幾種森林可燃物熱解特性及動力學分析
幾種森林可燃物熱解特性及動力學分析
余子倩，辛 穎
（東北林業大學工程技術學院，黑龍江哈爾濱150040）
摘 要：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220～400℃。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 文獻標志碼：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制預防、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于生物質熱解內部能源利用方面，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系失重情況。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，試樣完全干燥后，采用CX-200型高速多功能粉碎機將試樣粉碎，通過40、60、80目篩子分別篩取粒徑大于0.45、0.30、0.20ｍｍ的試樣。通過控制熱天平溫度，連續記錄獲得物質質量與溫度關系的熱重曲線，即TG曲線和質量隨溫度或時間的變化率與溫度或時間關系的微分熱重曲線即DTG曲線。為研究可燃物熱解特性，將待測試驗在100 mL／min的氮氣氣氛下，以20℃／min的升溫速率，對質量約2～10 mg，粒徑大于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℃。重復試驗以排除系統誤差。
2 試驗結果與分析
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基本一致，僅各階段初始和結束溫度略有不同，當溫度T＜T１（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T２（臨界溫度）＜T＜T３（臨界溫度）時，3種試樣均表現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）時為急劇失重階段，當3種可燃物達到峰值溫度T４（第二個峰頂溫度）時，草本植物福王草的峰值面積即參與熱解的質量變化最大，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＞水曲柳樹枝＞水曲柳樹葉；當溫度T＞T５時為炭化階段，3種試樣質量變化趨于平緩，熱解后坩堝內殘留少量炭化物。
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。從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后，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TG－DTG曲線（升溫速率20℃／min），如圖3所示。水曲柳樹葉在不同粒徑下熱解TG－DTG曲線基本一致。隨著水曲柳樹葉粒徑的增大，DTG曲線的主峰面積略變寬，質量損失區間略向高溫方向移動，熱失重率略微減小，反應后固體殘留物略多一些，即粒徑對熱解的影響很小。
2．4 氣氛對熱解影響分析
升溫速率為20℃／min時，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。從DTG曲線看，當溫度T３＜T＜T５時，草本植物福王草在空氣氣氛下主峰面積變高、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于氮氣氣氛，且失重速率較氮氣氣氛更快、失重率更大；溫度T＞T５時，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
3．1 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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