生物质能源属于可再生能源的一种，是可持续再生能源重要的组成部分，是实施可持续能源战略的重要措施。生物质能源不仅是一种可再生的绿色能源，而且在使用的过程中实现了二氧化碳的零排放。与传统的煤炭相比，生物质灰分低，几乎不含硫，所以生物质能源的研究、开发和利用已经引起了人们的重视，成为新能源开发的一个重要方向。目前，发达国家如美国、英国、荷兰等国正在大规模的开发利用生物质资源发电，我国也开始推广和利用这一新技术。我国生物质资源丰富，主要包括薪柴、农作物秸秆、林业剩余物，食品加工和林产品加工的下脚料。生物质资源的开发利用不仅有利于资源的综合利用，也有利于解决因堆放而产生的环境污染问题。利用锅炉直接燃烧生物质用以发电和供热是生物质利用的一个重要方式，研究生物质燃烧特性对生物质锅炉和发电设备的设计与运行具有重要的意义。作者以麦秆为原料，采用TG-DTG研究成型对麦秆燃烧性能的影响，并进行麦秆和麦秆成型物燃烧特性的动力学分析，富通新能源专业生产销售
秸秆颗�；�、
秸秆压块机等农作物秸秆成型机械设备，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料出售。
1、实验
1.1材料与仪器
本实验所用的麦秆取自江苏省南京市，原料含水率10.8%，烘干后剪碎成小颗粒样品备用。采用WE-300/600型液压式成型机进行成型，成型条件为：成型压力4MPa、成型温度110℃，麦秆成型后经过自然晾干，得到直径为2.5cm的圆柱形成型块。STA-409PC热分析仪，德国Netzsch公司；DF-101S型电热恒温鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司。
1.2实验方法
取10mg麦秆颗粒样品和麦秆成型块上取下的样品置于热重天平支架的坩埚内，通以空气，按照10、20、30℃/min的升温速率进行升温。随着温度的升高，样品的质量和吸放热发生变化，直到燃烧完全为止，记录整个过程，得到样品的燃烧“指纹”即燃烧特性曲线。不同的样品有不同的燃烧特性曲线，通过对样品燃烧特性曲线的形状及不同特征值来分析样品的着火温度和燃烧性能，并进行动力学分析。
2、结果与讨论
2.1生物质燃烧特性
在不同的升温速率下，研究麦秆和麦秆成型块的燃烧特性，TG- DTG曲线如图1和2所示。根据TG-DTG曲线分析样品的热失重情况，结果见表1所示。
麦秆和麦秆成型块在不同升温速率下的TG-DTG曲线基本表现一致，不同升温速率对失重阶段的起始和终止温度有影响，可以分为3个阶段。第一个阶段是在60～110℃左右，失重率约为5%。这个阶段主要是由于样品中水分的蒸发引起的，同时DTG曲线伴随着微弱吸热峰，表明水分的蒸发需要吸收热量来完成，这一阶段主要是干燥阶段。第二个阶段是在110～340℃，主要集中于190～340℃，这个阶段质量损失较为明显，失重率约为37%～43%，这个阶段主要是挥发分的析出，并且样品开始燃烧，产生大量的气体，是挥发分析出以及燃烧阶段。第三个阶段是从340℃左右开始，在500～600℃左右结束。这个阶段是固定碳燃烧阶段，由于固定碳开始燃烧并且随着温度的升高逐渐燃烧完全，所以质量损失较大，失重率约为35%左右。之后，温度升高，而质量基本保持恒定，不再出现热失重，即为燃尽阶段。
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样品 |
升温速度 |
第一阶段 |
第二阶段 |
第三阶段 |
|
温度区间/℃ |
失重率/% |
温度区间/℃ |
失重率/% |
温度区间/℃ |
失重率/% |
|
麦秆 |
10 |
60～110 |
5 |
110～340 |
43 |
342～495 |
38 |
|
20 |
60～120 |
5 |
120～340 |
42 |
350～520 |
35 |
|
30 |
60～130 |
6 |
130～340 |
