饒 月 李 靜 羅紅英

（西藏農(nóng)牧學(xué)院，西藏 林芝 860000）

西藏高寒地帶環(huán)境污染日益嚴(yán)重，大部分居民以直接燃燒秸稈獲得能源，由于秸稈直接燃燒對(duì)外部環(huán)境壓力和氧氣濃度依賴(lài)性較大，長(zhǎng)期性地燃燒不充分就會(huì)影響生態(tài)平衡，因此人們?cè)絹?lái)越多地把目光放在生物質(zhì)能的研究利用上。由于生物質(zhì)具備形狀不規(guī)則、能量密度和質(zhì)量密度小、熱效率低和燃燒性能差等特點(diǎn)，所以將其壓制成具有一定形狀、密度較大的成型燃料，可以提高其單位質(zhì)量的燃燒發(fā)熱量和燃燒時(shí)間。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量研究學(xué)者對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性進(jìn)行了研究，代莉[1]對(duì)馬尾松、濕地松和樟子松制備的顆粒燃料進(jìn)行了熱重分折，結(jié)果表明：樟子松的著火溫度最高，燃盡溫度最低，平均燃燒速率最大，綜合燃燒特性指數(shù)最高，燃燒性能最好。任敏娜[2]等研究了8 種生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性，結(jié)合傅一張著火指標(biāo)和繆巖燃燒特性指標(biāo)分別計(jì)算出 FZ和ZM 值，結(jié)果表明：裝飾紙的著火溫度最低，稻殼的著火溫度最高。彭好義[3]等通過(guò)熱重試驗(yàn)研究了木制顆粒和玉米秸稈顆粒的燃燒特性，表明木制顆粒的可燃特性、燃盡特性和綜合燃燒特性指數(shù)均優(yōu)于玉米秸稈顆粒。王華山[4]等通過(guò)熱重分析法研究了生物質(zhì)在不同條件下的燃燒特性。結(jié)果表明：不同生物質(zhì)燃燒特性明顯不同。稻殼經(jīng)不同溫度水洗后綜合燃燒特性指數(shù)增加，最大燃燒速率提高6.0%/min～7.6%/min，燃燒活化能高于原樣，且在一定范圍內(nèi)水洗溫度越高，焦炭燃燒階段活化能越??；提高升溫速率，生物質(zhì)的著火溫度、燃盡溫度、殘余率、最大燃燒速率及綜合燃燒特性指數(shù)提高。趙璇[5]利用熱重試驗(yàn)對(duì)玉米秸稈生物質(zhì)、聚乙烯塑料、無(wú)煙煤的混合燃燒展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：隨著升溫速率的增大,樣品著火點(diǎn)升高,最大反應(yīng)速率增大，燃盡溫度升高。

可以看出，現(xiàn)階段對(duì)青稞顆粒燃料燃燒特性的研究較少。本研究以青稞為主要原料，通過(guò)對(duì)可燃特性和綜合燃燒特性對(duì)比分析了青稞顆粒燃料在不同升溫速率（10、15、30℃/min）下的燃燒特性，總結(jié)得出這三種燃料的燃燒特性。最后采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算3 種升溫速率下燃料的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。從以上多方面分析3 種升溫速率下燃料的燃燒特性，為青稞生物質(zhì)顆粒燃料開(kāi)發(fā)利用提供參考和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料處理

青稞取自西藏林芝，晾曬后打碎成2mm 左右的粉末裝袋備用。根據(jù)GB/T28730-2012、GB/T28731-2012、GB/T28732-2012、GB/T3--0733-2014、GB/T30727-2014、GB/T28733-2012 等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)青稞原料主要進(jìn)行了工業(yè)分析、收到基恒容低位發(fā)熱量和碳、氫、氮、氧元素的測(cè)定，其工業(yè)分析和元素分析見(jiàn)表1 所示。將打碎的青稞粉末加工成致密成型燃料，用密封袋封裝保存，置于干燥器內(nèi)備用。

