摘要：
通過熱重分析方法研究了不同種類的生物質在不同燃燒條件下的燃燒過程及其動力學特性。在升溫速率分別為20、30和40℃／min，加熱終溫900℃的條件下，得到了不同種類的生物質燃燒的TG、DSC曲線，研究了加熱速率和含氧量對燃燒過程的影響，建立了生物質燃燒的反應動力學方程，由Coats-Redfern積分法得到了生物質燃燒動力學參數，分析了不同試樣的活化能和頻率因子。
隨著化石能源日趨減少和人類大量使用礦物燃料帶來的環境問題日益嚴重，特別是近幾年石油和煤炭價格直線上升，迫使各國政府開始關心、重視替代能源生物質能源的開發利用。我國生物質資源豐富，僅農作物秸桿年產量就達6億t以上，并且生物質是一種可再生能源，資源豐富，品種多樣。生物質能最常用的利用方式還是直接燃燒，而大規模的集中燃燒包括用于工業爐燃燒和與煤炭混燒。
因非等溫熱重試驗可以消除樣品間的誤差，所以文章對不同種類的生物質在氮氣與氧氣混合氣氛中進行了不同升溫速率下的非等溫熱重試驗。并采用Coats-Redfern法得到了反映各種生物質燃燒特性的動力學參數，為設計和開發燃燒不同種類的生物鍋爐提供理論支持。
1.實驗
試驗采用的生物質分別為加工過的鋸末顆粒、刨花顆粒、稻殼顆粒和秸稈顆粒以及未加工的鋸末和稻殼，在進行試驗之前將樣品磨細并混合均勻。試樣粒徑小于100目，每次稱取試樣15±0.5mg。生物質工業分析見表1。
生物質的熱重分析采用的儀器是由德國耐馳公司生產的409PC熱重分析儀。儀器測定的溫度范圍：20～1550℃，加熱速率范圍：0.1～50K／min。試樣的起始溫度為35℃，終止溫度為900％，升溫速度為20、30和40℃／min，載氣為氮氣與氧氣混合氣體，氧氣含量為15％、20％和33％。
2.結果與分析
2.1實驗結果
生物質成型顆粒燃料具有高的含氧量和高的有機揮發分，將在燃燒階段產生大量的揮發物氣體。既發生在燃料加熱熱解過程釋放的揮發分氣相燃燒，同時在焦炭氧化過程發生固體多相燃燒。揮發分的燃燒非常迅速，幾乎同揮發分析出速度一樣，而焦炭的氧化則要慢得多。生物質燃燒可分為3個階段，第1個階段為脫水階段，第2個階段為揮發分析出燃燒階段，第3個階段為焦炭燃燒階段。
2.1.1生物質顆粒在不同升溫速度下的燃燒特性
助燃氣體為含氧量為20％的氧氣與氮氣混合氣體，由生物質顆粒在不同升溫速度的條件下燃燒的TG和DSC曲線可知，升溫速度對生物質顆粒燃燒有較大的影響。隨著升溫速度不斷增加，不同種類的生物質顆粒的燃盡溫度都有所增加。生物質顆粒的燃燒最終殘余物質量也隨著升溫速度不斷提高開始增加，但是增加的幅度不是很明顯，其中當升溫速度設置為20℃·min-1時，生物質顆粒的燃燒最終殘余物質量最大。升溫速度的提高使生物質的失重速率也隨之提高。升溫速度為30℃·min-1時的失重速率遠遠大于其他2種升溫速度，TG曲線也比其他2種更為光滑。
升溫速度對于生物質顆粒的DSC曲線也有明顯的影響。在采取較低的升溫速度時，不同種類的生物質燃燒都呈現出2個明顯的放熱峰。隨著升溫速度的不斷提高，原本2個較為明顯放熱波峰開始相互重疊。第一個放熱波峰出現時的溫度開始增加。其中鋸末顆粒，在升溫速度為20℃·min-1時，2個明顯的放熱波峰已經變為1個放熱峰。其他3種的生物質顆粒的DSC曲線在升溫速度為30℃·min-1時，2個放熱波峰已經不是很明顯了，其中秸稈顆粒的DSC曲線的放熱波峰幾乎變為1個。
2.1.2生物質顆粒在不同氧含量中的燃燒特性
由升溫速度為20℃·min-1，不同種類的生物質顆粒在含氧量分別為15％、20％、33％時燃燒的TG和DSC曲線可以，不同的含氧量對生物質顆粒燃燒的TG和DSC曲線較為明顯的影響。
