生物质热反应机理特性研究

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1、第30卷第4期太阳能学报v01．3O．No．42OO9年4月ACTAENERGI^-ESOLARIsSINICAApr．，2OO9生物质热反应机理特性研究胡松，付鹏，向军，孙路石，丘继华，张军营(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉43oo74)摘要：通过对不同生物质在热解以及不同氧含量下燃烧过程的研究，详细探讨了生物质热反应机理。将OZA．WA分析方法和动力学分析法结合，计算得到固体样品在热反应过程中的活化能分布特征，进而确定所对应的动力学反应机理。通过对纤维素热解过程的分析证明该方法的准确

2、性，并对不同生物质在不同条件下热反应过程进行全面分析。结果表明，热反应过程可以分为两个阶段，第一阶段为挥发份释放阶段，动力学基本上符合R2即三维随机成核和核增长(除棉杆在N2：02=54：1条件下的反应)；第二阶段为焦反应阶段，动力学机理变化较大，而该变化与颗粒相的结构有关，其动力学特征可以归纳为(1一a)，n的取值与颗粒结构特性相关。关键词：生物质；热反应；OZAWA方法；动力学分析中圈分类号：TQ351．2文献标识码：A『lin)来表征生物质热解过程。OsvaldaSennecaLl研究IJ

3、和罱了3种生物质在热解、燃烧和气化中的动力学过程。目前全球能源消费比例是煤约占12％、天然气他认为焦的孔隙结构对其后期的反应性有直接关15％以及电力14％，与之相比的是生物质能约占系，氧浓度对生物质热反应过程有直接影响。Ayllon14％l1J。现在发达国家对生物质能利用日益关注，M等[3]研究肉类的热解过程，通过比较不同的动力主要是因为生物质是可再生能源以及具有CO2零排学方程确定符合肉类热解的最佳动力学解释。放特性。生物质能利用通常是借助热化学转化(热以上表明对生物质热解、燃烧或气化过程动力

4、解、气化和燃烧)来完成的。热解、气化和燃烧之间学的研究有各种各样的分析结果_5。而生物质物的主要区别在于反应过程中氧浓度的不同。热解是理，化学结构多样性更使得分析结论无明显规律，这在无氧条件下完成的，其主要产物是焦炭、焦油和热正是制约生物质大规模使用的瓶颈。对生物质热转解气；气化则是在缺氧或可提供氧原子的气化介质化过程中动力学规律的分析和总结是破解这一瓶颈条件下反应生成气化气；燃烧是在氧浓度为21％条的关键。本文主要对我国典型农业生物质在热重分件下完成的气固反应。析仪上进行不同氧含量条件下反应过

5、程研究。提出近50年来，研究者们对生物质热转换过程一种基于OZAWA法和动力学评判的分析方法。通进行了详细研究。但很少有人对生物质热反应进行过对纯纤维素热解过程的分析，确定该方法的准确系统探讨。JaakkoJauhiainen等l2研究了橄榄制油后性。然后对生物质热解及不同氧含量燃烧过程进行废弃物的热解和燃烧过程，他们发现其热解过程可研究，分别确定所对应的动力学参数和动力学机理。分为holoceUulose和lignin分解过程两个部分。而燃1实验方法烧过程中只是在上述反应上加入了一个额外的焦反

6、应过程，该反应在挥发分还未释放完就开始进行。所有的生物质破碎至25tan—lmm颗粒。所有同时在不同氧浓度下，废弃物的动力学参数与氧的试验均在德国Bayreuth大学完成，元素分析和工业分压成正比。而Antal和V~egyi-4等提出用反应级分析在Euro-CA3000(HEKAtech，Italy)和rIGA·2OOO数为一的三组分模型(hemicelhlose，cellulose和lig．(NavasInstrtnnents，Spain)I-_进行，相关数据见表1。收稿日期：20O7．10-

7、23基金项目：国家高新技术研究发展计划(863)项目(2007AA05Z308)；新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-07-0335)通讯作者：胡松(1973一)，男，博士、副教授、硕士生导师，主要从事非催化气固反应动力学方面的研究。hssh30@163．e0m51O太阳能学报30卷表1农业生物质工业分析及元素分析a)与反应机理有关。Table1Proximateandultimateanalysis2．1OZAWA法ofagriculturebiomasssamplesOZAWA方法在计算活

8、化能时无需提前确定反元素分析，％(wt)工业分析，％(wt)应机理，具体计算方法见参考文献[1l，l2]。样品[c][H][N][S][0]H20VFCA2．2动力学模型分析稻草38．105．250．860．0255．775．6866．7113．5014．11由TG和DTG数据可以确定动力学参数，但绝谷壳38．455．220．45—55．886．7361．2314．9617．08大多数方法使用的前提条件是需要确定反应机理，棉杆44．855．720．76—48．676．4175．7715．122．