核桃壳炭燃烧特性及动力学分析
发布时间：2021-03-29 07:48
通过固定床反应器作核桃壳热解试验,采用热重分析仪研究核桃壳炭燃烧特性。基于TG-DTG曲线分析核桃壳炭燃烧特性,采用一级反应动力学模型和Coats-Redfern积分法拟合计算结果,由拟合结果可知,相关系数（R）均高于0.9,证明一级反应动力学可较好描述核桃壳炭燃烧动力学特性。结果表明,核桃壳炭活化能在53.32～63.48 kJ·moL-1,随着热解温度升高,核桃壳炭燃烧所需活化能逐渐增加,着火温度和燃尽温度均升高,综合燃烧特性指数（S）减小。
【文章来源】：东北农业大学学报. 2018,49(11)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
核桃壳炭燃烧TG和DTG曲线Fig.1TGandDTGcurvesofbiocharpreparedfromwalnutshells01002003004005006007008009000-10温度（℃）Temperature0100200300400500600700800900温度（℃）Temperature
图2核桃壳炭燃烧线性曲线Fig.2Linearcurvesofcombustionofbiocharpreparedfromwalnutshells关系如图2所示。核桃壳炭在燃烧反应之前，气相反应物均匀分布在固体颗粒间隙，假设浓度一致，核桃壳炭燃烧反应过程在孔隙之间均匀发生。燃烧反应前，固体颗粒外形及内部结构保持不变，随着燃烧反应进行，固体颗粒发生一定程度变化，内部结构变形，官能团断裂，小分子物质重组，挥发分物质析出，导致固体颗粒孔隙结构通透，孔隙率增大，气固相反应物质接触面积增大，燃烧过程中反应速率加快，反应温度升高提高反应活性分子活跃度，气固相反应物之间反应速率加快。因此，在燃烧反应前期核桃壳炭失重速率逐渐增大，失重明显。在燃烧反应后期，由于反应过程中转化率增大，较难反应物质逐渐增多，可反应易燃物质减少，反应温度升高导致核桃壳炭内部孔隙结构破坏，孔隙率减少，气固相反应物之间反应界面缩小，随着反应温度升高，核桃壳炭内部逐渐形成稳定大分子平面碳网结构，稳定性逐渐增强，核桃壳炭燃烧难度增大，反应速率降低，失重趋于平缓。随着热解温度增大，核桃壳炭中小分子物质逐渐析出，与内部结构重组，核桃壳炭热稳定性增强；同时挥发性物质析出也会导致原料中活性物质减少，气固相反应物之间反应活性下降，燃烧过程中反应速率降低，因此随着热解温度升高，核桃壳炭燃尽时间延长，燃尽温度升高，与TG和DTG曲线变化一致。采用最小二乘法对热重试验曲线作线性拟合得到不同热解温度下回归方程，根据相关运算方法可计算活化能E和指前因子A，结果见表3。由表3可知，线性拟合相关系数R均在95%以上，说明线性回归合理，结果可靠。从表3中数据可以看出，核桃壳炭活化能由400℃55.83kJ
煅烧。试验时，取干燥箱中备好核桃壳炭样品（8±1）mg均匀放入热重分析仪坩埚中，以干燥空气作为反应气体，气体流量为30mL·min-1，升温速率为10℃·min-1，反应终温为800℃，升温过程中使用仪器初始温度等待功能，等待温度为30℃。试验中仪器自动记录样品质量损失，通过质量损失曲线微分得到失重速率曲线。2结果与分析2.1核桃壳炭热重曲线分析不同热解温度下制备核桃壳炭燃烧TG和DTG曲线如图1所示。图1可知，不同温度下制备核桃壳炭燃烧失重过程一致，燃烧过程分为脱水、燃烧、燃尽3个阶段。由室温到260℃，核桃壳炭中水分逐渐析出，少量挥发分缓慢燃烧，失重量缓慢降低，为核桃壳炭脱水阶段；随着反应温度升高（260~600℃），核桃壳炭失重量增大，占燃烧失重过程80%，为固定碳燃烧阶段；随着反应温度升高（>600℃），残留微量固定碳在灰分中缓慢燃烧，直至燃尽，曲线水平平滑，样品质量几乎没有变化，说明固定碳燃烧已经结束，为燃尽阶段，燃尽残渣主要是不燃烧碱性金属等物质，由表1可知，随着热解温度升高，核桃壳炭中灰分物质增加，但差别不大，与TG曲线反应结果一致。通过比较不同热解温度下制备核桃壳炭TG曲线可见，随着热解温度升高，核桃壳炭着火温度和燃尽温度升高。原因是热解过程中，核桃壳中内部水分发生脱除反应，半纤维素、纤维素以及木质素等有机物质在热解过程中反应相互叠加，其中，半纤维素和纤维素稳定性较差，反生脱羰基和交联等系列反应，原料内部会形成稳定芳环化结构，生成少量石墨微晶碳和大量挥发性气体，如水、二氧化碳和小分子碳氢化合物；而大量木质素则会发生脱氢脱氧反应，分解后主要生成物是碳、少量挥发?
