不同树龄竹柳的燃烧特性比较研究

梁广元， 张 芊， 孙 毅， 李文珠， 张文标

(浙江农林大学工程学院， 浙江 临安 311300)

不同树龄竹柳的燃烧特性比较研究

梁广元， 张 芊， 孙 毅， 李文珠， 张文标

(浙江农林大学工程学院， 浙江 临安 311300)

为开发竹柳的固体能源利用价值，采用一体化程控高温炉(SXC-1.5-10C)对不同树龄竹柳进行工业分析，利用综合热分析仪对不同树龄竹柳进行燃烧特性研究。结果表明： (1)不同树龄的竹柳，随着树龄的增大，其灰分含量和固定碳含量降低，挥发分含量增高，燃烧发热量降低； (2)不同树龄竹柳热重曲线变化趋势大致相同,均分为脱水阶段、挥发分释放与燃烧阶段和固定碳燃烧与燃尽阶段； (3)4年生竹柳着火温度和燃尽温度最低，分别为280.2 ℃和567.7 ℃，可燃特性指数和综合燃烧特性指数最大，分别为5.2×10-4℃-2·min-1和33.6×10-7℃-3·min-2，燃烧性能最好。

竹柳； 树龄； 工业分析； 燃烧特性

竹柳(Salixdiscolor)是杨柳科(Salicaceae)柳属(Salix)的一个新速生树种，在中国的南方与北方皆可种植[1]，其繁殖速度快，造林成活率高[2]。竹柳用途广泛，可作造纸原料，制造人造板[3]，同时竹柳具有热值高、硫和灰分含量低等特点[4]，是一种理想的能源材料。

马楠等[5]对竹柳进行发热量测定、工业分析及同步热分析，得出竹柳可作为工业化可再生替代能源。但是，目前对不同树龄竹柳燃烧特性的研究在国内外文献中未见报道。

本研究以不同树龄竹柳为研究对象，通过测定不同树龄竹柳的灰分、挥发分、固定碳、发热量以及同步热分析方法来研究竹柳的燃烧特性，目的是获得不同树龄竹柳的燃烧性能，为竹柳的能源化利用开发提供基础数据。

1 材料与方法

1.1材料和仪器

1.1.1 材料 试验材料为2年生、3年生、4年生竹柳，取自浙江省龙游县上杨村，直径分别为5 cm、8 cm和10 cm。材料均经过去皮、粉碎、筛选、干燥备用。烟煤作为对照样。

1.1.2 仪器 ZDHW-5型微机全自动量热仪，鹤壁市科达仪器仪表有限公司；DHG-9023A电热恒温鼓风干燥箱，杭州蓝天化学试验厂；AB204-N电子天平，上海光正医疗器械有限公司；STA 409C综合热分析仪，德国NETZSCH；SXC-1.5-10C一体化程控高温炉，杭州蓝天仪器有限公司。

1.2试验方法

1.2.1 工业分析测定 工业分析包括灰分、挥发分和固定碳的测定，参照GB 212-91《煤的工业分析方法》进行，分别测3次取平均值。

1.2.2 发热量的测定 参照GB/T 213-2008《煤的发热量测定方法》，分别测3次取平均值。

1.2.3 综合热分析 采用同步热分析仪以混合空气为气氛，从40 ℃开始升至800 ℃，升温速率为20 ℃/min，空气流量为50 mL/min，进行燃烧实验，测试试样燃烧过程中的重量变化(TG)曲线、重量变化速率(DTG)和热量变化情况(DSC)。

1.2.4 燃烧特性指数 燃烧特性指数主要包括可燃特性指数Cr[6]、着火特性指数Ci[7]、综合燃烧特性指数S[8]。各指数计算公式分别如下：

(1)

式中：Wmax表示最大燃烧速率，%/min；

(2)

(3)

式中：Wmean表示平均燃烧速率,%/min。

1.2.5 燃烧动力学 本实验中竹柳的燃烧在非等温条件下进行，根据任宁等[9]给出的非等温下的动力学方程：

(4)