39 |
350～560 |
34 |
|
麦秆成型块 |
10 |
50～1250 |
5 |
125～320 |
40 |
325～525 |
36 |
|
20 |
50～130 |
5 |
130～340 |
38 |
350～555 |
35 |
|
30 |
50～150 |
5 |
150～345 |
37 |
350～620 |
33 |
升温速率对于生物质的燃烧特性有一定的影响，从图1、图2以及表1中数据分析可知，随着升温速率的增大，每个阶段的温度区间表现为延长的趋势并且结束温度向高温区移动，同时失重率减小。这可能是由于升温速率的增大使得生物质需要更长的时间和更高的温度来完成热解过程，使其热解完全。成型对于生物质的热解也有一定的影响。与麦秆相比，麦秆成型块热解过程的每个阶段的结束温度向高温区间移动，并且失重率减小，这主要是因为成型后生物质更加的致密，其热解过程较难发生并充分完成，所以需要更高的温度。
2.2生物质燃烧特性分析
2. 2.1 着火特性与燃尽特性分析对于着火温度的确定，本研究采用TG曲线和DTG曲线的方法来确定，如图3所示。具体方法为：在TG-DTG图中的曲线上，过DTG曲线的峰值E点做垂线与TG曲线交于一点F，过F点做TG曲线的切线并与TG曲线的平行线交于点G，G点所对应的温度就是着火点温度，也称为挥发分初析温度。燃尽温度选取样品失重占总失重99%时的温度，对应于TG-DTG曲线的质量不再有变化的温度。
麦秆和麦秆成型块的燃烧特性参数见表2。从表2分析可知，麦秆和麦秆成型块的着火温度基本一致，这主要是由于着火温度与生物质的挥发分和固定碳的含量有关，成型工艺没有改变麦秆中的挥发分和固定碳含量，所以着火温度基本相同。但是，随着升温速率的增大，着火温度表现为升高的趋势，因此可以通过改变升温速率来有效地降低样品的着火温度，改善着火性能。在燃尽温度上，麦秆成型炭的燃尽温度高于麦秆，说明麦秆成型块的燃尽特性比麦秆差，这是由于成型使得麦秆更加致密从而降低其燃烧速率。
2.2.2综合燃烧特性分析为了全面评价样品的燃烧情况，采用综合燃烧特性指数(P)来描述本研究中样品的燃烧情况：式中：P-综合燃烧特性指数；(dw/dt)一最大燃烧速度，%/min,(dw/dt)—平均燃烧速度，%/min；Ti一着火温度，K；Th—燃尽温度，K。
表2 生物质燃烧特性参数
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样品 |
升温速率/（℃·min-1） |
着火温度/℃ |
燃尽温度/℃ |
综合燃烧特性指数（10-7） |
|
麦秆 |
10 |
249.5 |
521 |
0.68 |
|
20 |
257.5 |
538 |
2.65 |
|
30 |
261.1 |
582 |
4.67 |
|
麦秆成型块 |
10 |
250.8 |
550 |
0.76 |
|
20 |
263.9 |
573 |
2.40 |
|
30 |
265.0 |
639 |
4.58 |
根据公式计算的麦秆及麦秆成型块的综合燃烧特性指数P见表2。P值越大，表明样品的燃烧特性越好。从表中可以看出，随着温度的升高，P值逐渐增大。升温速率从10℃/min增加到30℃/min时，P值增加了7～8倍。当升温速率为10℃/min时，麦秆成型块的综合燃烧性能好于麦秆，但是随着升温速率的增大，则麦秆的燃烧性能好于麦秆成型块。因此，可以根据综合燃烧特性指数来针对不同的原料采取不同的燃烧工艺以获得最好的燃烧性能。同时，一般来讲煤的综合燃烧特性指数一般为(5～61) x10
-9，生物质的综合燃烧特性指数比其高2个数量级，所以生物质的综合燃烧特性明显的好于煤。
2.3生物质燃烧动力学分析
