梁廣元， 張 芊， 孫 毅， 李文珠， 張文標(biāo)

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院， 浙江 臨安 311300)

不同樹齡竹柳的燃燒特性比較研究

梁廣元， 張 芊， 孫 毅， 李文珠， 張文標(biāo)

(浙江農(nóng)林大學(xué)工程學(xué)院， 浙江 臨安 311300)

為開發(fā)竹柳的固體能源利用價(jià)值，采用一體化程控高溫爐(SXC-1.5-10C)對(duì)不同樹齡竹柳進(jìn)行工業(yè)分析，利用綜合熱分析儀對(duì)不同樹齡竹柳進(jìn)行燃燒特性研究。結(jié)果表明： (1)不同樹齡的竹柳，隨著樹齡的增大，其灰分含量和固定碳含量降低，揮發(fā)分含量增高，燃燒發(fā)熱量降低； (2)不同樹齡竹柳熱重曲線變化趨勢(shì)大致相同,均分為脫水階段、揮發(fā)分釋放與燃燒階段和固定碳燃燒與燃盡階段； (3)4年生竹柳著火溫度和燃盡溫度最低，分別為280.2 ℃和567.7 ℃，可燃特性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)最大，分別為5.2×10-4℃-2·min-1和33.6×10-7℃-3·min-2，燃燒性能最好。

竹柳； 樹齡； 工業(yè)分析； 燃燒特性

竹柳(Salixdiscolor)是楊柳科(Salicaceae)柳屬(Salix)的一個(gè)新速生樹種，在中國的南方與北方皆可種植[1]，其繁殖速度快，造林成活率高[2]。竹柳用途廣泛，可作造紙?jiān)?，制造人造板[3]，同時(shí)竹柳具有熱值高、硫和灰分含量低等特點(diǎn)[4]，是一種理想的能源材料。

馬楠等[5]對(duì)竹柳進(jìn)行發(fā)熱量測(cè)定、工業(yè)分析及同步熱分析，得出竹柳可作為工業(yè)化可再生替代能源。但是，目前對(duì)不同樹齡竹柳燃燒特性的研究在國內(nèi)外文獻(xiàn)中未見報(bào)道。

本研究以不同樹齡竹柳為研究對(duì)象，通過測(cè)定不同樹齡竹柳的灰分、揮發(fā)分、固定碳、發(fā)熱量以及同步熱分析方法來研究竹柳的燃燒特性，目的是獲得不同樹齡竹柳的燃燒性能，為竹柳的能源化利用開發(fā)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料和儀器

1.1.1 材料 試驗(yàn)材料為2年生、3年生、4年生竹柳，取自浙江省龍游縣上楊村，直徑分別為5 cm、8 cm和10 cm。材料均經(jīng)過去皮、粉碎、篩選、干燥備用。煙煤作為對(duì)照樣。

1.1.2 儀器 ZDHW-5型微機(jī)全自動(dòng)量熱儀，鶴壁市科達(dá)儀器儀表有限公司；DHG-9023A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱，杭州藍(lán)天化學(xué)試驗(yàn)廠；AB204-N電子天平，上海光正醫(yī)療器械有限公司；STA 409C綜合熱分析儀，德國NETZSCH；SXC-1.5-10C一體化程控高溫爐，杭州藍(lán)天儀器有限公司。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1 工業(yè)分析測(cè)定 工業(yè)分析包括灰分、揮發(fā)分和固定碳的測(cè)定，參照GB 212-91《煤的工業(yè)分析方法》進(jìn)行，分別測(cè)3次取平均值。

1.2.2 發(fā)熱量的測(cè)定 參照GB/T 213-2008《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》，分別測(cè)3次取平均值。

1.2.3 綜合熱分析 采用同步熱分析儀以混合空氣為氣氛，從40 ℃開始升至800 ℃，升溫速率為20 ℃/min，空氣流量為50 mL/min，進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，測(cè)試試樣燃燒過程中的重量變化(TG)曲線、重量變化速率(DTG)和熱量變化情況(DSC)。

1.2.4 燃燒特性指數(shù) 燃燒特性指數(shù)主要包括可燃特性指數(shù)Cr[6]、著火特性指數(shù)Ci[7]、綜合燃燒特性指數(shù)S[8]。各指數(shù)計(jì)算公式分別如下：

