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第44卷第11期太阳能学报Vol.44,No.11

2023年11月ACTAENERGIAESOLARISSINICANov.,2023

D0I:10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1118文章编号：0254-0096(2023)11-0406-07

热分析仪中生物质炭氧化特性及面反应动力学分析

闫升太，李舒琪，徐攀²，何芳1

（1.山东理工大学交通与车辆工程学院，淄博255049；2.潍坊理工学院，青州262500）

摘要：为明确生物质堆积燃烧或大颗粒炭燃烧动力学特性，应用同步热分析仪对不同生物质炭（玉米秸、稻壳、榆树皮和柏

木）在不同横截面积埚（0.21、0.42cm²）中使用不同高度样品量（满、1/10）进行实验，分析样品失重速率与反应面积

（埚横截面积）和样品量的关系。结果表明：失重速率与反应面积成正比，与样品量无关，表明生物质炭的堆积燃烧为面反

应；灰分少、氧扩散阻力小的柏木炭的热重数据更能体现动力学特性，其基于面反应的动力学参数指前因子A,=40.5m/s，活化

能E=61.5kJ/mol。

关键词：生物质；面反应；动力学；生物炭；热分析仪

中图分类号：TK6文献标志码：A

0引言受未反应内核外表面积影响；任意核模型认为反应时内孔变

形相互重叠且灰层孔表面累积，氧化速率受孔结构影响。然

中国农业废弃物（如玉米秸、稻壳等）储量丰富，加大对而，目前对生物质炭氧化为体反应仍鲜有明确定论。

其利用可有效缓解能源及环境危机-3],燃烧是从中获取生物应用模型前，先进行炭氧化实验以获取氧化动力学等关

质能的有效手段之一。大颗粒物料堆积状态的低温无焰燃键计算参数，热分析仪是常用的实验设备115-7]。实际上，热分

烧（阴燃），以其原料适应性强（热值大于1.6MJ/kg、含水率析仪中生物质炭氧化并不一定满足体反应模型中的均匀分

布假设。这是因为炭氧化时明显的放热及较大的氧传输阻

（质量分数小于80%[4），固相温度低（500~800℃，可避免富

含的钾等活性物质的逸出造成焦渣和换热器沾污[5-6])等优力可能将反应限制于未反应样品顶部，使该过程呈现面反应

势，而在农业废弃物的处理应用领域展现出巨大潜力。与其特征18]。尽管缩核及任意核模型认为炭氧化为面反应，但二

他燃烧技术相同，稳态可控是阴燃技术应用的基础，但目前者均未考虑灰分对反应速率的影响，灰分影响被囊括于炭氧

大多学者认为燃烧在固体燃料内传播理论上通常不存在稳化动力学中，进而影响动力学参数的准确性。常用于计算煤

焦氧化速率的面反应模型考虑了灰层的阻力，同时包括自由

态解（反应锋面和热波锋面传播速度不同)7-8],然而实验中佛

香的燃烧非常稳定，其主要由着火材料（柏木或松木粉）、粘层阻力和动力学阻力对氧化速率的影响19],但文献中鲜有对

结剂（榆树皮粉）及少量香料制成。因此，对不同生物质燃烧基于煤焦氧化的面反应模型分析生物质炭的相应动力学参

过程的分析对其合理利用具有重要意义。数的报道。

炭氧化阶段在生物质燃烧过程中占据时间最长（相比于为研究热分析仪内生物质炭氧化的特性（体积反应或面

干燥和热解阶段），其氧化速率直接决定了生物质燃烧过程反应)与获取相应氧化动力学参数，本文在同步热分析仪中使

持续时间（燃煜时间)[9-1]。目前对生物质炭氧化速率预测的用不同横截面积的埚和不同高度的样品量进行实验分析。

选择中国常见的农业废弃物

模型主要有