助燃氣體中的含氧量不斷增加，使不同種類的生物質顆粒的燃盡溫度都有所降低。而對于不同種類的生物質顆粒的燃燒最終殘余物質量的影響則不盡相同。含氧量的變化對于鋸末顆粒和稻殼顆粒最終殘余物質量影響較小，這兩種生物質顆粒的最終殘余物質量基本保持不變。而對于刨花顆粒，燃燒在含氧量為20％時的最終殘余物質量最大。秸稈顆粒隨著含氧量的不斷提高，最終殘余物質量也不斷增大，在含氧量為33％時達到最大。
含氧量的不同對于失重速率的影響也有所不同，鋸末顆粒、刨花顆粒和
稻殼顆粒燃料隨著含氧量的增加，失重速率也不斷加大。其中，刨花顆粒和稻殼顆粒的失重速率在含氧量為15％和20％時變化不大。但是當含氧量提高為33％時，這兩種生物質顆粒的失重速率明顯變大。含氧量的提高對秸稈顆粒的失重速率的影響則較小，秸稈顆粒的失重速率基本保持不變。
含氧量對于生物質顆粒的DSC曲線有明顯的影響。助燃其他的含氧量不斷增加，不同種類的生物質顆粒的放熱峰值也隨之不斷提高，當含氧量為33％時，生物質顆粒燃燒的放熱峰值達到最大。而放熱峰值達到最大時的溫度也隨含氧量的增加逐漸降低，在含氧量為33％時，溫度最低。
含氧量的不同，對于不同種類的生物質顆粒的DSC曲線的波峰的影響也不相同。含氧量的變化對鋸末顆粒的DSC曲線的波峰影響較小，鋸末顆粒的DSC曲線始終呈現1個放熱波峰。刨花顆粒在含氧量較低時，DSC曲線呈現出2個明顯的放熱波峰。而在含氧量為33％時，則只有1個放熱波峰。稻殼顆粒的DSC曲線的放熱波隨著含氧量增大，開始變陡，放熱速率逐漸增大。隨著含氧量的增加秸稈顆粒的DSC曲線的放熱波峰，逐漸明顯起來。而它的放熱峰值在含氧量為33％，達到最大。
2.1.3經過加工的生物質顆粒與未加工過的生物質的燃燒特性比較
燃燒環境：升溫速度為20℃·min-1，助燃氣體的含氧量為20％。由不同加工工藝的生物質燃燒的TG和DSC瞌線可以，生物質是否經過加工處理，其燃燒的特性曲線有明顯的區別。鋸末經過加工成型處理之后，TG曲線較比未經過加工處理的更為光滑。鋸末的DSC曲線也有明顯變化。未經過加工處理的鋸末的DSC曲線呈現2個明顯的放熱波峰，而經過加工成型處理之后，鋸末DSC曲線則有1個明顯的放熱波峰。
經過加工成型處理的稻殼和未加工的稻殼的TG曲線有較明顯區別。經過加工后的稻殼的燃燒最終殘余物質量，要遠遠小于未加工的稻殼，而且經過加工的鋸末的燃盡溫度也要比未加工的鋸末有所提高。稻殼的DSC曲線區別也比較明顯。未經過加工處理的鋸末的DSC曲線呈現2個明顯的放熱波峰，第1個放熱波峰和第2個放熱波峰差別較大。而經過加工成型處理之后，鋸末DSC曲線有2個相差不大的放熱波峰。
2.2生物質的動力學特性參數
2.2.1生物質燃燒動力學模型
生物質顆粒燃料燃燒動力學模型的動力學參數是隨試驗條件改變的，這就要對每一個熱重試驗先做出燃燒動力學試驗曲線，以求得E、A值，來求出燃燒動力學模型。熱分析動力學研究大都基于這樣一個最基本假設：
2.2.2燃燒動力學參數求解
實驗所得不同種類的生物質顆粒在不同的燃燒狀態的燃燒動力學常數見表2。
3.結論
(1)不同升溫速度對生物質的燃盡溫度和最終殘余物質量有影響，升溫速度越快，燃盡溫度越高，最終殘余物質量也越大。
(2)生物質在燃燒過程中一般有2個反應階段。第1個階段是揮發分的燃燒。第2個是焦炭的氧化。但是升溫速度的提高和含氧量的提高，可以這兩個階段也不斷相互重疊，二者的區別不斷減。
(3)助燃氣體中的含氧量對生物質的燃盡溫度有一定影響，但是對于最終殘余物質量的影響，不同種類的生物質試樣不盡相同。