(1)

式中：Wmax表示最大燃燒速率，%/min；

(2)

(3)

式中：Wmean表示平均燃燒速率,%/min。

1.2.5 燃燒動(dòng)力學(xué) 本實(shí)驗(yàn)中竹柳的燃燒在非等溫條件下進(jìn)行，根據(jù)任寧等[9]給出的非等溫下的動(dòng)力學(xué)方程：

(4)

式中：α表示轉(zhuǎn)化率，t表示時(shí)間，A為頻率因子，β為升溫速率，E為活化能，R為通用氣體常數(shù)(8.31 J/mol)，T為溫度。

燃燒反應(yīng)的機(jī)理函數(shù)[10]為：

f(α)=(1-α)n

(5)

式中：n為反應(yīng)級(jí)數(shù)。

結(jié)合TG曲線，根據(jù)下面公式求出α：

α=(W0-WT)/(W0-W∞)

(6)

式中：W0為樣品的初始質(zhì)量，WT為溫度為T時(shí)的質(zhì)量，W∞為反應(yīng)完后的殘余質(zhì)量。

將式(4)和式(5)聯(lián)立可得：

(7)

反應(yīng)級(jí)數(shù)n取1，對(duì)式(7)積分[10-11]得：

(8)

一般情況下，2RT/E遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，所以上式(8)可簡化為：

(9)

2 結(jié)果與分析

2.1竹柳的工業(yè)分析

工業(yè)分析包括灰分、揮發(fā)分和固定碳等。對(duì)不同樹齡竹柳的灰分、揮發(fā)分和固定碳的測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 竹柳的工業(yè)分析和發(fā)熱量Tab.1 IndustrialanalysisandcalorificcapacityofSalixdis-color試樣工業(yè)分析灰分(%)揮發(fā)分(%)固定碳(%)低位發(fā)熱量(MJ/kg)2年生竹柳0.7886.7812.4417.103年生竹柳0.5688.1111.3317.014年生竹柳0.5588.3411.1016.79煙煤27.8320.6251.5521.92

從表1可看出，三種樹齡竹柳的灰分含量較低。不同樹齡竹柳的灰分含量存在差異，2年生竹柳的灰分含量較3年生和4年生竹柳的灰分含量高，隨著樹齡的增加，灰分含量逐漸減少。三種樹齡竹柳的揮發(fā)分含量在86.78%～88.34%范圍內(nèi)，隨樹齡的增加揮發(fā)分含量呈略增長趨勢(shì)，所以4年生竹柳比3年生和2年生竹柳更加容易著火[5]。2年生竹柳的固定碳含量最高(12.44%)，隨著樹齡的增加，固定碳含量略遞減。

發(fā)熱量是評(píng)價(jià)燃料優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，與灰分、揮發(fā)分、固定碳等因素有關(guān)。龔露等[12]研究了無煙煤的固定碳含量與發(fā)熱量之間的關(guān)系，得出兩者之間呈正比線性關(guān)系。從表1可以看出，竹柳的固定碳含量與發(fā)熱量大體上呈線性關(guān)系，隨著固定碳含量的增高，發(fā)熱量越來越大，與龔露等的研究相符。

2.2不同樹齡竹柳的熱重曲線分析

TG曲線是試驗(yàn)樣品的重量隨溫度變化的曲線，DTG曲線則是TG曲線對(duì)溫度求微分，反應(yīng)試驗(yàn)樣品在整個(gè)試驗(yàn)過程中失重速率的變化情況。DSC曲線是對(duì)整個(gè)燃燒過程的吸放熱速率的反應(yīng)。不同樹齡竹柳燃燒的TG和DTG曲線見圖1。不同樹齡竹柳的DSC曲線見圖2。

圖1 竹柳燃燒的TG-DTG曲線Fig.2 TG-DTG curves of Salix discolor of different ages

圖2 竹柳燃燒的DSC曲線Fig.2 DSC curves of Salix discolor of different ages

由圖1和圖2可以看出，三個(gè)樹齡竹柳的熱重曲線差異不大，且不同樹齡竹柳的熱重曲線變化趨勢(shì)大致相同。由TG曲線可以看出，三個(gè)樹齡竹柳的失重率均大于95%，分別為96.9%、98.7%和97.5%。竹柳的燃燒同其它生物質(zhì)材料一樣過程可分為三個(gè)階段[13]，分別為脫水階段、揮發(fā)分釋放與燃燒階段和固定碳燃燒及燃盡階段，見表2。