【参考文献】：
期刊论文
[1]水热生物炭燃烧特性与动力学分析[J]. 范方宇,邢献军,施苏薇,张贤文,张学飞,李永玲,邢勇强. 农业工程学报. 2016(15)
[2]纤维素单独成型及燃烧特性研究[J]. 蒋恩臣,高忠志,秦丽元,姜洋,王明峰,韩平. 东北农业大学学报. 2016(05)
[3]两种不同生物质成型燃料燃烧特性实验研究[J]. 彭好义,姚昆,曹小玲,蒋绍坚,王育青,彭福来. 太阳能学报. 2016(04)
[4]木质素热解制备焦炭的试验研究[J]. 蒋恩臣,陈爱慧,秦丽元,赵晨希,罗立娜. 可再生能源. 2015(07)
[5]山核桃等3类果蓬原料机制炭燃烧性能分析[J]. 朱杭瑞,庄晓伟,潘炘,陈顺伟,章江丽. 浙江农林大学学报. 2013(01)
[6]生物质能流化热裂解技术研究现状[J]. 李三平,王述洋,孙雪,曹有为. 生物质化学工程. 2013(01)
[7]核桃壳质活性炭的制备及处理印染废水的研究[J]. 王湖坤,陈绍华. 印染助剂. 2008(08)
[8]核桃壳催化热解制取氢气[J]. 张蕾,张磊,舒新前,李钢,丁兆军. 吉林大学学报(工学版). 2008(02)
博士论文
[1]我国农业废弃物新型能源化开发利用研究[D]. 左旭.中国农业科学院 2015
本文编号：3107205
【文章来源】：东北农业大学学报. 2018,49(11)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
核桃壳炭燃烧TG和DTG曲线Fig.1TGandDTGcurvesofbiocharpreparedfromwalnutshells01002003004005006007008009000-10温度（℃）Temperature0100200300400500600700800900温度（℃）Temperature
图2核桃壳炭燃烧线性曲线Fig.2Linearcurvesofcombustionofbiocharpreparedfromwalnutshells关系如图2所示。核桃壳炭在燃烧反应之前，气相反应物均匀分布在固体颗粒间隙，假设浓度一致，核桃壳炭燃烧反应过程在孔隙之间均匀发生。燃烧反应前，固体颗粒外形及内部结构保持不变，随着燃烧反应进行，固体颗粒发生一定程度变化，内部结构变形，官能团断裂，小分子物质重组，挥发分物质析出，导致固体颗粒孔隙结构通透，孔隙率增大，气固相反应物质接触面积增大，燃烧过程中反应速率加快，反应温度升高提高反应活性分子活跃度，气固相反应物之间反应速率加快。因此，在燃烧反应前期核桃壳炭失重速率逐渐增大，失重明显。在燃烧反应后期，由于反应过程中转化率增大，较难反应物质逐渐增多，可反应易燃物质减少，反应温度升高导致核桃壳炭内部孔隙结构破坏，孔隙率减少，气固相反应物之间反应界面缩小，随着反应温度升高，核桃壳炭内部逐渐形成稳定大分子平面碳网结构，稳定性逐渐增强，核桃壳炭燃烧难度增大，反应速率降低，失重趋于平缓。随着热解温度增大，核桃壳炭中小分子物质逐渐析出，与内部结构重组，核桃壳炭热稳定性增强；同时挥发性物质析出也会导致原料中活性物质减少，气固相反应物之间反应活性下降，燃烧过程中反应速率降低，因此随着热解温度升高，核桃壳炭燃尽时间延长，燃尽温度升高，与TG和DTG曲线变化一致。采用最小二乘法对热重试验曲线作线性拟合得到不同热解温度下回归方程，根据相关运算方法可计算活化能E和指前因子A，结果见表3。由表3可知，线性拟合相关系数R均在95%以上，说明线性回归合理，结果可靠。从表3中数据可以看出，核桃壳炭活化能由400℃55.83kJ
