘要：利用热重分析仪对玉米秸秆进行了不同升温速率下的燃烧特性实验，得到了燃烧特性曲线并且求解了燃烧特性参数。研究结果表明，玉米秸秆的燃烧可以分为三个阶段：水分蒸发、挥发分的析出燃烧、固定碳的燃烧，玉米秸秆具有着火温度低、燃尽率高、燃烧速率大等优点。升温速率的提高不利于生物质的着火和燃尽，但是增大了反应速率。对玉米秸秆的挥发分析出燃烧阶段和固定碳燃烧阶段分别求解了动力学参数，结果表明一级反应动力学模型是可行的。

Abstract: The combustion experiments of cornstalk were conducted under different heating rates using the thermogravimetric analyzer. Combustion characteristic curves and combustion characteristic parameters were acquired. The research results showed that the combustion process of cornstalk can be broadly separated into three stages: evaporation of water, release and combustion of volatile, combustion of fixed carbon.The cornstalk has a advantage of low ignition, better burnout as well as high combustion rate.It was observed that the delayed temperature of ignition and burnout and raised reaction rate can be achieved with the addition of heating rate. The result showed feasibility of using first order reaction model to solve the kinetic parameters of cornstalk combustion.

关键词：玉米秸秆；热重分析；燃烧特性；动力学参数；反应性

Key words: cornstalk；thermogravimetric analysis；combustion characteristics；kinetic parameter；reactivity

中图分类号：TK227.1文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）23-0031-02

0引言

生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动、植物可再生的物质。生物质是地球上存在最广泛的物质，地球上每年生长的生物质能总量相当于目前世界总能耗的10倍，而作为能源用途的生物质仅占总产量的1%左右，开发应用潜力十分巨大[1]。我国生物质年产量巨大，农业生物质中秸秆类粮食产量2005年约为5亿吨，经计算秸秆产量约6亿吨，这些农作物秸秆中的40%左右用于饲料、肥料和工业原料，尚有60%左右可用于能源用途。因此，在我国合理利用生物质资源具有重要的意义，以目前我国的基本国情和生物质开发利用水平，直接燃烧及与其它燃料混烧是一种简单可行的高效利用生物质资源的方式之一[2]。燃烧生物质相对于烧煤来说具有低污染性，其硫、氮含量低，燃烧过程中的SOx、NOx排放较少，另外对大气的二氧化碳排放量近似等于零，可有效地减轻温室效应。

许多学者在生物质燃烧方面做了相关的研究。西安交通大学的梁爱云等[3 ]在热重分析仪上对木屑、麦秆、玉米秆和玉米芯4种生物质的燃烧特性进行了研究，提出生物质具有着火温度低、燃尽温度低、燃尽率高等优点，并通过求解表明生物质具有较低的活化能。华北电力大学的田松峰等[4]研究了玉米秸秆的燃烧特性及动力学，提出玉米秸秆的挥发分燃烧区的表观活化能和频率因子小于固定碳燃烧阶段。本文将对玉米秸秆的燃烧特性、燃烧动力学进行研究。

1实验

1.1 实验样品实验所用玉米秸秆取自当地。按照GB474-2008制取粒径小于0.2 mm的分析试样，其工业分析和元素分析见表1。

1.2 实验设备与实验方法实验所用热天平为美国Perkin Elmer公司生产的Pyris1 TGA热重分析仪，取样品5-7mg，在模拟空气气氛（O2：N2=1:4）下按设定的升温速率从室温升至850℃，气体流量为50 ml/min。玉米秸秆样品进行升温速率为10、20、50℃・min-1的燃烧实验。

2实验结果与分析

2.1 燃烧过程的分析图1给出了玉米秸秆在升温速率20℃・min-1条件下燃烧的TG、DTG曲线。表2给出了生物质燃烧热重曲线的各特征参数。其中着火温度Ti采用常用的TG-DTG外推法确定。最大燃烧速度（dW/dt）imax为DTG曲线第i阶段的最大失重峰值，其所对应的温度为Timax。燃尽温度Th定义为TG曲线不再有重量变化的起始温度。