表2 不同樹齡竹柳燃燒階段Tab.2 CombustionperiodsofSalixdiscolorofdifferentages試樣脫水階段(℃)揮發(fā)分釋放與燃燒階段(℃)固定碳燃燒及燃盡階段(℃)2年生竹柳16.8～144.3144.3～384.3384.3～8003年生竹柳16.8～152.1152.1～392.1392.1～8004年生竹柳16.8～152.7152.7～392.7392.7～800

第一階段(脫水階段)：由表2可知，對(duì)于不同樹齡的竹柳，2年生竹柳脫水階段最先結(jié)束，結(jié)束溫度為144.3 ℃，隨樹齡增加，脫水階段持續(xù)時(shí)間增長。由圖1可知，不同樹齡竹柳在脫水階段質(zhì)量變化最少，重量變化分別為7.78%、8.46%和10.24%，隨樹齡增加脫水階段質(zhì)量變化增加。從圖2可以看出，該階段對(duì)應(yīng)的DSC曲線的峰形向下，說明該階段是吸熱的。

第二階段(揮發(fā)分釋放與燃盡階段)：由圖1可知，該階段失重率最高，是燃料燃燒階段中失重最大的階段，失重率分別為64.6%、60.92%和63.3%。由表2可知，2年生竹柳最先進(jìn)入和結(jié)束揮發(fā)分釋放與燃燒階段，4年生竹柳最后進(jìn)入和結(jié)束。結(jié)合圖2可以看出，揮發(fā)分釋放與燃盡階段對(duì)應(yīng)的DSC曲線的峰形向上，說明該階段是放熱反應(yīng)。

從圖1中的DTG曲線可以看出，揮發(fā)分釋放與燃盡階段仍然存在三個(gè)不同階段[14]。首先失重速率平緩，然后失重速率開始增大直到最大，最后又減小。原因是，生物質(zhì)主要是由3大組分組成，纖維素和半纖維素?zé)峤庵饕龀鰹閾]發(fā)分，木質(zhì)素?zé)峤庵饕商糩15]。半纖維素最容易熱解，纖維素比較難熱解，木質(zhì)素最難熱解[16]。半纖維素燃燒階段失重速率逐漸增大直到最大，然后為纖維素燃燒階段，失重速率逐漸減小，直到該階段結(jié)束。2年生、3年生和4年生竹柳半纖維素燃燒階段分別為244.6～324.3 ℃、267.1～329.6 ℃和247.7～332.7 ℃，纖維素燃燒階段分別為324.3～38.3 ℃、329.6～392.1 ℃和332.7～392.7 ℃。揮發(fā)分釋放與燃盡階段2年生、3年生和4年生竹柳的失重率分別為72.5%、69.5%和73.6%。對(duì)應(yīng)的DSC曲線峰形向上，說明該階段是放熱的。

第三階段： 對(duì)于固定碳燃燒及燃盡階段，分為殘余揮發(fā)分與固定碳燃燒階段以及礦物質(zhì)碳酸鹽分解階段[5]。不同樹齡竹柳殘余揮發(fā)分與固定碳燃燒階段分別為384.3～584.3 ℃、392.1～619.6 ℃和392.7～580.2 ℃，礦物質(zhì)碳酸鹽分解階段分別為584.3～800 ℃、619.6～800 ℃和580.2～800 ℃。殘余揮發(fā)分與固定碳燃燒階段對(duì)應(yīng)的DSC曲線峰形向上，說明該階段是放熱的。

