沈陽農(nóng)業(yè)大學學報,2007-02,38(1):94-97Journal of Shenyang Agricultural University, 2007-02, 38(1): 94-97葵花稈的熱解動力學研究陳東雨,劉榮厚2(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學工程學院,沈陽110161;2上海交通大學農(nóng)業(yè)與生物學院生物質(zhì)能工程研究中心,上海201101)摘要:為使葵花稈得到高效清潔的利用,為生物質(zhì)熱解裝置的正確設(shè)計提供理論依據(jù),采用熱重法在不同升溫速率下對葵花稈的熱解行為進行了研究。結(jié)果表明:葵花稈的熱解可分為4個階段,隨著升溫速率的提高,主反應(yīng)區(qū)熱重曲線和微分熱重曲線都向高溫方向移動熱解最大速率以及相對應(yīng)的溫度隨之提高; Ozawa法計算葵花稈主熱解區(qū)間的活化能值集中在10633-180.05kmol范圍內(nèi); Satava機理函數(shù)推斷法得出葵花稈熱解的最可能機理屬于19號機理函數(shù)-Avmi- Erofeev方程,隨機成核和隨后生長,反應(yīng)級數(shù)n=3。關(guān)鍵詞:葵花稈;生物質(zhì);熱分析;熱解;動力學中圖分類號:S565.5;Q41419文獻標識碼:A文章編號:1000-1700(2007)01-0094-04The Kinetics of Sunflower Stalk PyrolysisChen Dong-yu, LIU Rong-hou(1.College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China; 2. Biomass Energy Engineering Research Centre, School ofAgriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 201101, China)Abstract: To use the sunflower stalk effectively and cleanly and provide theory basis for the correct design of biomass pyrolysisdevice, pyrolysis kinetics of sunflower stalk was performed by thermogravimetric analysis(TGA) at different heating rates. The reults showed the pyrolysis process of sunflower stalk could be separated into four stages. With the heating rate increasing, theTG and DTG curves of the main pyrolysis area shift up the temperature scale, the maximum pyrolysis rate and its correspondingtemperature increased too. The value areas of activation energy was 106.33-180.05 kJ-mol-calculated by the method of Ozawae most possible mechanism function of sunflower stalk was Avrami-Erofeev equation, which is a random nucleation and laterKey words: sunflower stalk; biomass; thermolgravimetric analysis; pyrolysis; kinetics全球每年生物質(zhì)的產(chǎn)量非常豐富,但是大多數(shù)都由于各種原因未得到有效利用。目前全世界仍有25億人口用生物質(zhì)煮飯取暖和照明,但生物質(zhì)利用總量還不到其產(chǎn)量1%。因地制宜將生物質(zhì)資源轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)能源,對緩解能源緊張、建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)、促進國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護具有重大意義。生物質(zhì)熱解是生物質(zhì)轉(zhuǎn)換技術(shù)中的重要方式之一,也是生物質(zhì)氣化或燃燒等轉(zhuǎn)化過程中的必經(jīng)步驟。