生物质的燃烧动力学分析通常采用的是Freeman-carroll微分法即FC法。FC法是利用一条非等温热分析曲线数据来进行动力学的分析，通过线性回归处理来得到最为合理的模型函数，并且可以通过直线的斜率和截距求得活化能(E)和指前因子(A)。该法的基本公式为：式中：a-转化率，%；t-反应时间，min；A-指前因子；E-活化能，kj/mol；R-气体常数，8.31J/(mol．K)；T-温度，K。
生物质的燃烧过程，一般认为是从挥发分的着火开始的，所以生物质的燃烧过程受到挥发分的热解释放过程的控制，主要受到化学动力学影响。假设其机理函数表达式为f（a）=（1-a）n，并且n=l时属于一级反应。将f(a)代入式(2)中，两边取对数可以将上式变为In[(da/dt)/（1-a）]=InA -(E/R)(1/T)。通过作In[( da/dt)/（1-a）]与(1/T)图，从斜率可以求得E，截距为InA。生物质的燃烧可以分为挥发分的燃烧和固定碳的燃烧，其计算结果见表3所示。
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样品 |
升温速率/（℃·min-1） |
温度区间/℃ |
指前因子A/min-1 |
活化能E/（kj·mol-1） |
相关系数/% |
|
麦秆 |
10 |
241～349 |
1.12*10-5 |
67.9 |
98.0 |
|
10 |
414～493 |
0.63*105 |
73.4 |
97.0 |
|
20 |
244～350 |
6.29*105 |
72.9 |
98.5 |
|
20 |
439～505 |
407.88 |
43.0 |
98.3 |
|
30 |
244～365 |
0.20*105 |
55.8 |
98.7 |
|
30 |
444～509 |
10.29 |
23.3 |
98.6 |
|
麦秆成型块 |
10 |
227～317 |
1.15*109 |
107.2 |
97.0 |
|
10 |
427～517 |
864.66 |
51.5 |
97.5 |
|
20 |
244～342 |
1.79*107 |
87.7 |
97.0 |
|
20 |
434～533 |
97.23 |
37.3 |
97.0 |
|
30 |
252～352 |
1.26*107 |
85.2 |
97.3 |
|
30 |
439～562 |
2.75 |
18.2 |
99.0 |
根据表3可以看出，计算结果的相关系数在97%～99%之间，相关度较好，所以本研究假设的生物质燃烧反应属于一级反应是合理的。在活化能方面，麦秆和麦秆成型块在不同燃烧阶段有差别。在挥发分燃烧阶段，麦秆的活化能要低于麦秆成型块，从活化能的角度来说麦秆要比麦秆成型块更易着火，着火温度更低。但是从表2中实验结果来看，二者的着火温度基本相同，这可能是受到其他因素的影响，比如密度、成型压力等。在固定碳燃烧阶段，二者的活化能差别较小，这说明在生物质的燃烧过程中，燃烧性能的差别主要是与生物质内的挥发分的燃烧释放有关。
3、结论
3.1麦秆和麦秆成型块的燃烧可以分为3个阶段：干燥阶段、挥发分析出和燃烧阶段以及固定碳燃烧阶段。生物质挥发分和固定碳含量高，所以质量损失主要集中于第二个阶段和第三个阶段。
3.2着火温度主要与生物质的挥发分和固定碳含量有关，成型没有改变麦秆中的挥发分和固定碳含量，所以麦秆和麦秆成型块的着火温度基本相同，在250～265℃之间。但是，由于成型后，成型块更加致密，影响其燃烧速率，所以麦秆成型块的燃尽温度高于麦秆。
3.3升温速率不同，生物质的燃烧特性也不同，所以可以通过改变升温速率来改变生物质的燃烧性能。麦秆和麦秆成型块的综合燃烧特性指数要比煤高2个数量级，所以其综合燃烧特性要好于煤。
3.4麦秆和麦秆成型块的燃烧反应遵循燃烧动力学的基本方程，属于一级反应。生物质的燃烧性能主要与生物质内挥发分的含量有关，而与固定碳含量关系不大。
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