表1 原料的工業(yè)分析和元素分析

1.2 儀器及方法

試驗(yàn)儀器：本試驗(yàn)在DZ-STA 200 同步熱分析儀上進(jìn)行，該儀器的主要性能指標(biāo)為溫度范圍在室溫至1200℃；測(cè)量范圍為0-2000mg；加熱速率的范圍在1-80℃/min 之間；溫度分辨率為0.1℃；溫控方式為升溫、恒溫、降溫。

試驗(yàn)方法：把做好的青稞顆粒燃料切成每份樣品質(zhì)量為6mg 左右，試驗(yàn)時(shí)反應(yīng)氣為空氣，流量為60ml/min，燃燒溫度范圍為室溫到1000℃。為保證本試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，每種樣品均做三組重復(fù)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 TG 和DTG 曲線(xiàn)分析

圖1 為青稞顆粒燃料在不同升溫速率（10、15、30℃/min）下的失重（TG）曲線(xiàn)和失重速率（DTG）曲線(xiàn)?？梢钥闯?，青稞顆粒在3 種升溫速率下燃燒時(shí)，其質(zhì)量損失的總體趨勢(shì)相似，均有3 個(gè)較明顯的峰值。分析其TG 曲線(xiàn)的下降趨勢(shì)和DTG 曲線(xiàn)峰值的變化情況，可以把青稞顆粒燃料的燃燒過(guò)程分為4 個(gè)階段，即水分蒸發(fā)階段、揮發(fā)分燃燒階段、固定碳燃燒階段和燃盡階段。

圖1 燃料在不同升溫速率下的TG 與DTG 曲線(xiàn)

從圖1 中可以看出，在溫度上升到250℃左右時(shí)，青稞顆粒燃料已完成水分蒸發(fā)階段的燃燒，在這一階段，3 種升溫速率下的TG 曲線(xiàn)均出現(xiàn)略微下降，質(zhì)量損失較小，在相同溫度范圍的DTG 曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)第一個(gè)峰值。升溫速率為15℃/min 時(shí)，青稞顆粒燃料在這一階段的燃燒速率最大，為3.1℃/min。170℃升高到350℃左右這個(gè)溫度范圍為青稞顆粒燃料的揮發(fā)分析出燃燒階段，這一階段，TG 曲線(xiàn)下降迅速且陡峭，即這一階段為最主要的質(zhì)量損失階段，對(duì)應(yīng)DTG 曲線(xiàn)的第2 個(gè)峰值。3 種升溫速率下的質(zhì)量損失相差不大，但質(zhì)量損失速率相差較大。燃燒速率在升溫速率為30℃/min 時(shí)最大，為33.3℃/min，是升溫速率為10℃/min時(shí)的3.3 倍。第3 個(gè)階段為固定碳燃燒階段，對(duì)應(yīng)DTG曲線(xiàn)上第3 個(gè)峰值，這一階段在不同升溫速率下的結(jié)束溫度相差較大，升溫速率為30℃/min 時(shí)，固定碳燃燒階段的結(jié)束溫度最大，為554.5℃，最主要的原因是升溫速率過(guò)大，燃料內(nèi)部的揮發(fā)分還沒(méi)燃燒完全，即在溫度上呈現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

2.2 可燃特性指數(shù)分析

可燃特性指數(shù)Cr 可以用來(lái)描述燃料的易燃程度，其定義如下：

式中，Cr 為可燃特性指數(shù)，(dw/dt)max 為燃料的最大燃燒速率；Ti 為著火溫度，本文采用TG-DTG 切線(xiàn)法確定。

2.3 綜合燃燒特性指數(shù)分析

采用綜合燃燒特性指數(shù)P 來(lái)綜合描述青稞顆粒燃料的燃燒特性，其定義如下：

式中，P 為綜合燃燒特性指數(shù)，(dw/dt)mean 為燃料的平均燃燒速率；Th 為燃盡溫度，除了生物質(zhì)到燃盡階段燃燒的剩余灰渣外，生物質(zhì)顆粒燃料內(nèi)部可燃物燃燒到98%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。

