幾種森林可燃物熱解特性及動力學分析

餘子倩 

東北林業大學工程技術學院黑龍江哈爾濱150040

      選取水曲柳樹枝水曲柳樹葉及草本植物福王草采用熱重分析法探究可燃物升溫速率粒徑氣氛對熱解特性的影響采用Coats - Redfern積分法選取最佳機理函數建立動力學模型獲得活化能和指前因子結果表明三者熱解過程主峰溫度約220400可燃物升溫速率和氣氛對熱解過程有一定影響粒徑影響較小氮氣氣氛下Valensi方程為最佳機理函數熱穩定性排序為水曲柳樹葉水曲柳樹枝草本植物福王草

關鍵詞森林可燃物熱重分析動力學

中圖分類號X913.4, TK121, TQ351.2  文獻標誌碼A 

文章編號1009-0029(2017)01-0020-04

森林防火是我國減災工程的重要構成部分即運用科學技術的手段嚴格控製預防發生蔓延和撲救過程最大限度地降低火災對人類和自然的損失目前相關研究主要集中於生物質熱解內部能源利用方麵如纖維素半纖維素和木質素的熱重研究生物質熱解為影響森林火災發生和蔓延的重要因素筆者選取我國東北林區常見的森林可燃物———水曲柳樹枝水曲柳樹葉及草本植物福王草采用熱重分析法顯示熱解過程和體係失重情況通過Origin軟件和Coats -Redfern積分方程獲得表征生物質熱解趨勢的動力學特性的活化能E指前因子A和機理函數為生物質特性研究及森林火災防治救援提供依據

1 試樣采集與試驗設計

試驗選用Q600型熱重分析儀SDT),自東北林業大學試驗林場一次性采集水曲柳的樹枝樹葉以及草本植物福王草等全部所需試樣經過一段時間試樣完全幹燥後采用CX-200型高速多功能粉碎機將試樣粉碎通過406080目篩子分別篩取粒徑大於0.450.300.20mm的試樣通過控製熱天平溫度連續記錄獲得物質質量與溫度關係的熱重曲線TG曲線和質量隨溫度或時間的變化率與溫度或時間關係的微分熱重曲線即DTG曲線為研究可燃物熱解特性將待測試驗在100 mLmin的氮氣氣氛下20min的升溫速率對質量約210 mg粒徑大於0.30 mm的水曲柳樹枝水曲柳樹葉及草本植物福王草進行熱解直至800重複試驗以排除係統誤差

2 試驗結果與分析

21 熱解特性分析

3種可燃物的熱解曲線如圖1所示TG曲線看3種可燃物熱解曲線趨勢基本一致僅各階段初始和結束溫度略有不同當溫度TT第一個峰頂溫度時為失水階段三者的曲線基本重合當溫度T臨界溫度TT臨界溫度3種試樣均表現出不同程度的輕微失重DTG曲線看溫度在T臨界溫度TT臨界溫度時為急劇失重階段3種可燃物達到峰值溫度T第二個峰頂溫度草本植物福王草的峰值麵積即參與熱解的質量變化最大失重速率約為9.001min3種可燃物的燃燒速度燃燒性能為草本植物福王草水曲柳樹枝水曲柳樹葉當溫度TT時為炭化階段3種試樣質量變化趨於平緩熱解後坩堝內殘留少量炭化物

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2. 2 升溫速率對熱解影響分析

不同升溫速率下水曲柳樹葉的TGDTG曲線如圖2所示TG曲線可以看出不同升溫速率下水曲柳樹葉熱解過程仍分為失水輕微失重急劇失重和炭化4個階段隨著升溫速率升高水曲柳樹葉TG曲線呈逐漸波動狀態DTG曲線可以看出升溫速率升高使試樣外部內部存在溫度梯度導致反應滯後即在較高升溫速率下水曲柳樹葉需要更高的溫度才能達到與低升溫速率下相同的失重比例因此隨著升溫速率升高DTG 曲線失重過程朝高溫方向偏移失重速率峰值和臨界溫度也隨之增高

2 . 3 粒徑對熱解影響分析                                                                                                                                                                              

不同粒徑水曲柳樹葉的TGDTG曲線升溫速率20min),如圖3所示水曲柳樹葉在不同粒徑下熱TGDTG曲線基本一致隨著水曲柳樹葉粒徑的增大DTG曲線的主峰麵積略變寬質量損失區間略向高溫方向移動熱失重率略微減小反應後固體殘留物略多一些即粒徑對熱解的影響很小

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24 氣氛對熱解影響分析

升溫速率為20min不同氣氛下草本植物福王草的TGDTG曲線如圖4所示TG曲線看在失水輕微失重階段草本植物福王草在空氣和氮氣氣氛下的曲線趨勢基本一致影響主要體現在急劇失重階段DTG曲線看當溫度TTT草本植物福王草在空氣氣氛下主峰麵積變高熱解區間變大草本植物福王草的在空氣氣氛下進入劇烈失重階段明顯快於氮氣氣氛且失重速率較氮氣氣氛更快失重率更大溫度TT熱解過程基本結束產物成分較穩定失重速率較小試樣失重率較少熱效應不明顯

3 動力學分析 

31 熱解動力學模型

根據Coats -Redfern積分方程如式1所示),采用表1所示的4種常見函數利用Origin 8.0對熱解曲線上主峰區間作線性回歸分析取標準差

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