式中：α表示转化率，t表示时间，A为频率因子，β为升温速率，E为活化能，R为通用气体常数(8.31 J/mol)，T为温度。

燃烧反应的机理函数[10]为：

f(α)=(1-α)n

(5)

式中：n为反应级数。

结合TG曲线，根据下面公式求出α：

α=(W0-WT)/(W0-W∞)

(6)

式中：W0为样品的初始质量，WT为温度为T时的质量，W∞为反应完后的残余质量。

将式(4)和式(5)联立可得：

(7)

反应级数n取1，对式(7)积分[10-11]得：

(8)

一般情况下，2RT/E远远小于1，所以上式(8)可简化为：

(9)

2 结果与分析

2.1竹柳的工业分析

工业分析包括灰分、挥发分和固定碳等。对不同树龄竹柳的灰分、挥发分和固定碳的测试结果见表1。

表1 竹柳的工业分析和发热量Tab.1 IndustrialanalysisandcalorificcapacityofSalixdis-color试样工业分析灰分(%)挥发分(%)固定碳(%)低位发热量(MJ/kg)2年生竹柳0.7886.7812.4417.103年生竹柳0.5688.1111.3317.014年生竹柳0.5588.3411.1016.79烟煤27.8320.6251.5521.92

从表1可看出，三种树龄竹柳的灰分含量较低。不同树龄竹柳的灰分含量存在差异，2年生竹柳的灰分含量较3年生和4年生竹柳的灰分含量高，随着树龄的增加，灰分含量逐渐减少。三种树龄竹柳的挥发分含量在86.78%～88.34%范围内，随树龄的增加挥发分含量呈略增长趋势，所以4年生竹柳比3年生和2年生竹柳更加容易着火[5]。2年生竹柳的固定碳含量最高(12.44%)，随着树龄的增加，固定碳含量略递减。

发热量是评价燃料优劣的一个重要参数，与灰分、挥发分、固定碳等因素有关。龚露等[12]研究了无烟煤的固定碳含量与发热量之间的关系，得出两者之间呈正比线性关系。从表1可以看出，竹柳的固定碳含量与发热量大体上呈线性关系，随着固定碳含量的增高，发热量越来越大，与龚露等的研究相符。

2.2不同树龄竹柳的热重曲线分析

TG曲线是试验样品的重量随温度变化的曲线，DTG曲线则是TG曲线对温度求微分，反应试验样品在整个试验过程中失重速率的变化情况。DSC曲线是对整个燃烧过程的吸放热速率的反应。不同树龄竹柳燃烧的TG和DTG曲线见图1。不同树龄竹柳的DSC曲线见图2。

图1 竹柳燃烧的TG-DTG曲线Fig.2 TG-DTG curves of Salix discolor of different ages

图2 竹柳燃烧的DSC曲线Fig.2 DSC curves of Salix discolor of different ages

由图1和图2可以看出，三个树龄竹柳的热重曲线差异不大，且不同树龄竹柳的热重曲线变化趋势大致相同。由TG曲线可以看出，三个树龄竹柳的失重率均大于95%，分别为96.9%、98.7%和97.5%。竹柳的燃烧同其它生物质材料一样过程可分为三个阶段[13]，分别为脱水阶段、挥发分释放与燃烧阶段和固定碳燃烧及燃尽阶段，见表2。

表2 不同树龄竹柳燃烧阶段Tab.2 CombustionperiodsofSalixdiscolorofdifferentages试样脱水阶段(℃)挥发分释放与燃烧阶段(℃)固定碳燃烧及燃尽阶段(℃)2年生竹柳16.8～144.3144.3～384.3384.3～8003年生竹柳16.8～152.1152.1～392.1392.1～8004年生竹柳16.8～152.7152.7～392.7392.7～800

第一阶段(脱水阶段)：由表2可知，对于不同树龄的竹柳，2年生竹柳脱水阶段最先结束，结束温度为144.3 ℃，随树龄增加，脱水阶段持续时间增长。由图1可知，不同树龄竹柳在脱水阶段质量变化最少，重量变化分别为7.78%、8.46%和10.24%，随树龄增加脱水阶段质量变化增加。从图2可以看出，该阶段对应的DSC曲线的峰形向下，说明该阶段是吸热的。