2.3不同樹齡竹柳熱重曲線的特征點(diǎn)分析

特征點(diǎn)主要包括著火溫度Ti、最大失重速率溫度T1和T2以及燃盡溫度Th。著火溫度采用TG-DTG聯(lián)合定義法[17]確定不同樹齡竹柳的著火溫度,通過DTG曲線的峰值點(diǎn)做垂線與TG曲線交于一點(diǎn)，過該交點(diǎn)做TG曲線的切線，切線與過TG曲線開始失重點(diǎn)的平行線交于一點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為著火溫度；在生物質(zhì)整個(gè)燃燒過程中，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)燃燒峰值點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)的速率為最大失重速率；當(dāng)TG、DTG曲線平穩(wěn)，不再有變化時(shí)的起始溫度為燃盡溫度，根據(jù)Morganu的研究[11]，將失重速率為-1%/min的點(diǎn)定義為燃盡點(diǎn)。不同樹齡竹柳熱重曲線的特征點(diǎn)見表3。

表3 不同樹齡竹柳的Ti,T1,T2,Th,Cr,Ci,STab.3 Ti,T1,T2,Th,Cr,Ci,SofSalixdiscolorofdifferentages試樣Ti(℃)T1(℃)T2(℃)Th(℃)Cr(℃-2·min-1·10-4)Ci(℃-2·min-1)S(℃-3·min-2·10-7)2年生竹柳304.3324.3509.3584.35.10.1428.13年生竹柳282.1329.6532.1617.14.90.1229.84年生竹柳280.2332.7547.7567.75.20.1333.6

從表3可以看出，2年生竹柳的著火溫度最高，為304.3 ℃，3年生竹柳次之，4年生竹柳的著火溫度最低，為280.2 ℃，說明2年生竹柳最不容易被點(diǎn)燃，4年生竹柳最容易燃燒。最大失重速率,第一個(gè)在揮發(fā)分釋放與燃燒階段，第二個(gè)在固定碳燃燒及燃盡階段[5]，隨樹齡的增加，最大失重速率溫度T1和T2均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。燃盡溫度3年生竹柳最高，4年生竹柳最低，說明3年生竹柳的燃盡特性最差，4年生竹柳的燃盡特性最好，可能因?yàn)?年生竹柳的灰分含量最低[5]。從表3可以看出，3年生竹柳的燃燒區(qū)間最長，為282.1～617.1 ℃(跨度為335 ℃)，而2年生竹柳的燃燒區(qū)間最短，為304.3～584.3 ℃(跨度為280 ℃)。揮發(fā)分釋放與燃燒階段最大失重速率對(duì)應(yīng)的溫度和固定碳燃燒及燃盡階段最大失重速率對(duì)應(yīng)的溫度，均隨樹齡的增加而增大。

2.4燃燒特性指數(shù)分析

燃燒特性指數(shù)計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可知，4年生竹柳可燃特性指數(shù)Cr最大，前期的可燃性能最好，結(jié)果同田紅等[14]研究的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)材料一致。著火特性指數(shù)Ci越大，越容易著火，表明燃料可以在較低的溫度下燃燒[14]，2年生竹柳著火溫度最高，理論上其對(duì)應(yīng)著火特性指數(shù)應(yīng)該最小，但試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論相反，2年生竹柳著火特性指數(shù)最大，原因可能與其最大燃燒速率最大有關(guān)。綜合燃燒特性的定義來自于燃料的反應(yīng)活性、著火點(diǎn)處燃料的轉(zhuǎn)化率、燃盡速度的乘積，它反映出燃料的著火及燃盡特性，S值越大，燃料的燃燒特性越好[8]，2年生竹柳的綜合燃燒特性指數(shù)最小，4年生竹柳的綜合燃燒特性指數(shù)最大，說明4年生竹柳的綜合燃燒特性優(yōu)于2年生和3年生竹柳的綜合燃燒特性。

2.5竹柳的燃燒動(dòng)力學(xué)分析

選取兩個(gè)不同溫度區(qū)間，對(duì)不同樹齡竹柳進(jìn)行燃燒動(dòng)力學(xué)分析。低溫階段為揮發(fā)分燃燒與析出階段，從表4可以看出，此階段活化能比固定碳燃燒階段活化能低，揮發(fā)分燃燒階段活化能在98.8～117.2 kJ/mol范圍，固定碳燃燒階段活化能在170.3～202.6 kJ/mol范圍，因?yàn)閾]發(fā)分比較容易燃燒，說明低溫區(qū)只需較少的熱量就能使燃燒反應(yīng)發(fā)生，而高溫區(qū)則需更多的熱量。高溫區(qū)的頻率因子高于低溫區(qū)的頻率因子，說明高溫區(qū)燃燒反應(yīng)要比低溫區(qū)劇烈。隨樹齡的增加，低溫區(qū)和高溫區(qū)對(duì)應(yīng)的頻率因子均增加，說明隨樹齡的增加，低溫區(qū)和高溫區(qū)的反應(yīng)劇烈程度增加。在揮發(fā)分階段，3年生竹柳的活化能最大，2年生的最小，從活化能角度看，2年生竹柳更易被點(diǎn)燃，但與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同，這可能與其他因素有關(guān)。

