几种典型农作物生物质的热解及动力学特性

利用热重法研究了4种典型的农作物生物质(稻壳、稻草、玉米芯、玉米杆)的热解与动力学特性,并和煤矸石、污泥进行了比较分析.结果表明,其热解过程可以分为3个阶段:预热干燥阶段、挥发分析出阶段和炭化阶段.热解失重主要发生在挥发分析出阶段.由于实验样品农作物生物质的高挥发分、低固定碳,其热解比较彻底,综合热解特性指数依次为稻壳<玉米杆<稻草<玉米芯;同时,在热解前期,挥发分剧烈析出,有明显的失重峰且活化能较低,热解后期失重峰不明显,活化能变高.而对于煤矸石,在热解初期,由于灰分在一定程度上阻碍了挥发分的扩散,使挥发分不易析出,并在热解后期存在二次反应.污泥的热解特性与生物质相似.4种物质除稻壳和玉米芯的热解第1阶段遵循相界面R2模型,其余各生物质和各阶段均遵循一级反应模型;而煤矸石在热解初始阶段服从三维球对称扩散机制,热解后期服从级数为3/2的热解反应,污泥服从简单反应级数机理.     

淮北矿区煤矸石、煤泥、中煤复配煤热解特性与动力学研究

文章通过热重分析对淮北矿区煤矸石、煤泥、中煤及其复配煤在高纯氮气条件下的热解过程进行了分析;研究不同配比对热解过程的影响,并利用Coats-Redfern积分法对热解过程进行了动力学分析。结果表明:单种煤热解过程的活化能越小,其反应活性越高;复配煤热解反应的活化能均小于单种煤活化能线性叠加的计算结果,证实其热解特性有所改善。     

褐煤直接热解特性及动力学行为的热分析研究

提出了一种不经预干燥的褐煤直接热解工艺,将褐煤的干燥与热解气化集成于同一个反应器中,利用自身干燥产生的水蒸气作为气化剂,提高其转化效率。采用热质量分析仪测定了海拉尔褐煤的热解特性,分析了其直接热解的可行性;考察了升温速率和含水率对直接热解行为的影响;通过动力学参数对直接热解行为进行定量分析。结果表明:海拉尔褐煤的直接热解可分为初始干燥阶段、干燥-热解阶段(活化能小于5 kJ/mol)、主要热解阶段(活化能为10~24 kJ/mol)和缩聚反应阶段(活化能为65~85 kJ/mol);提高升温速率促进了水分和挥发分的协同反应、挥发分析出和缩聚反应降低了活化能,固定碳剩余质量分数由23.34%减小至19.66%;在升温速率100℃/min条件下,随着试样含水率的增加,水分与固体的反应加强,活化能降低,热解固体干基产率由61.62%降低至59.23%,说明褐煤中水分对其热解有促进作用。     

水洗对准东煤煤质特性影响的实验研究

针对准东煤由于灰中Na含量过高,燃用中会出现严重的积灰问题,在对准东煤中碱金属赋存形态进行研究的基础上,着重研究了水洗温度和时间对准东煤Na脱除量及热解燃烧特性的影响。研究表明,3种典型的准东煤中Na主要以水溶形式存在,水洗可以有效脱除Na,且脱除量与水洗温度和时间密切相关。水洗后煤热解特性指数减小,20、40℃水洗使热解提前,焦炭产量增加,挥发分产量减少,而60℃水洗则相反。水洗使燃烧TG、DTG(热质量损失、热质量损失率)曲线向高温区偏移,燃尽温度和最大燃烧温度升高,最大燃烧速率减小,燃尽时间延长,燃烧特性变差。动力学分析表明,水洗使煤热解第一、三阶段表观活化能减小,第二阶段表观活化能增大,使燃烧表观活化能、指前因子和燃烧反应速率常数减小。Na对煤样热解燃烧存在催化作用,且存在最佳Na含量使催化作用最强。     

稻壳和稻草的热重-质谱分析及其反应动力学

采用热重-质谱(TG-MS)联用对比研究了氮气气氛中稻壳和稻草在升温速率分别为5,20℃/min时的热解行为,分析得到了稻壳和稻草热裂解过程产生的小分子气相产物(CO,CO_2,CH_4,H_2)随温度和升温速率变化的释放规律.结果表明:稻壳和稻草的热解过程可分为脱水干燥预热解阶段、挥发分析出快速热解阶段和残余物裂解炭化阶段;稻草热解总失重率约为75%,稻壳约为55%,而且稻草的热解特性指数高于稻壳;稻草热解释放生物质燃气主要成分(CO,CH_4,H_2)的离子流强度明显高于稻壳;用Coats-Redfern法计算生物质的热解动力学参数,表观活化能和挥发分初始析出温度均是稻草稻壳,这与实验结果吻合,表明相同条件下稻草的热解性能优于稻壳.     