為使生物質(zhì)得到有效而充分的利用,國內(nèi)外學者對其中的各類秸稈、果殼類、林業(yè)廢棄物等的熱解動力學方面進行了大量的研究,但對葵花稈的研究還很少,尤其利用 Satava法對生物質(zhì)熱解機理的推斷還未見相關(guān)報道。本研究對葵花稈在先進的熱分析儀上進行了熱解試驗,對試驗數(shù)據(jù)進行了動力學參數(shù)的計算和機理的推斷,以期為葵花稈得到高效清潔的利用提供理論依據(jù),為生物質(zhì)熱解裝置的正確設(shè)計提供指導。1材料與方法1.1試驗材料所用原料為內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗2005年種植的葵花摘除葵花籽后剩余的稈。為減少水分對熱解試驗的影響,對葵花稈進行風干、粉碎、過篩,然后在烘箱中以105℃恒溫保溫12h,備用;為減少傳熱傳質(zhì)在熱解過程中的影響,物料粒徑均小于0.6mm,每次用量都控制在3~3.5mg范圍內(nèi)。12試驗方法中國煤化工試驗所用儀器為美國 Perkin- Elmer公司生產(chǎn)的Pis1熱YHCNMHG作保護氣,流量為收稿日期:2006-09-24基金項目:國家自然科學基金資助項目(50276039)作者簡介:陳東雨(1976-),女,沈陽農(nóng)業(yè)大學博士研究生,從事生物質(zhì)能工程研究。*通訊作者 Corresponding author:劉榮厚(1960-),男,上海交通大學教授,博士,從事可再生能源與環(huán)境工程研究第1期陳東雨等:葵花稈的熱解動力學研究20 mL. min3;對葵花稈在15,25,35,45,55℃·min4的升溫速率下從室溫加熱到850°℃進行熱解試驗,記錄曲線為熱(TG)曲線和微分熱(DTG)曲線。2結(jié)果與分析從圖1的TG和DrG曲線可以看出,葵花稈5個不同升溫速率下的熱解曲線具有一致的演化趨勢,說明葵花稈隨著升溫速率的提高熱解機理并沒有改變,只是熱滯后現(xiàn)象的加重使整條TG曲線和DTG曲線都向高溫方向移動,熱解最大速率以及相對應(yīng)的溫度隨之提高。DTG曲線表明隨著升溫速率的提高主要熱解階段的溫度范圍擴大,TG曲線表明達到同樣失重率所需的溫度有所升高,最終失重率都在82%左右。葵花稈的熱解過程可以分為5個區(qū)域:第1區(qū)域是室溫-105℃,是失去水分階段,TG曲線出現(xiàn)了較小的失重,DG曲線有了較小的波動;第2區(qū)域是105~160℃,是葵花稈發(fā)生解聚及“玻璃化轉(zhuǎn)變”現(xiàn)象的一個緩慢過程,隨后聚合度均化,形成自由基和主要官能團,并釋放出少量小分子揮發(fā)份氣體例,TG曲線和DTG曲線都趨于平坦;第3區(qū)域是l60-390℃,佀G曲線急劇下降,DrG曲線出現(xiàn)了比較明顯的兩個峰,前一個側(cè)峰是肩狀峰由半纖維素熱解形成,后一個較大的峰由纖維素熱解形成,試樣的大部分失重都發(fā)生在該區(qū)域,失重率高達65%,是熱解的主要階段,以后的動力學分析主要對此階段進行;第4區(qū)域都從420~850℃(終溫),是殘留物緩慢分解過程,主要生成炭和灰分,所以也稱炭化階段,此時TG曲線和DTG曲線又恢復(fù)了平坦,主要是木質(zhì)素的熱0一依次為 The order is15,25,35,45,55℃min依次為 The order is15,25,35,45,55℃min1溫度T℃C溫度T℃圖1葵花稈不同升溫速率下的熱解曲線Figure 1 Pyrolysis curves of sunflower stalk at different heating rates解。3活化能的計算和機理函數(shù)的推斷31 Ozawa法計算活化能Ozawa法不涉及機理函數(shù)的形式,避免了因反應(yīng)機理不同帶來的誤差,所以求出的E值常用來檢驗其他假設(shè)反應(yīng)機理函數(shù)的方法求出的活化能。Ozawa方程:IgB=lg2.315-045中國煤化工式中B為升溫速率A為頻率因子;E為活化能;a為轉(zhuǎn)化率(本CNMHG10%),a=mm,其mom中:m為試樣初始質(zhì)量,m為反應(yīng)終溫剩余物質(zhì)量,m為TG曲線上某一溫度T或某時刻t時的質(zhì)量;R為氣體常數(shù);T為絕對溫度;G(a).機理函數(shù)的積分式。農(nóng)大38卷在不同升溫速率β下,選擇相同的a,G(a)是一個恒定值用最小二乘法進行線性回歸求出1g-的線性關(guān)系,根據(jù)斜率算出活化能E。所計算出的活化能和相關(guān)系數(shù)如表1。