煅烧。试验时，取干燥箱中备好核桃壳炭样品（8±1）mg均匀放入热重分析仪坩埚中，以干燥空气作为反应气体，气体流量为30mL·min-1，升温速率为10℃·min-1，反应终温为800℃，升温过程中使用仪器初始温度等待功能，等待温度为30℃。试验中仪器自动记录样品质量损失，通过质量损失曲线微分得到失重速率曲线。2结果与分析2.1核桃壳炭热重曲线分析不同热解温度下制备核桃壳炭燃烧TG和DTG曲线如图1所示。图1可知，不同温度下制备核桃壳炭燃烧失重过程一致，燃烧过程分为脱水、燃烧、燃尽3个阶段。由室温到260℃，核桃壳炭中水分逐渐析出，少量挥发分缓慢燃烧，失重量缓慢降低，为核桃壳炭脱水阶段；随着反应温度升高（260~600℃），核桃壳炭失重量增大，占燃烧失重过程80%，为固定碳燃烧阶段；随着反应温度升高（>600℃），残留微量固定碳在灰分中缓慢燃烧，直至燃尽，曲线水平平滑，样品质量几乎没有变化，说明固定碳燃烧已经结束，为燃尽阶段，燃尽残渣主要是不燃烧碱性金属等物质，由表1可知，随着热解温度升高，核桃壳炭中灰分物质增加，但差别不大，与TG曲线反应结果一致。通过比较不同热解温度下制备核桃壳炭TG曲线可见，随着热解温度升高，核桃壳炭着火温度和燃尽温度升高。原因是热解过程中，核桃壳中内部水分发生脱除反应，半纤维素、纤维素以及木质素等有机物质在热解过程中反应相互叠加，其中，半纤维素和纤维素稳定性较差，反生脱羰基和交联等系列反应，原料内部会形成稳定芳环化结构，生成少量石墨微晶碳和大量挥发性气体，如水、二氧化碳和小分子碳氢化合物；而大量木质素则会发生脱氢脱氧反应，分解后主要生成物是碳、少量挥发?
【参考文献】：
期刊论文
[1]水热生物炭燃烧特性与动力学分析[J]. 范方宇,邢献军,施苏薇,张贤文,张学飞,李永玲,邢勇强. 农业工程学报. 2016(15)
[2]纤维素单独成型及燃烧特性研究[J]. 蒋恩臣,高忠志,秦丽元,姜洋,王明峰,韩平. 东北农业大学学报. 2016(05)
[3]两种不同生物质成型燃料燃烧特性实验研究[J]. 彭好义,姚昆,曹小玲,蒋绍坚,王育青,彭福来. 太阳能学报. 2016(04)
[4]木质素热解制备焦炭的试验研究[J]. 蒋恩臣,陈爱慧,秦丽元,赵晨希,罗立娜. 可再生能源. 2015(07)
[5]山核桃等3类果蓬原料机制炭燃烧性能分析[J]. 朱杭瑞,庄晓伟,潘炘,陈顺伟,章江丽. 浙江农林大学学报. 2013(01)
[6]生物质能流化热裂解技术研究现状[J]. 李三平,王述洋,孙雪,曹有为. 生物质化学工程. 2013(01)
[7]核桃壳质活性炭的制备及处理印染废水的研究[J]. 王湖坤,陈绍华. 印染助剂. 2008(08)
[8]核桃壳催化热解制取氢气[J]. 张蕾,张磊,舒新前,李钢,丁兆军. 吉林大学学报(工学版). 2008(02)
博士论文
[1]我国农业废弃物新型能源化开发利用研究[D]. 左旭.中国农业科学院 2015
本文编号：3107205
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