生物质燃烧特性与动力学分析

为丰富农林业生物质利用方式,通过热重分析法研究生物质在不同条件下的燃烧特性及其动力学特性。研究表明,不同生物质燃烧特性明显不同。稻壳经不同温度水洗后综合燃烧特性指数增加,最大燃烧速率提高6.0~7.6 %/min,燃烧活化能高于原样,且在一定范围内水洗温度越高,焦炭燃烧阶段活化能越小;提高升温速率,生物质的着火温度、燃尽温度、残余率、最大燃烧速率及综合燃烧特性指数提高;生物质的燃烧反应遵循一级反应动力学模型,相关系数达0.955以上,挥发分析出燃烧阶段活化能均大于焦炭燃烧阶段。该实验结果可为生物质在火力发电行业应用提供参考。     

不同煤阶煤热解气化特性及机理研究

为探究煤阶形态差异对煤质分级利用的影响,采用热重-质谱联用仪对京隆褐煤、准东煤和阳泉无烟煤进行热解和气化实验,并采用扫描电镜、拉曼光谱仪探究煤焦微观形貌变化.研究结果表明,煤热解可分为3个阶段:水分析出和吸附气体释放、大量挥发分析出、二次脱气;随着煤化程度的升高,热解过程逸出H2、CH4等气体的释放峰向高温处移动,且热稳定性阳泉无烟煤＞准东煤＞京隆褐煤.对煤焦的气化活性评价表明,气化活性随反应温度的增大而升高;且随着煤化程度的增加,煤焦表面杂乱程度降低以及不定型结构和含氧宫能团数量减少,这些表面微观结构的变化导致了高阶焦炭反应活性的降低.此外,本文还探索了煤热解和气化反应机理.     

几种典型工业污泥及混合物热解特性影响因素

利用热重法,研究了3种典型工业污泥(制药,造纸、啤酒)及其混合物在不同影响因素下:热解温度、样品粒度、升温速率、热解压力、添加含金属元素化合物时的热解特性,研究得到热解机理方程式和反应动力学参数。结果表明,热解温度与压力、升温速率、样品粒度和升温速率污泥热解特性有重要影响,特别是添加了含金属元素化合物后,促进污泥热解有明显作用;3种典型工业污泥在低、中、高温段热解反应级数n分别为1,1.5,2.0,其热解特性参数并没有因为工业污泥试样的混合而显著改变;工业污泥热解特性表现出与煤矸石料相同特性,热解初期活化能和频率因子较低,随着热解温度升高,活化能和频率因子均增大,特别是在热解后期,活化能和频率因子都较高。     

福城煤的热解动力学研究

通过热重分析法对福城煤的热失重行为进行研究,并用Coats-Redfern法计算和比较不同升温速率下煤的热解反应活化能、指前因子.结果表明,升温速率对样品最终失重量没有明显影响;最大失重速率峰随升温速率升高向高温偏移;较低升温速率下热解反应受煤的结焦影响较大.福城煤热解可由3个独立的一级反应来表示;随着升温速率的增加,中间阶段活化能降低而第三阶段活化能增加,活化能与指前因子间存在动力学补偿效应.     

天然矿物添加剂对高炉喷吹煤粉燃烧特性的影响

利用热分析法研究了大贵白云石、荣富镁石、东燃镁石、里领石灰石和方解石五种天然矿物添加剂对无烟煤燃烧过程的影响.考察了着火温度、最大燃烧速率、挥发分释放特性指数和燃尽特征指数等燃烧特征参数,求出了反应动力学参数活化能Ea和指前因子A.实验结果表明:大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石能够显著促进煤粉的燃烧过程,降低着火温度,增大煤粉的挥发分释放特征指数D和煤粉的燃尽特性指数Cb,使最大燃烧速率前移至挥发分着火燃烧阶段;里领石灰石和方解石则相反.同时,动力学计算表明:大贵白云石、荣富镁石和东燃镁石使煤粉的活化能分别降低10.4%、14.5%和10.7%,对煤粉燃烧有助燃作用;里领石灰石和方解石使煤粉的活化能分别提高2.0%和4.3%,对煤粉燃烧没有助燃作用.     