第二阶段(挥发分释放与燃尽阶段)：由图1可知，该阶段失重率最高，是燃料燃烧阶段中失重最大的阶段，失重率分别为64.6%、60.92%和63.3%。由表2可知，2年生竹柳最先进入和结束挥发分释放与燃烧阶段，4年生竹柳最后进入和结束。结合图2可以看出，挥发分释放与燃尽阶段对应的DSC曲线的峰形向上，说明该阶段是放热反应。

从图1中的DTG曲线可以看出，挥发分释放与燃尽阶段仍然存在三个不同阶段[14]。首先失重速率平缓，然后失重速率开始增大直到最大，最后又减小。原因是，生物质主要是由3大组分组成，纤维素和半纤维素热解主要析出为挥发分，木质素热解主要生成碳[15]。半纤维素最容易热解，纤维素比较难热解，木质素最难热解[16]。半纤维素燃烧阶段失重速率逐渐增大直到最大，然后为纤维素燃烧阶段，失重速率逐渐减小，直到该阶段结束。2年生、3年生和4年生竹柳半纤维素燃烧阶段分别为244.6～324.3 ℃、267.1～329.6 ℃和247.7～332.7 ℃，纤维素燃烧阶段分别为324.3～38.3 ℃、329.6～392.1 ℃和332.7～392.7 ℃。挥发分释放与燃尽阶段2年生、3年生和4年生竹柳的失重率分别为72.5%、69.5%和73.6%。对应的DSC曲线峰形向上，说明该阶段是放热的。

第三阶段： 对于固定碳燃烧及燃尽阶段，分为残余挥发分与固定碳燃烧阶段以及矿物质碳酸盐分解阶段[5]。不同树龄竹柳残余挥发分与固定碳燃烧阶段分别为384.3～584.3 ℃、392.1～619.6 ℃和392.7～580.2 ℃，矿物质碳酸盐分解阶段分别为584.3～800 ℃、619.6～800 ℃和580.2～800 ℃。残余挥发分与固定碳燃烧阶段对应的DSC曲线峰形向上，说明该阶段是放热的。

2.3不同树龄竹柳热重曲线的特征点分析

特征点主要包括着火温度Ti、最大失重速率温度T1和T2以及燃尽温度Th。着火温度采用TG-DTG联合定义法[17]确定不同树龄竹柳的着火温度,通过DTG曲线的峰值点做垂线与TG曲线交于一点，过该交点做TG曲线的切线，切线与过TG曲线开始失重点的平行线交于一点，该点所对应的温度即为着火温度；在生物质整个燃烧过程中，会出现两个燃烧峰值点，分别对应的速率为最大失重速率；当TG、DTG曲线平稳，不再有变化时的起始温度为燃尽温度，根据Morganu的研究[11]，将失重速率为-1%/min的点定义为燃尽点。不同树龄竹柳热重曲线的特征点见表3。

表3 不同树龄竹柳的Ti,T1,T2,Th,Cr,Ci,STab.3 Ti,T1,T2,Th,Cr,Ci,SofSalixdiscolorofdifferentages试样Ti(℃)T1(℃)T2(℃)Th(℃)Cr(℃-2·min-1·10-4)Ci(℃-2·min-1)S(℃-3·min-2·10-7)2年生竹柳304.3324.3509.3584.35.10.1428.13年生竹柳282.1329.6532.1617.14.90.1229.84年生竹柳280.2332.7547.7567.75.20.1333.6

从表3可以看出，2年生竹柳的着火温度最高，为304.3 ℃，3年生竹柳次之，4年生竹柳的着火温度最低，为280.2 ℃，说明2年生竹柳最不容易被点燃，4年生竹柳最容易燃烧。最大失重速率,第一个在挥发分释放与燃烧阶段，第二个在固定碳燃烧及燃尽阶段[5]，随树龄的增加，最大失重速率温度T1和T2均呈现增加趋势。燃尽温度3年生竹柳最高，4年生竹柳最低，说明3年生竹柳的燃尽特性最差，4年生竹柳的燃尽特性最好，可能因为4年生竹柳的灰分含量最低[5]。从表3可以看出，3年生竹柳的燃烧区间最长，为282.1～617.1 ℃(跨度为335 ℃)，而2年生竹柳的燃烧区间最短，为304.3～584.3 ℃(跨度为280 ℃)。挥发分释放与燃烧阶段最大失重速率对应的温度和固定碳燃烧及燃尽阶段最大失重速率对应的温度，均随树龄的增加而增大。