表2 列出了3 種升溫速率下青稞顆粒燃料的著火與燃盡溫度等特性參數(shù)、燃燒速率、可燃特性指數(shù)Cr和綜合燃燒指數(shù)P 的值?？梢钥闯?，升溫速率為10℃/min 時(shí)，著火溫度最小，為252.5℃；升溫速率為15℃/min 時(shí)，燃盡溫度最小，為467.5℃。升溫速率為30℃/min 時(shí)，309.5℃時(shí)的燃燒速率達(dá)到最大為33.3%·min-1，是升溫速率為10℃/min 時(shí)的3.26 倍，是升溫速率為15℃/min 時(shí)的2.12 倍，平均燃燒速率也最大為8.3℃·min-1。

從表2 中可以看出，隨著升溫速率的增大，青稞顆粒燃料的可燃特性指數(shù)Cr 和綜合燃燒指數(shù)P 的值也隨之增大。升溫速率為30℃/min 時(shí)，青稞顆粒燃料的Cr 和P 值均最大，分別為4.2×10-4mg·min-1·℃-2和6.3×10-6mg2·min-1·℃-2。這兩種燃燒特性指數(shù)能分別從燃料的可燃程度和燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性等方面綜合分析燃料，其數(shù)值越大，燃燒的可燃程度和燃燒的穩(wěn)定性能也越好。所以從表2 中可以清晰地看出升溫速率為30℃/min 時(shí)，青稞顆粒燃料的燃燒特性最佳。

3 動(dòng)力學(xué)參數(shù)分析

生物質(zhì)顆粒的燃燒過(guò)程取反應(yīng)級(jí)數(shù)為1，質(zhì)量變化過(guò)程可以表示為：

式中W0為樣品的初始質(zhì)量。

WT為溫度為T(mén) 時(shí)的質(zhì)量。

W∞為反應(yīng)終止時(shí)樣品殘余質(zhì)量。

熱失重過(guò)程是固體中的可分解產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為氣體的過(guò)程，采用微分方程法可以表示為：

熱失重速率K 用阿倫尼烏斯方程表示：

式中，Ea 為活化能；A 為指前因子；R 為摩爾氣體常數(shù)；為升溫速率，K/min；T 為熱力學(xué)溫度，K。

等式兩邊取對(duì)數(shù)

在3 種升溫速率下，青稞顆粒燃料的燃燒速率均有3 個(gè)明顯峰值，由于燃料第1 個(gè)峰值為燃料的水分蒸發(fā)階段，這一階段質(zhì)量損失較小，內(nèi)部分子間活躍不明顯。而第2 個(gè)峰值質(zhì)量損失最大，內(nèi)部分子間活躍程度最明顯，所以選擇第2 個(gè)峰值區(qū)間做動(dòng)力學(xué)分析，擬合結(jié)果見(jiàn)圖2，其中線(xiàn)性擬合相關(guān)系數(shù)R2 均在0.9以上，擬合程度較好。

圖2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)擬合圖

表3 為計(jì)算得出的青稞顆粒燃料在3 種升溫速率下的燃燒反應(yīng)活化能，從表3 中可以看出，升溫速率為30℃/min 時(shí)的活化能最高為61.82kJ·mol-1，升溫速率為10℃/min 時(shí)的活化能最低為49.5kJ·mol-1，此時(shí)燃料在燃燒時(shí)維持燃燒所需能量較少，燃燒較容易。

表3 3 種升溫速率下的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

4 結(jié)論

1.從3 種升溫速率下青稞顆粒燃料的著火、燃盡溫度和燃燒速率等方面分析，可知，升溫速率為30℃/min 時(shí)，燃料的最大燃燒速率和平均燃燒速率均最大，分別為33.3℃·min-1和8.3℃·min-1。

2.從兩種特性指數(shù)分析可得，升溫速率為30℃/min時(shí)，可燃特性指數(shù)Cr 和綜合燃燒指數(shù)P 均最大，分別為4.2×10-4mg·min-1·℃-2和6.3×10-6mg2·min-1·℃-2。

3.采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算3 種升溫速率下燃料的活化能，計(jì)算的相關(guān)系數(shù)均在0.9 以上，說(shuō)明模型可行。計(jì)算結(jié)果得出3 種升溫速率下，燃料的活化能分別為49.5kJ·mol-1、54.4kJ·mol-1和61.82kJ·mol-1。