生物质烟梗热解和燃烧特性研究

生物质是绿色植物通过光合作用 ， 以化学方式储存太阳能， 也是以可再生形式储存在生物圈的碳， ［1 ］ 形成的有机物 。随着工业的发展， 煤炭、 石油等化石能源的枯竭问题已经引起广泛的关注 。 对已有 化石能源的利用效率提高和各种代替的可再生能源需求迫切 ， 生物质是一类很重要的可再生资源 ， 可转
收稿日期： 2012 － 09 － 04 基金项目： 中国烟草总公司科技重大专项项目（ 110201001001 ） ； 云南中烟工业公司科技开发计划（ 2010JC04 ） ； 云南省创新团队建设 项目（ 2009CI014 ） mail： ghosthost@ 126． com 作者简介： 钟仙芳（ 1986 － ） ， 女， 浙江金华人， 硕士生， 研究方向为烟草化学； E* 通讯作者： 刘志华（ 1974 － ） ， mail： lzh@ cyats． com。 男， 副研究员， 主要从事烟草化学研究； E-
第1 期
钟仙芳， 等： 生物质烟梗热解和燃烧的燃烧特性研究
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0． 250 mm 粒径的烟梗在热解反应和燃烧反应的 TG 和 DTG 曲线见图 2 （ a ） 和图 2 （ b ） ， 跟粒径 0. 425 mm 时的热解反应和燃烧反应的趋势相同 ， 只是最大燃烧速率上的不同。TG 曲线上的第三阶段， 能够明显的区分热解反应和燃烧反应即在 TG 曲线的纵坐标上灰分残留量大小的差别 。 同时反映氧气 的参与使得燃烧反应进行得更彻底更完全 。 在热解反应的 TG 曲线上不同升温速率对其影响不是很 大。但在 DTG 曲线上由于升温速率的不同使得最大失重速率不同 ， 且在相同的升温速率下燃烧反应的 最大失重速率大于热解反应的最大失重速率 。
Pyrolysis and Combustion Characteristics of Biomass Tobacco Stalk
2 ZHONG Xianfang1， ，LIU Chunbo1 ，WANG Kunmiao1 ，ZHANG Tao1 ，HAN Jingmei1 ， 2 CHEN Yongkuan1 ，WANG Yaming2 ，MIAO Mingming1 ，LIU Zhihua1，
（ 1． Key Lab． of Tobacco Chemistry of Yunnan， Yunnan Academy of Tobacco Science，Kunming 650106 ，China； 2． The School of Chemistry Engineering， Kunming University of Science and Technology， Kunming 650224， China） Abstract： In this paper combustion characteristics of tobacco stalk was studied． Simultaneous thermal analysis technology was used to analyze the influence of heating rate and particle diameter． Then combustibility index and kinetic energy were obtained． The effect of combustion characteristic index during pyrolysis or combustion reaction tobacco stem of heating rate on biomass of tobacco stem is S n （ 20 K / min） ＞ S n （ 15 K / min） ＞ Sn （ 10 K / min） ＞ Sn （ 5 K / min） ． But the effect of with particle diameter 0． 425 mm in pyrolysis is Sn （ 20 K / min） ＞ Sn （ 15 K / min） ＞ S n （ 5 K / min） ＞ S n （ 10 K / min） and in combustion reaction is S n （ 15 K / min ） ＞ S n （ 20 K / min） ＞ S n （ 10 K / min） ＞ S n （ 5 K / min） ． At the same time，the effect of particle diameter on combustion characteristic index is S n （ 0． 180 mm） ＞ S n （ 0． 250 mm） ＞ S n （ 0． 425 mm） ． Key words： Pyrolysis； combustion characteristic index； particle diameter； heating rate
0． 180 mm 粒径的烟梗在热解反应和燃烧反应的 TG 和 DTG 曲线见图 3 （ a） 和图 3 （ b ） ， 与图 1 和图 2 中 0． 425 mm 和 0． 250 mm 的烟梗热解反应和燃烧反应过程一致 。
图3 Fig． 3
0． 180 mm 烟梗在热解反应和燃烧反应不同升温速率的 TG（ a） 和 DTG（ b） 曲线
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生
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物
质
化
学
工
程
第 47 卷
化为各种形态的燃料和其他化工产品 。烟梗同样是生物质中的一种， 具备作为再生能源的特性。 并 ［3 ］ 近年来高明等 利用烟梗生物发酵制造有机肥； 唐兴平 且每年有大量的烟梗由于存储等原因被浪费 ， ［4 ］ 等 利用烟草加工和卷烟加工过程中产生的废弃物 （ 烟梗和碎烟叶） 来制造烟草薄片， 提高了烟梗的利 ［5 ］ ［6 ］ 用率。众多学者在生物质能源转化 和生物质秸秆、 竹质材料等的热解燃烧技术 方面开展了大量的 本文作者利用热重分析仪研究烟梗的热解和燃 有效工作。但是烟梗生物质的热解规律研究鲜见报道 ， 烧规律为生物质能的开发、 利用和转化提供理论基础。