2.4燃烧特性指数分析

燃烧特性指数计算结果见表3。从表3可知，4年生竹柳可燃特性指数Cr最大，前期的可燃性能最好，结果同田红等[14]研究的农业生物质材料一致。着火特性指数Ci越大，越容易着火，表明燃料可以在较低的温度下燃烧[14]，2年生竹柳着火温度最高，理论上其对应着火特性指数应该最小，但试验测试结果与理论相反，2年生竹柳着火特性指数最大，原因可能与其最大燃烧速率最大有关。综合燃烧特性的定义来自于燃料的反应活性、着火点处燃料的转化率、燃尽速度的乘积，它反映出燃料的着火及燃尽特性，S值越大，燃料的燃烧特性越好[8]，2年生竹柳的综合燃烧特性指数最小，4年生竹柳的综合燃烧特性指数最大，说明4年生竹柳的综合燃烧特性优于2年生和3年生竹柳的综合燃烧特性。

2.5竹柳的燃烧动力学分析

选取两个不同温度区间，对不同树龄竹柳进行燃烧动力学分析。低温阶段为挥发分燃烧与析出阶段，从表4可以看出，此阶段活化能比固定碳燃烧阶段活化能低，挥发分燃烧阶段活化能在98.8～117.2 kJ/mol范围，固定碳燃烧阶段活化能在170.3～202.6 kJ/mol范围，因为挥发分比较容易燃烧，说明低温区只需较少的热量就能使燃烧反应发生，而高温区则需更多的热量。高温区的频率因子高于低温区的频率因子，说明高温区燃烧反应要比低温区剧烈。随树龄的增加，低温区和高温区对应的频率因子均增加，说明随树龄的增加，低温区和高温区的反应剧烈程度增加。在挥发分阶段，3年生竹柳的活化能最大，2年生的最小，从活化能角度看，2年生竹柳更易被点燃，但与实验结果不同，这可能与其他因素有关。

表4 不同树龄竹柳燃烧动力学参数Tab.4 CombustionkineticsparametersofSalixdiscolorofdifferentages试样温度范围(℃)拟合方程相关系数活化能E(kJ/mol)频率因子A(min-1)2年生竹柳244.6～384.3Y=-11889x+2.87350.9651498.84.20×106384.3～584.3Y=-20495x+3.08890.98149170.38.92×1063年生竹柳267.1～392.1Y=-14107x+2.93720.99457117.25.30×106392.1～619.6Y=-20606x+3.07830.97022171.28.95×1064年生竹柳247.7～392.7Y=-13467x+2.92480.97321111.95.00×106392.7～580.2Y=-24382x+3.17570.97467202.611.60×106

3 结论与讨论

从工业分析看，不同树龄竹柳的灰分、挥发分、固定碳含量不同。随树龄的增加，灰分和固定碳含量逐渐减少，挥发分含量逐渐增多。三种树龄竹柳的发热量中2年生的最大，为17.10 MJ/kg。三种树龄的竹柳燃烧所产生的灰分相对较少，在0.55%～0.78%范围内。

从热重曲线看，不同树龄竹柳的热重曲线变化趋势大致相同，均分为三个阶段，分别为脱水阶段、挥发分释放与燃烧阶段和固定碳燃烧及燃尽阶段。脱水阶段为吸热反应，其他两个阶段为放热反应。3年生竹柳的失重率最大，为98.7%，4年生次之，2年生竹柳失重率最低。挥发分释放与燃烧阶段是燃烧失重的主要阶段。

从燃烧特性看，2年生竹柳着火温度最低，更容易被点燃。4年生竹柳燃尽温度最低，说明其最容易燃尽。4年生竹柳的可燃性指数和综合燃烧特性指数最大，其燃烧特性最好。

综合考虑，4年生竹柳的灰分含量最低,着火温度和燃尽温度均最低，可燃性指数和综合燃烧特性指数最大，所以4年生竹柳更适宜作为燃料。

[1] 侯劲光. 竹柳造林技术[J]. 农家顾问，2009(3)：41-42.

