生物质燃烧动力学特性的实验研究.doc

中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123068
生物质燃烧动力学特性的实验研究
刘翔,陈梅倩基金项目:国家自然科学基金资助()
,余冬,刘环铭,卢太金,贾力
(,北京 100044)
(Tel:**********,Email:******@bjtu.
摘要:在空气气氛下对beet、corncob、hardwood及switchgrass等四种生物质燃烧特性进行热重实验,分析升温速率和生物质种类等对燃烧特征和动力学特性的影响, 并与烟煤的燃烧特征和动力学特性进行比较。研究结果表明:随着升温速率提高,生物质和烟煤的挥发分释放特性指数、综合特性指数均逐渐增加,在一定升温速率下,生物质的综合特性指数远高于烟煤,beet综合特性指数最低,switchgrass综合特性指数最高。
似级 peak(echananism Functio
生物质在峰前呈现随机成核和随后生长机理及三维扩散机理,对应机理函数分别为Avrami-Erofeev方程(n=3)和Z-L-T方程(n=2);随着升温速率的提高,switchgrass机理从随机成核和随后生长逐渐向三维扩散过渡,生物质的峰后区间符合随机成核和随后生长机理,对应机理函数为Avrami-Erofeev方程(n=4)。烟煤的峰前峰后机理均为化学反应,且机理函数中对应幂指数随升温速率的变化而改变。烟煤的峰前峰后机理均为化学反应,对应机理函数为反应级数,且幂指数随升温速率的变化而改变。 kJ/mol~ kJ/mol,~ kJ/mol, kJ/mol~ kJ/mol, kJ/mol~ kJ/mol。
关键词:生物质;热重;燃烧动力学;升温速率
0 引言
传统的化石燃料越来越匮乏,尤其在工业迅速发展的今天,这种情况会进一步加剧能源危机。生物质由于可再生、环保、资源丰富,受到了国内外专家的重视,使得生物质能源应用领域越来越广泛,如生物柴油、燃料乙醇、生物质发电等等。但是生物质成分与传统的化石燃料相比存在很大的差异,有关研究表明谷类、草类等生物质与煤相比,热值、固定炭含量和含硫量较低,但挥发分较高,且生物质含氧量高,影响燃烧中理论空气量,同时,生物质的灰含有更大的碱性,极易引起结垢问题[1~3]。若直接在现有的燃煤设备中燃烧利用,不利于燃烧设备安全、稳定的运行。
果壳类、木材类生物质可燃成分对着火点、最大燃烧速率、燃尽温度等燃烧特征参数影响较大,随着燃料颗粒尺寸及燃料中水分含量的增加,着火温度及燃尽温度稍稍增加[4~6]。提高氧气浓度,松木锯末挥发分初析温度、着火温度及燃尽温度均降低[7]。Nasrin[8]等利用热重仪及质谱仪进行实验研究,发现东南亚的一些生物质在燃烧中产生的气态物质有CO、H2O、CO2、CH4及COOH+等。Fang[9]等得出生物质灰在热重加热过程分为水分蒸发、有机物合成及挥发、无机物反应三个阶段。Darvell[10]等通过TGA实验得出了棕仁、橄榄油残渣的燃烧动力学参数,发现其动力学参数低于木质纤维素类生物质,
原因是木质纤维素在分解中伴随油脂的挥发过程,这对动力学参数影响较大。Santiago[11]等研究发现一阶简单反应模型满足挥发分析出与焦炭氧化速率变化趋势。Osvalda[12]利用Friedmann和Kissinger法得到木屑、松木种子等生物质的热解、焦炭燃烧、焦炭气化的动力学参数,研究结果表明生物质焦炭燃烧的动力学参数与煤的焦炭动力学参数非常相似。Juan[13]等利用n级动力学模型分别求解了海藻等生物质纤维素分解、半纤维素分解、木质素分解3阶段动力学参数。Gil[14]等利用Coats–Redfern法得出了烟煤及松木木屑燃烧的反应机理,研究表明生物质挥发分释放及燃烧阶段及烟煤整个燃烧过程符合一阶反应模型,生物质焦炭燃烧阶段符合扩散机理。Kastanaki[15]等发现生物质及褐煤、无烟煤的燃烧动力学模型非常符合幂律模型,反应活性为生物质>褐煤>无