生物质的热解过程及其动力学规律

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1、第３１卷第４期煤炭学报Ｖｏｌ．３１Ｎｏ．４２００６年８月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＩＮＡＣＯＡＬＳＯＣＩＥＴＹＡｕｇ．２００６文章编号：０２５３－９９９３（２００６）０４－０５０１－０５生物质的热解过程及其动力学规律程世庆，尚琳琳，张海清（山东大学能源与动力工程学院，山东济南２５００６１）摘要：采用热重分析法（ＴＧＡ）对几种常见天然生物质（稻秆、麦秆、玉米秆）和其衍生物木质素、造纸废液颗粒等的热解过程及其动力学规律进行了研究．实验中加热速率分别为１０，２０，３０℃／ｍｉｎ，终温为８５０℃．热解在氮气气氛下进行，并用高纯氮气作为保护气体．实验结果表明：天然生物质的非等温热解只有１

2、个剧烈失重阶段，而木质素和造纸废液颗粒存在２个剧烈失重阶段．生物质比煤的热解起始温度低，热解速度快．随升温速率的提高，生物质的最大热解速度提高，对应的峰值温度升高，最终失重率呈下降趋势．生物质的热解机理满足三维扩散Ｊａｎｄｅｒ方程，且随着升温速率的提高，其活化能增大．关键词：生物质；热解过程；动力学；热重分析中图分类号：ＴＫ６文献标识码：ＡＴｈｅｐｙｒｏｌｙｓｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｂｉｏｍａｓｓａｎｄｉｔｓｄｙｎａｍｉｃｓｌａｗＣＨＥＮＧＳｈｉｑｉｎｇ，ＳＨＡＮＧＬｉｎｌｉｎ，ＺＨＡＮＧＨａｉｑｉｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎ

3、ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｎａｎ２５００６１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｙｒｏｌｙｓｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｈｅｎａｔｕｒａｌｂｉｏｍａｓｓ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｉｃｅｓｔａｌｋｓ，ｗｈｅａｔｓｔａｌｋｓ，ｃｏｒｎｓｔａｌｋｓｅｔｃ．）ａｎｄｔｈｅｉｒｒａｍｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ（ｌｉｇｎｉｎａｎｄｐａｐｅｒｍｉｌｌｓｕｌｌａｇｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ）ｗｅｒｅｓｔｕｄｉｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓ（ＴＧＡ）ｍｅｔｈｏｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅ

4、ａｔｉｎｇｒａｔｅ，ｗｈｉｃｈａｒｅ１０，２０，３０℃／ｍｉｎｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｔｅｒｍｉｎａｌｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｆｕｒｎａｃｅｉｓ８５０℃ａｎｄｔｈｅｈｉｇｈｐｕｒｅＮ２ｉｓｕｓｅｄａｓｒｅａｃｔｉｎｇａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｎｇｇａｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ｔｈｅｎａｔｕｒａｌｂｉｏｍａｓｓｈａｓｏｎｌｙｏｎｅｆａｓｔａｇｒａｖｉｃｐｅｒｉｏｄ，ｂｕｔｔｈｅｒａｍｉｆｉｃａｔｉｏｎｈａｓｔｗｏ．Ｔｈｅｓｔａｒｔｉｎｇｄｅｃｏｍｐｏｓｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｂｉｏｍａｓｓｉｓｌｏｗｅｒａｎｄｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉｓｈｉｇｈｅｒｔ

5、ｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｃｏａｌ．Ｗｉｔｈｔｈｅｒｉｓｅｏｆｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｅｃｏｍｐｏｓｅｒａｔｅａｎｄｉｔｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｏｆｂｉｏｍａｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｓ，ｂｕｔｔｈｅｆｉｎａｌａｇｒａｖｉｃｑｕｏｔｉｅｎｔｄｅｃｒｅａｓｅｓ．Ｐｙｒｏｌｙｓｉｓｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｂｉｏｍａｓｓｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒ３ＤｄｉｆｆｕｓｅＪａｎｄｅｒｅｑｕａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅａｃｔｉｖａｔｅｄｅｎｅｒｇｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｒｉｓｅｏｆｈｅａｔｉｎｇｒａｔｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｉｏｍａｓｓ；ｐｙ

6、ｒｏｌｙｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓ；ｄｙｎａｍｉｃｓ；ｔｈｅｒｍｏｇｒａｖｉｍｅｔｒｉｃａｎａｌｙｓｉｓ（ＴＧＡ）生物质燃料是光合作用产生的有机可燃物的总称．生物质能作为一种理想的可再生能源，它来源广泛，每年都有大量的工业、农业及森林废弃物产出．在目前世界的能源消耗中，生物质能消耗占世界总能耗的１４％，仅次于石油、煤炭和天然气，位居第４位．与化石燃料相比，生物质还具有低污染性，其硫、氮含量低，燃烧过程中的ＳＯｘ，ＮＯｘ排放较少，另外生物质作为燃料时，由于它在生长时需要的二氧化碳量相当于它燃烧时排放的二氧化碳的量，因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零，可有效地减轻温室效收稿日期：

7、２００５－１１－０７基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０５７２１２）作者简介：程世庆（１９６５－），男，山东泰安人，博士，副教授．Ｔｅｌ：０５３１－８８３９２２６４，Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｑｃｈｅｎｇ＠ｓｄｕｅｄｕｃｎ５０２煤炭学报２００６年第３１卷［１］应．作为一种可再生新能源，开发利用生物质燃料不仅能缓解能源危机，而且可以减轻环境污染，同时节省能源．与燃料煤相比，生物质形成的时间短，其结构疏松，热解和燃烧过程具有自己的特点．其中生物质的热解不仅是生物质气化和燃烧的必经步骤，而且其本身就是一种产生高能量密度产