[2] 薛崇昀，贺文明，聂怡，等. 竹柳材性、纤维质量及制浆性能的研究[J]. 中华纸业，2009，30(15)：60-63.

[3] 饶英.竹柳的价值与用途和发展竹柳的意义[J]. 中国农业信息，2014(17)：124.

[4] 张文辉，何景峰，周建云. 能源柳研究现状与国内引种栽培[J]. 生物质化学工程，2006(S1)：38-45.

[5] 马楠，孙军，曹燕，等. 竹柳燃烧特性试验研究[J]. 木材加工机械，2013(1)：34-36.

[6] 王玉召，李江鹏. 生物质与煤混燃的燃烧特性实验研究[J]. 锅炉技术，2010，41(5)：72-74.

[7] 谌伦建，赵跃民. 工业型煤燃烧与固硫[M]. 徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[8] 葛仕福，赵培涛，李扬，等. 泥污-秸秆衍生固体燃料燃烧特性[J]. 中国机电工程学报，2012，32(17):110-116.

[9] 任宁，张建军. 热分析动力学数据处理方法的研究进展[J]. 化学进展，2006，18(4)：410-416.

[10] 刘荣厚，牛卫生，张大雷. 生物质热化学转换技术[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[11] 梁爱云，惠世恩，徐通模，等. 几种生物质的TG-DTG分析及其燃烧动力学特性研究[J]. 可再生能源，2008，26(4)：56-61.

[12] 龚露，罗吉国. 煤质分析中发热量与固定碳的简易互算[J]. 广州化工，2009，37(3)：69-70.

[13] 闵凡飞，张明旭. 生物质燃烧模式及燃烧特性的研究[J]. 煤炭学报，2005，30(1)：104-108.

[14] 田红, 廖正祝. 农业生物质燃烧特性及燃烧动力学[J]. 农业工程学报，2013，29(10)：203-212.

[15] 卢洪波，戴惠玉，马玉鑫. 生物质三组分燃烧特性及动力学分析[J]. 农业工程学报，2012，28(17)：186-191.

[16] 肖军，段菁春，王华，等. 生物质与煤共燃研究(II)燃烧性质分析[J]. 煤炭转化，2003，26(2)：43-47.

[17] 朱恂，李刚，冯云鹏，等. 重庆地区7种生物质的成分分析及热重实验[J].重庆大学学报：自然科学版，2006，29(8)：44-48.

CombustioncharacteristicsofSalixdiscolorofdifferenttree-ages

LIANG Guangyuan, ZHANG Qian, SUN Yi,LI Wenzhu, ZHANG Wenbiao

(School of Engineering, Zhejiang Agriculture and Forestry University, Lin’an 311300, China)

To explore the utilization value ofSalixdiscoloras solid energy, integrated furnace was utilized to do industrial analysis ofSalixdiscolorof different ages, and the combustion characteristics were studied with simultaneous thermal analyzer.The results indicated that the ash content, fixed carbon content and calorific capacity decreased and volatile content increased with the increasing of tree-age.The variation trend of thermogravimetric curves ofSalixdiscolorof different ages were almost the same.The ignition temperature and burnout temperature of 4-year-oldSalixdiscolorwere both the lowest, namely 280.2℃ and 567.7℃, and the combustible index and combustibility parameters were both the highest, namely 5.2×10-4℃-2·min-1and 33.6×10-7℃-3·min-2, and thus the combustion characteristic was the best.

Salixdiscolor; tree-age; industrial analysis; combustion characteristics

2016-06-03

国际科技合作项目(2014C54SA520001)。

梁广元(1993-)，男，河北秦皇岛人，硕士研究生，研究方向为竹材工业化利用。

张文标，男，教授；E-mail: zwb@afu.edu.cn

S 792.12; TK 16

A

1003-5710(2016)05-0007-05

10.3969/j.issn. 1003-5710.2016.05.002

(文字编校：张 珉)