第 47 卷第 1 期 2013 年 1 月
生 物 质 化 学 工 程 Biomass Chemical Engineering
Vol． 47 No． 1 Jan． 2013
doi： 10． 3969 / j． issn． 1673－5854． 2013． 01． 006
·研究报告— — —生物质能源·
Fig． 1
图 1 0． 425 mm 烟梗在热解反应和燃烧反应不同升温速率的 TG（ a） 和 DTG（ b） 曲线 The TG（ a） DTG（ b） curve of stem with 0． 425 mm particle diameter in pyrolysis reaction and combustion reaction at different heating rates
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2． 1
Baidu Nhomakorabea
结果与讨论
热解和燃烧特性分析 ［7 ］ 氮气氛围中为热解反应， 而在氮氧混合气氛围中为燃烧反应 。由于氧气的参与使得燃烧反应进 行得更彻底更完全， 所以氮气氛围下热解反应得到的固体残留物的量均比在氮氧混合气氛围下燃烧反 应的多。 粒径为 0． 425 mm 烟梗在热解反应和燃烧反应不同升温速率的 TG 和 DTG 曲线见图 1 （ a ） 和图 1 （ b） 。从图 1 （ a） TG 曲线中看出 323 423 K 为第一阶段， 423 663 K 为第二阶段， 663 1 173 K 为第三 是水分的析出。第二阶段的 DTG 曲线上有 2 个波 阶段 。第一阶段的 DTG 曲线上出现 1 个小的波峰， 峰， 是挥发分的析出和燃烧； 第 1 个波峰可能是小分子量物质的挥发 ， 第 2 个波峰在 573 K 左右， 是主要 的热解区域， 并在此处出现最大失重速率。热解反应下， 随着各种物质相应析出， 虽达到着火点， 但由于 缺氧而不出现气相火焰， 热解反应的热分解速率低于燃烧反应中的热分解速率 。DTG 曲线显示在第三 阶段仍存在较大的热分解失重速率 ， 可能由于氧气的存在使得在热解反应下缓慢炭化的高分子物质发 生燃烧反应， 从而 DTG 曲线中出现波峰， 同时也说明在氮氧混合气氛围中进行的燃烧反应比在氮气氛 围中的热解反应更强烈更彻底。
图2 Fig． 2
0． 250 mm 烟梗在热解反应和燃烧反应不同升温速率的 TG（ a） 和 DTG（ b） 曲线
The TG （ a ） DTG （ b ） curve of stem with 0． 250 mm particle diameter in pyrolysis reaction and combustion reaction at different heating rates
The TG （ a ） DTG （ b ） curve of stem with 0． 180 mm particle diameter in pyrolysis reaction and combustion reaction at different heating rates
质烟梗的热解反应和燃烧反应的影响。在热解反应和燃烧反应中升温速率对生物质烟梗的燃烧特性指数的 影响 规律 大 致为 S n ( 20 K / min) ＞ S n ( 15 K / min) ＞ S n ( 10 K / min) ＞ S n ( 5 K / min) ， 但粒径为 0． 425 mm 烟梗在在热解反应时燃烧 特 性 指数随升温速率变化 S n ( 20 K / min) ＞ S n ( 15 K / min ) ＞ S n ( 5 K / min ) ＞ S n ( 10 K / min ) ， 燃烧 反应 时 随升温 速率的 变 化 Sn ( 15 K / min) ＞ Sn ( 20 K / min) ＞ Sn ( 10 K / min) ＞ Sn ( 5 K / min) ; 同时考察粒径对燃烧特性指数的影响得出 Sn ( 0． 180 mm) ＞ Sn ( 0． 250 mm) ＞ Sn ( 0． 425 mm) 。用 Ozawa 法计算生物质烟梗的表观活化能， 得出生物质 烟梗 热解反应 时 的 活 化能大 于燃 烧反应时的活化能。 关键词： 热重分析仪; 燃烧特性; 粒径; 升温速率 中图分类号： TQ35 文献标识码： A 文章编号： 1673 － 5854 ( 2013 ) 01 － 0039 － 06
生物质烟梗热解和燃烧特性研究
1， 2 1 1 1 1 钟仙芳 ，刘春波 ，王昆淼 ，张 涛 ，韩敬美 ， 1 2 1 1， 2 陈永宽 ，王亚明 ，缪明明 ，刘志华 *
( 1． 云南烟草科学研究院 云南省烟草化学重点实验室，云南 昆明 650106 ; 2． 昆明理工大学 化学工程学院，云南 昆明 650224 ) 摘 要： 以生物质烟梗为材料， 对其燃烧特性进行了研究。采用热重分析仪同步热分析技术考察升温速率和 粒 径 对 生物
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实验
仪器、 试剂与材料 STA 6000 热重分析仪， 美国 PE 公司； FW 80 微型高速万能试样粉碎机， 北京中兴伟业仪器有限公 ； ， ， 2 。 司 红花大金元橘色烟梗 玉溪卷烟厂 存储 年 1 ． 2 样品处理 0． 250 和 选取红花大金元橘色烟梗， 使 用 高 速 万 能 试 样 粉 碎 机 粉 碎 过 筛 后 得 到 粒 径 为 0． 425 、 0． 180 mm 的烟末， 分别放入 STA 6000 热重分析仪的样品池中， 在 323 K 下称重， 待热分析。 1 ． 3 实验条件 10 、 15 和 20 K / min； 载气： 高 热重分析仪（ 灵敏度 0． 001 mg） 升温条件： 323 1 173 K； 升温速率： 5 、 纯氮气、 氮气和氧气混合气（ 体积比 91 ʒ 9 ） ； 气体流量： 50 mL / min。