從表1可以看出,當轉(zhuǎn)化率a=10%-80%過程中,葵花稈的活化能E=106.33-284.35 k].mol-,可見活化能的跨度較大,隨著反應(yīng)程度的加深,活化能總體表10awa法計算的活化能和相關(guān)系數(shù)Table 1 The activation energy and correlation coefficient from the method of Ozawaa coE/kJ mol-106.331400015125.76055139.120.998137.350.99740.170.99614208060514808150.56159971477618005146.190994284.350.986142.99看是不規(guī)則上升升高的趨勢,尤其到了a=80%的時候,活化能都值發(fā)生了驟然變化,而且已經(jīng)超出了固相熱解反應(yīng)的一般規(guī)律(E值在80-250kJmo,hnA在1691-69.09-),和擬合曲線的分析相對應(yīng),所以在后面的計算中舍棄了這一點,取a=10%~75%;相關(guān)系數(shù)r幾乎全部在099~1之間,說明活化能值是可靠的。3.2機理函數(shù)的推斷利用 Satava法叫進行機理函數(shù)的推斷。根據(jù)下述方程推斷:lgGa)-1g(mb)231504567(2)式中:A為頻率因子;E為活化能;B為升溫速率;R為氣體常數(shù);T為絕對溫度;G(a)為機理函數(shù)的積分式對于正確的Ga),1gGa)-1必然是一條直線根據(jù)直線的斜率可以求出活化能E。如果只有一個Ga滿足線性關(guān)系,則這一G(a)就是所選的最概然機理函數(shù)如果有幾個滿足線性關(guān)系,則滿足E≈E條件的為最概然機理函數(shù)。選取升溫速率B=15℃min為代表將41種常見固體分解機理函數(shù)的積分式G(a)分別帶入方程(2)中(轉(zhuǎn)化率a的取值為a=10~75%),表2由最可能機理計算出的動力學參數(shù)得到的線性擬合圖如圖2根據(jù)這些擬合結(jié)果Tabe2 Kinetics parameters from the most possible mechanism計算出動力學參數(shù)。從相關(guān)系數(shù)r>0.98和E≈E的雙重考慮,推出葵花稈熱解的最可31-09883l.82能機理是19號機理函數(shù)- Avrami- Erofeev方13041程,隨機成核和隨后生長(物理意義是嗎:分133.4432.87解反應(yīng)初,物相在某些局部點隨機產(chǎn)生活性134.860990中心,然后一部分活性中心產(chǎn)生分解產(chǎn)物或失活,另一部分活性中心繼續(xù)生長產(chǎn)生新的活性中心。),反應(yīng)級數(shù)n=3;機理函數(shù)的積分形式為G(a)=[ln(1-a3微分形式為fa)=(1-n(1-a2。其他4個升溫速率下將最可能機理函數(shù)代入 Satava法計算出的動力學參數(shù)。5個升溫速率下的動力學參數(shù)計算結(jié)果表明(表2,最可能機理由 Satava法計算出的活化能都在 Ozawa法的范圍內(nèi),頻率因子也符合固相熱解反應(yīng)的一般規(guī)律,且相關(guān)系數(shù)r都大于098,說明推出的最可能機理是合理的,能更真實的反映葵花稈熱解的動力學過程。4結(jié)論中國煤化工CNMH葵花稈的熱解過程可以分為4個階段,第1階段失去水,和!以乘燜化北轉(zhuǎn)變;第3階段快速熱解,第4階段炭化。隨著升溫速率的提高,主反應(yīng)區(qū)熱解曲線向髙溫區(qū)移動;熱解DTG曲線出現(xiàn)比較明顯的側(cè)峰。 Satava法推出葵花稈熱解屬于19號機理函數(shù)- Avrami- Erofeev方程,隨機成核和隨后生長,反應(yīng)第1期陳東雨等:葵花稈的熱解動力學研究級數(shù)n=3;機理函數(shù)的積分形式為G(a)=[ln(1-a)],微分形式為fa)=1(1-a[ln(1-a)2。 Ozawa多重掃描速率法和 Satava單重掃描速率法相結(jié)合計算出葵花稈主要反應(yīng)區(qū)的活化能E=106.33-180.05k·08mod-,頻率因子ln4=3161-3319推斷出的機理函12■▲◆數(shù)能更真實的反映物質(zhì)熱解的動力學過程機理推斷法能用于其他生物質(zhì)熱解反應(yīng)機理的研究。本研究得出的葵花稈熱解最可能機理函數(shù)與袁海榮等人對葵花籽殼研究所得出的擴散機理是不同的,這是由于所用原料不同、推斷方法不同,得出的結(jié)論也存在一定的差異。關(guān)于催化劑對葵花稈熱解的影1000T響正在進一步研究中。參考文獻:孫利源生物質(zhì)能利用技術(shù)比較與分析能源研究與信息●▲◆4>2345678(2]肖忠平,陸繼圣,馬世春,等熱重法研究阻燃杉木間伐材熱8-15解反應(yīng)動力學門福建林學院學報,2002,222:113-116.203]何芳,易維明柏雪源,等幾種生物質(zhì)熱解反應(yīng)動力學模2型的比較太陽能學報,2003,246:771-775[4]袁海榮,劉榮厚,姜恒,等向日葵籽殼熱解反應(yīng)動力學的研究團農(nóng)業(yè)工程學報,2006,22(4:220-223[5]BABU B V, CHAURASIA A S Modeling for pyrolysis 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