典型陕北长焰煤热解行为及其动力学实验研究

利用热重分析(TGA)技术研究了升温速率对典型陕北长焰煤热解行为的影响,并用总包反应模型和分布活化能模型(DAEM)对其进行了动力学分析,比较了两种模型对3种典型陕北长焰煤热解的适应性.TGA结果表明典型陕北长焰煤热解分为3个阶段,增加升温速率使活泼热分解阶段和二次脱气阶段最大失重峰对应的热解温度向高温区移动,热解转化率降低.动力学分析表明:总包反应模型由于其假设只能得到某一温度范围内活化能和指前因子的平均值,且数值较低.DAEM可得到热解活化能的分布区间32～446kJ.mol-1,3种长焰煤热解表现出不同的活化能分布趋势.DAEM可较好描述黄土庙(HTM)煤样热解的全过程,活化能主要分布于181～425kJ.mol-1,出现两个峰值,对应的活化能分别为419kJ.mol-1和425kJ.mol-1.DAEM可描述府谷(FG)和张明沟(ZMG)煤样失重率在10%～55%的热解行为,活化能和频率因子随转化率的增加而升高.DAEM能描述非等温热解从低温到高温的过程,真实反映不同煤样热解过程的差异性、复杂性、连续性.     

木质素热解的TG-FTIR实验研究

利用热重红外分析仪(TG-FTIR)对木质素进行热重分析及主要气相产物分析,并探讨了升温速率和碱金属盐对木质素热解过程的影响规律。结果表明：随着升温速率的增加,挥发分析出阶段DTG曲线的峰型变宽,热解起始温度、最大失重峰温均向高温侧移动,且较高的升温速率不利于气相产物的析出。添加碳酸钠、碳酸钙和碳酸钾对木质素热解主反应区反应速率的影响较小,相比碱金属盐的加入量而言最终热解固体产物略有增加,同时碱金属盐的添加对气相产物的析出有明显抑制作用。与其它两种碱金属盐相比,碳酸钙的加入对600~700℃温度区间内木质素热解产生的CO和CO₂产量有一定的促进作用。     

中国典型动力煤种热解动力学分析

采用热重分析方法对中国典型动力煤种的热解动力学特性进行了研究,探讨了各煤种热解活化能及热解特征温度变化情况,并对结果进行了分析,得到煤样热解总失重率基本随煤化度的提高而减少,热解特征温度基本随煤化度的提高而增大。对于中等变质程度煤,因其结构中芳烃烷基侧链含量丰富,桥键多的缘故,这些煤样DTG曲线具有最大失重峰。在煤样主反应阶段中等煤有较高的活化能,低和高变质煤的活化能低。     

木质素热解的热重红外分析仪实验研究

利用热重红外分析仪(TG-FTIR)对木质素进行热重分析及主要气相产物分析;并探讨了升温速率和碱金属盐对木质素热解过程的影响规律。结果表明:随着升温速率的增加,挥发分析出阶段DTG曲线的峰型变宽,热解起始温度、最大失重峰温均向高温侧移动;且较高的升温速率不利于气相产物的析出。添加碳酸钠、碳酸钙和碳酸钾对木质素热解主反应区反应速率的影响较小,相比碱金属盐的加入量而言,最终热解固体产物略有增加;同时碱金属盐的添加对气相产物的析出有明显抑制作用。与其他两种碱金属盐相比,碳酸钙的加入对600~700℃温度区间内木质素热解产生的CO和CO_2产量有一定的促进作用。     

酚系树脂的热稳定性

本文介绍在5,10,12℃/分的升温速度下,在氮气氛中,对用焦化粗酚与甲醛合成的粗酚醛树脂及苯酚醛树脂所进行的热失重及热分解试验。结果表明,由于粗酚醛树脂中引入较多的羟基,使热分解开始温度及最大气体析出温度都比苯酚醛树脂低,且析出的气体量较多;随着升温速度的增加,最大气体析出温度提高。文中根据两种树脂的热失重曲线,作出了它们的热解反应级数及热解时的活化能。     