表4 不同樹齡竹柳燃燒動(dòng)力學(xué)參數(shù)Tab.4 CombustionkineticsparametersofSalixdiscolorofdifferentages試樣溫度范圍(℃)擬合方程相關(guān)系數(shù)活化能E(kJ/mol)頻率因子A(min-1)2年生竹柳244.6～384.3Y=-11889x+2.87350.9651498.84.20×106384.3～584.3Y=-20495x+3.08890.98149170.38.92×1063年生竹柳267.1～392.1Y=-14107x+2.93720.99457117.25.30×106392.1～619.6Y=-20606x+3.07830.97022171.28.95×1064年生竹柳247.7～392.7Y=-13467x+2.92480.97321111.95.00×106392.7～580.2Y=-24382x+3.17570.97467202.611.60×106

3 結(jié)論與討論

從工業(yè)分析看，不同樹齡竹柳的灰分、揮發(fā)分、固定碳含量不同。隨樹齡的增加，灰分和固定碳含量逐漸減少，揮發(fā)分含量逐漸增多。三種樹齡竹柳的發(fā)熱量中2年生的最大，為17.10 MJ/kg。三種樹齡的竹柳燃燒所產(chǎn)生的灰分相對(duì)較少，在0.55%～0.78%范圍內(nèi)。

從熱重曲線看，不同樹齡竹柳的熱重曲線變化趨勢(shì)大致相同，均分為三個(gè)階段，分別為脫水階段、揮發(fā)分釋放與燃燒階段和固定碳燃燒及燃盡階段。脫水階段為吸熱反應(yīng)，其他兩個(gè)階段為放熱反應(yīng)。3年生竹柳的失重率最大，為98.7%，4年生次之，2年生竹柳失重率最低。揮發(fā)分釋放與燃燒階段是燃燒失重的主要階段。

從燃燒特性看，2年生竹柳著火溫度最低，更容易被點(diǎn)燃。4年生竹柳燃盡溫度最低，說明其最容易燃盡。4年生竹柳的可燃性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)最大，其燃燒特性最好。

綜合考慮，4年生竹柳的灰分含量最低,著火溫度和燃盡溫度均最低，可燃性指數(shù)和綜合燃燒特性指數(shù)最大，所以4年生竹柳更適宜作為燃料。

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CombustioncharacteristicsofSalixdiscolorofdifferenttree-ages

LIANG Guangyuan, ZHANG Qian, SUN Yi,LI Wenzhu, ZHANG Wenbiao

(School of Engineering, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Lin’an 311300, China)

To explore the utilization value ofSalixdiscoloras solid energy, integrated furnace was utilized to do industrial analysis ofSalixdiscolorof different ages, and the combustion characteristics were studied with simultaneous thermal analyzer.The results indicated that the ash content, fixed carbon content and calorific capacity decreased and volatile content increased with the increasing of tree-age.The variation trend of thermogravimetric curves ofSalixdiscolorof different ages were almost the same.The ignition temperature and burnout temperature of 4-year-oldSalixdiscolorwere both the lowest, namely 280.2℃ and 567.7℃, and the combustible index and combustibility parameters were both the highest, namely 5.2×10-4℃-2·min-1and 33.6×10-7℃-3·min-2, and thus the combustion characteristic was the best.

Salixdiscolor; tree-age; industrial analysis; combustion characteristics

2016-06-03

國際科技合作項(xiàng)目(2014C54SA520001)。

梁廣元(1993-)，男，河北秦皇島人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹癫墓I(yè)化利用。

張文標(biāo)，男，教授；E-mail: zwb@afu.edu.cn

S 792.12; TK 16

A

1003-5710(2016)05-0007-05

10.3969/j.issn. 1003-5710.2016.05.002

(文字編校：張 珉)