幾種森林可燃物熱解特性及動(dòng)力學(xué)分析
幾種森林可燃物熱解特性及動(dòng)力學(xué)分析
余子倩，辛 穎
（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）
摘 要：選取水曲柳樹(shù)枝、水曲柳樹(shù)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(duì)熱解特性的影響。采用Coats - Redfern積分法選取最佳機(jī)理函數(shù)建立動(dòng)力學(xué)模型，獲得活化能和指前因子。結(jié)果表明：三者熱解過(guò)程主峰溫度約220～400℃。可燃物、升溫速率和氣氛對(duì)熱解過(guò)程有一定影響，粒徑影響較小。氮?dú)鈿夥障?/span>Valensi方程為最佳機(jī)理函數(shù)。熱穩(wěn)定性排序?yàn)?/span>：水曲柳樹(shù)葉＞水曲柳樹(shù)枝＞草本植物福王草。
關(guān)鍵詞：森林可燃物；熱重分析；動(dòng)力學(xué)
中圖分類(lèi)號(hào)：X913.4, TK121, TQ351.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號(hào)：1009-0029(2017)01-0020-04
森林防火是我國(guó)減災(zāi)工程的重要構(gòu)成部分，即運(yùn)用科學(xué)技術(shù)的手段嚴(yán)格控制預(yù)防、發(fā)生、蔓延和撲救過(guò)程，最大限度地降低火災(zāi)對(duì)人類(lèi)和自然的損失。目前相關(guān)研究主要集中于生物質(zhì)熱解內(nèi)部能源利用方面，如纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的熱重研究。生物質(zhì)熱解為影響森林火災(zāi)發(fā)生和蔓延的重要因素，筆者選取我國(guó)東北林區(qū)常見(jiàn)的森林可燃物———水曲柳樹(shù)枝、水曲柳樹(shù)葉及草本植物福王草，采用熱重分析法顯示熱解過(guò)程和體系失重情況。通過(guò)Origin軟件和Coats -Redfern積分方程獲得表征生物質(zhì)熱解趨勢(shì)的動(dòng)力學(xué)特性的活化能E、指前因子A和機(jī)理函數(shù)，為生物質(zhì)特性研究及森林火災(zāi)防治救援提供依據(jù)。
1 試樣采集與試驗(yàn)設(shè)計(jì)
試驗(yàn)選用Q600型熱重分析儀（SDT），自東北林業(yè)大學(xué)試驗(yàn)林場(chǎng)一次性采集水曲柳的樹(shù)枝、樹(shù)葉以及草本植物福王草等全部所需試樣。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，試樣完全干燥后，采用CX-200型高速多功能粉碎機(jī)將試樣粉碎，通過(guò)40、60、80目篩子分別篩取粒徑大于0.45、0.30、0.20ｍｍ的試樣。通過(guò)控制熱天平溫度，連續(xù)記錄獲得物質(zhì)質(zhì)量與溫度關(guān)系的熱重曲線，即TG曲線和質(zhì)量隨溫度或時(shí)間的變化率與溫度或時(shí)間關(guān)系的微分熱重曲線即DTG曲線。為研究可燃物熱解特性，將待測(cè)試驗(yàn)在100 mL／min的氮?dú)鈿夥障?/span>，以20℃／min的升溫速率，對(duì)質(zhì)量約2～10 mg，粒徑大于0.30 mm的水曲柳樹(shù)枝、水曲柳樹(shù)葉及草本植物福王草進(jìn)行熱解，直至800℃。重復(fù)試驗(yàn)以排除系統(tǒng)誤差。
2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
2．1 熱解特性分析
3種可燃物的熱解曲線，如圖1所示。從TG曲線看，3種可燃物熱解曲線趨勢(shì)基本一致，僅各階段初始和結(jié)束溫度略有不同，當(dāng)溫度T＜T１（第一個(gè)峰頂溫度）時(shí)為失水階段，三者的曲線基本重合；當(dāng)溫度T２（臨界溫度）＜T＜T３（臨界溫度）時(shí)，3種試樣均表現(xiàn)出不同程度的輕微失重。從DTG曲線看，溫度在T３（臨界溫度）＜T＜T５（臨界溫度）時(shí)為急劇失重階段，當(dāng)3種可燃物達(dá)到峰值溫度T４（第二個(gè)峰頂溫度）時(shí)，草本植物福王草的峰值面積即參與熱解的質(zhì)量變化最大，失重速率約為9.001％／min。3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(shù)枝＞水曲柳樹(shù)葉；當(dāng)溫度T＞T５時(shí)為炭化階段，3種試樣質(zhì)量變化趨于平緩，熱解后坩堝內(nèi)殘留少量炭化物。
2. 2 升溫速率對(duì)熱解影響分析
不同升溫速率下水曲柳樹(shù)葉的TG－DTG曲線，如圖2所示。從TG曲線可以看出，不同升溫速率下水曲柳樹(shù)葉熱解過(guò)程仍分為失水、輕微失重、急劇失重和炭化4個(gè)階段，隨著升溫速率升高，水曲柳樹(shù)葉TG曲線呈逐漸波動(dòng)狀態(tài)。從DTG曲線可以看出，升溫速率升高使試樣外部、內(nèi)部存在溫度梯度導(dǎo)致反應(yīng)滯后，即在較高升溫速率下，水曲柳樹(shù)葉需要更高的溫度才能達(dá)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(guò)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(duì)熱解影響分析
不同粒徑水曲柳樹(shù)葉的TG－DTG曲線（升溫速率20℃／min），如圖3所示。水曲柳樹(shù)葉在不同粒徑下熱解TG－DTG曲線基本一致。隨著水曲柳樹(shù)葉粒徑的增大，DTG曲線的主峰面積略變寬，質(zhì)量損失區(qū)間略向高溫方向移動(dòng)，熱失重率略微減小，反應(yīng)后固體殘留物略多一些，即粒徑對(duì)熱解的影響很小。
2．4 氣氛對(duì)熱解影響分析
升溫速率為20℃／min時(shí)，不同氣氛下草本植物福王草的TG－DTG曲線，如圖4所示。從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?dú)鈿夥障碌那€趨勢(shì)基本一致，影響主要體現(xiàn)在急劇失重階段。從DTG曲線看，當(dāng)溫度T３＜T＜T５時(shí)，草本植物福王草在空氣氣氛下主峰面積變高、熱解區(qū)間變大。草本植物福王草的在空氣氣氛下進(jìn)入劇烈失重階段明顯快于氮?dú)鈿夥?/span>，且失重速率較氮?dú)鈿夥崭?/span>、失重率更大；溫度T＞T５時(shí)，熱解過(guò)程基本結(jié)束，產(chǎn)物成分較穩(wěn)定，失重速率較小，試樣失重率較少，熱效應(yīng)不明顯。
3 動(dòng)力學(xué)分析
3．1 熱解動(dòng)力學(xué)模型
根據(jù)Coats -Redfern積分方程（如式（1）所示），采用表1所示的4種常見(jiàn)函數(shù)，利用Origin 8.0對(duì)熱解曲線上主峰區(qū)間作線性回歸分析，取標(biāo)準(zhǔn)差