软质聚氨酯泡沫阴燃前热解特性及动力学分析

采用差示扫描量热-热重分析(DSC-TGA)同步热分析仪和中温差热分析仪(DTA)对软质聚氨酯泡沫(FPUF)在不同O2浓度下的热解特性、热解动力学及其对阴燃的影响进行研究。结果表明:聚氨酯泡沫热解主要分为2个阶段。第一阶段主要是FPUF分解产生异氰酸酯和多元醇,第二阶段主要为多元醇的分解。当O2体积分数从0增加到50%时,第一阶段热解起始温度和活化能变化很小,第二阶段最大质量分数损失速率对应温度从385℃降低到300℃,活化能从170 kJ/mo1降低到80 kJ/mo1。聚氨酯热解过程中不同类型反应的活化能大小顺序为:多元醇热解活化能聚氨酯热解活化能多元醇氧化活化能。多元醇氧化反应产生的热量是聚氨酯泡沫阴燃时的主要热量来源。因此,O2浓度增加通过加快热解速率、降低反应所需温度和增加放热量来促进阴燃的建立和传播。     

生物质热解挥发特性的实验研究

为了研究闪速加热条件下的生物质热解挥发特性,在以等离子体为主加热源的层流炉实验台上进行了玉米秸粉的快速热解实验,通过改变反应温度(800～950K)和反应时间(0.108～0.224s),得到不同条件下生物质的挥发百分比。根据挥发百分比求出频率因子A和活化能E,建立了玉米秸粉的挥发特性方程。     

不同气氛下氟醚橡胶热分解动力学的对比研究

利用热失重分析方法(TGA),研究了氟醚橡胶生胶在空气和氮气中的热分解规律,并探讨了五种升温速率下的热分解动力学.应用Flynn-Wall-Ozawa法计算获得了其热解过程的动力学参数,并利用Popescu法推断得到了热解过程的反应机理函数.研究结果表明:氟醚橡胶生胶只呈现出一个主要的热失重峰;升温速率越大,热分解温度越高;氮气中更稳定且氧气对其热分解有一定的促进作用;空气中的热分解活化能平均值为172.5kJ/mol,氮气中的为260.9kJ/mol;两种气氛下,热解过程均不能由单一的机理函数来描述;空气中,340℃~370℃阶段机理符合相边界反应,球形对称,370℃~380℃阶段机理函数符合Ginstling-Brounshtein(G-B)方程,380℃~400℃阶段符合Zhuralev(Zh)方程;氮气中,400℃~430℃阶段机理函数符合Ginstling-Brounshtein(G-B)方程,430℃~460℃阶段机理符合相边界反应,球形对称.     

O2含量对半焦燃烧动力学影响的热重研究

为了更进一步地清楚阐述半焦的燃烧过程,采用非等温热重法研究氧气体积分数对半焦燃烧动力学的影响。将半焦燃烧过程的第2次失重分为半焦热解脱挥发分(阶段1)、挥发分燃烧(阶段2)、挥发分燃烧且碳燃烧(阶段3)、碳单独燃烧(阶段4)4个阶段,采用Coats-Redfern法选取一级反应模型计算各个阶段的动力学参数。结果表明:24%φ(O_2)~30%φ(O_2)条件下,阶段3所需的表观活化能最小。24%φ(O_2)、26%φ(O2)、30%φ(O_2)条件下阶段4所需的表观活化能最大;28%φ(O_2)阶段2所需的表观活化能最大。     

稀酸水解木素的热失重特性及其动力学分析

采用热重分析的方法研究了稀酸水解木素在不同升温速率时的热解特性及升温速率对热解反应的影响,并根据微分热重曲线,建立了动力学模型,计算了热解反应的动力学参数.结果表明:200～450℃温度区间是水解木素热解的主要阶段;随着升温速率的增大,热重曲线向高温区移动,升温速率为10、20和30℃/min时,失重速率分别在311.9、323.8和338.1℃左右出现最大值,且微分热重曲线均只出现一个较大的失重峰.根据Coats-Redfern法,稀酸水解木素在不同升温速率下的热解可用两个一级反应表示,随着升温速率的提高,活化能有所降低,低温区稀酸水解木素的活化能在18.27～18.47kJ/mol之间,高温区的在74.45～84.37kJ/mol之间.