由图1可以看出，玉米秸秆的燃烧分为三个明显的阶段，第一阶段（大致为初始温度-150℃）为水分的蒸发，第二阶段（大致为150-400℃）主要是挥发分的析出燃烧，第三阶段（大致为400-600℃）是固定碳的燃烧。生物质燃烧的DTG曲线有两个易燃峰，第一个峰值较大，这是由于生物质的挥发分较多，且具有多孔性和碳结构无序性等特点[3]，因此可燃物质主要集中在这一阶段燃烧。本文求得生物质的燃烧特性参数与文献[5]相比知，玉米秸秆较煤具有较低的着火和燃尽温度，着火温度为261℃，燃尽温度为535℃，且玉米秸秆具有较高的反应速率。

2.2 升温速率对玉米秸秆燃烧的影响图2和图3给出了玉米秸秆在不同升温速率下的TG和DTG曲线。表3给出了玉米秸秆在不同升温速率下的燃烧热重曲线的各特征参数。从图2、图3和表3可以看到，随升温速率的增大，玉米秸秆的着火温度和燃尽温度呈升高趋势，说明升温速率的增大不利于玉米秸秆的着火和燃尽，这是因为升温速率越大，试样颗粒的内外温度梯度越大，不利于挥发分的析出，从而被灰分包裹的碳也不容易与氧气接触[6]，因此不利于燃尽，同时升温速率越大，燃烧时间越短，对燃尽也有不利的影响。随升温速率的增大，试样燃烧第一阶段和第二阶段的最大燃烧速率均显著增加，且两阶段的峰值温度也呈升高趋势。这是由于在燃烧过程中，升温速率越大，试样在短时间内获得较强的热冲击，加快了试样与氧气的反应速度；同时升温速率越大，试样颗粒内外温度梯度越大，造成了反应的热滞后现象[7]，使得最大燃烧速率对应的温度向高温区移动。

其中W0、WT、Wf分别表示样品的初始质量、温度为T时的质量、反应终止时的质量。玉米秸秆燃烧过程的反应速率可用如下的

玉米秸秆的燃烧不考虑水分分为两个阶段，我们在挥发分析出燃烧阶段和固定碳燃烧阶段分别求取动力学参数。

表4为按照各试样不同阶段的关系图通过线形回归计算得到的动力学参数。本试验的动力学参数具有较高的相关系数，说明一级反应动力学模型是可行的。玉米秸秆的活化能相对较低，在挥发分析出与燃烧阶段活化能大致为60～68kJ/mol，在固定碳燃烧与燃尽阶段活化能要高一些，为120～129kJ/mol。而玉米秸秆的频率因子在挥发分析出燃烧阶段大致为5.82×104～8.72×105，在固定碳燃烧与燃尽阶段大致为1.45×108～2.92×108。并且活化能和频率因子都随着升温速率的升高而变大。

3结论

3.1 玉米秸秆的燃烧分为三个阶段：水分蒸发、挥发分析出燃烧、固定碳燃烧，其燃烧主要发生在挥发分析出燃烧阶段。玉米秸秆的挥发分含量大，灰分含量较低，易于着火和燃尽。

3.2 随着升温速率的增大，玉米秸秆的着火温度、燃尽温度和最大燃烧速率对应温度变大，即反应向高温区移动。但是玉米秸秆的最大燃烧速率随升温速率的升高显著增加。

3.3 采用Coats-Redfern 方程和一级反应模型求取了玉米秸秆燃烧反应的活化能和频率因子。结果表明一级反应动力学模型是可行的。

参考文献:

[1]曾凡阳，刘朝，王文钊等．生物质热重实验及动力学分析．工业加热，2008，37（3）：6-8.

[2]赖艳华，吕明新，马春元等．程序升温下秸秆类生物质燃料热解规律．燃烧科学与技术，2001，7（3）：245-248.

[3]梁爱云，惠世恩，徐通模等．几种生物质的TG-DTG分析及其燃烧动力学特性研究．可再生能源，2008，26（4）：56-61.

[4]田松峰，薛海亮，付小倩等．玉米秸秆燃烧特性的实验分析．电站系统工程，2008，24（1）：21-23.

[5]张海清，程世庆，尚琳琳等．生物质与煤共燃的燃烧特性研究．能源研究与利用，2007，（2）：13-16.

[6]米铁，陈汉平，杨国来等．农林生物质废弃物的热重实验研究．能源研究与利用，2007，（2）：13-16.

[7]朱恂，李刚，冯云等．重庆地区7种生物质的成分分析及热重实验．重庆大学学报（自然科学版），2006，29（8）：44-48.