热处理对稻壳焦燃烧特性的影响 徐铭梓.docVIP

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号114171 热处理对稻壳焦燃烧特性的影响 徐铭梓，严佩，盛昌栋 （东南大学能源与环境学院，南京，210096） (Tel：025 Email: c.d.sheng@) 摘 要：本文在水平管式炉上对稻壳在200～900℃进行热处理制焦，采用X射线衍射仪（XRD）、X光电子能谱分析（XPS）对焦的结构特性和采用热重分析（TGA）方法对焦燃烧特性及反应性进行了系统的分析。结构分析结果表明，250～300℃时，纤维素显著分解，含C官能团及其含量发生显著的变化，500℃以后焦微晶结构逐渐石墨化；对焦燃烧特性的研究结果表明，焦的反应性指数，活化能及指前因子均呈增大趋势，表明随热处理温度的升高，焦的燃烧反应性降低，并且焦的结构对焦的燃烧特性具有一定的影响。 关键词：热处理，生物质焦；微观结构；燃烧反应性 0前言 生物质能作为一种可再生能源。由于其能量密度低、不易输运等特点，需要对生物燃料进行必要的预处理。热处理作为提高生物质能源密度和利用效率的一种有效方法而被大量使用。热处理一般包括低温热处理和高温热处理。低温热处理又叫烘焙[1-5]，是一种缓慢的热解过程，热处理温度范围为200～300℃；高温热处理通常指温度高于500℃的热处理方法。低温热处理一般专门用于提高生物质燃料的能量密度，所得到的产物可作为电厂的优质燃料；而高温热处理得到的焦一般可通过燃烧，用于为热解系统提供热能。可见，热处理最终的利用途径主要是燃烧，故研究热处理及其条件对其产物即焦燃烧特性的影响具有重要意义[6-13]。通常，生物质焦是指热解温度高于500℃以上所剩余的黑色多孔物质，但本文涉及温度是200～900℃，故将生物质焦定义为生物质材料热处理后留下的固体产物。 生物质焦燃烧特性在很大程度上受焦结构特性的影响，其微观结构随着热处理温度的变化会发生一定的变化，比如焦的表面官能团结构、碳微晶结构等，众多学者已对此进行了研究[14-20]，如肖瑞瑞[14]等在对稻草的研究时得出生物质焦热解温度集中在200～600℃，且随着热处理温度的升高，焦中C-O、C=O和OH等含量降低。但目前对生物质从低温到高温热处理焦的微观结构变化与燃烧反应特性之间的认识尚有待于深入系统的研究。 本文在水平管式炉上对稻壳在200～900℃进行热处理制焦，采用X射线衍射仪（XRD）、X光电子能谱分析（XPS）对焦的结构特性和采用热重分析（TGA）方法对焦燃烧特性及反应性进行了系统的分析，求解了焦的着火温度、燃尽时间等燃烧特性参数并探索了高温下制得稻壳焦的燃烧反应的反应性指数、活化能等动力学参数，将分析出的焦表面官能团及焦的微晶结构的变化规律与焦的燃烧反应性相关联，从而找出二者之间的联系。 1 实验 1.1热处理制焦 生物质原料为江苏某地区的稻壳，在实验室将其破碎至500 (m以下用于热处理，表1是稻壳的工业分析和元素分析等基本特性。利用水平管式炉在N2气氛下制焦，N2的流量是150 ml/min，热处理温度为200～900℃。实验时用刚玉瓷舟盛放稻壳样，并将瓷舟置于管式炉的中央，以10 K/min的加热速率加热至设定温度，并在该温度下保温1 h，此后仍在N2气氛下冷却到160℃后取出，置于干燥皿中冷却至室温。通过热处理前后样品的称重和水分分析得到焦的产率，而所获得的焦样用于元素组成、结构和燃烧特性的分析。 表1 稻壳的特性分析（空气干燥基） 稻壳 工业分析，wt% 元素分析，wt% 高位发热量 W A V C N H 16815 10.72 16.81 60.82 38.96 0.72 4.77 1.2 焦的结构特性分析 采用EA3000型有机元素分析仪对稻壳焦样进行元素分析，其目的是为了分析焦中元素含量随热处理温度的变化，而焦的元素组成一定程度上可反映焦化学结构的变化。 为了研究焦的有机质晶体结构随热处理温度的变化,采用XRD方法对各焦样进行分析。所用的仪器是Bruker公司D8 ADVANCE型X射线仪，Cu靶辐射，射线管电压是40 kV，射线管电流是30 mA，射线波长0.15418 nm，扫描范围是5°～95°，步宽是0.1°，扫秒速度是10 (/min。XRD图谱显示焦中晶体的衍射特性，从图谱中可以分析不同温度下焦的微晶结构的变化规律。 为了研究焦的表面官能团特性随热处理温度的变化，对焦进行XPS分析。所用的XPS仪器的型号Thermo ESCALAB 250，单色A