劉瑞芝

摘要：通過對秸稈進行熱分析與傅立葉紅外光譜方面的研究，分析了秸稈的燃燒放熱機理以及燃燒過程中釋放的氣體種類，并在燃燒特性方面與煤進行了對比。結(jié)果表明：秸稈在燃燒中共有兩段明顯的放熱，第一階段從255℃放熱開始至307℃結(jié)束，釋放的氣體有CO2、CO、烷烴、烯烴等；第二階段從403℃開始至443℃結(jié)束，有CO2和少量的CO放出，放熱大部分集中在第一階段。通過與某煙煤對比分析可知，秸稈的燃盡度較高，活性較好，熱值為一般煙煤的一半之多，并且高溫燃燒時釋放出的氣體對環(huán)境污染較小，在水泥窯中是一種較好的可替代燃料。

1引言

據(jù)統(tǒng)計，全世界每年農(nóng)村生物質(zhì)的產(chǎn)量為300億噸，生物質(zhì)能在世界能源消耗中僅次于石油、煤炭及天然氣等化石能源，居第四，約占14％。我國生物質(zhì)資源十分豐富，僅農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量便有7億噸以上，折合標準煤約3．5億噸。秸稈是一種低碳燃料，其含硫量、含灰量均低于目前大量使用的煤炭，對大氣、環(huán)境質(zhì)量的影響較低，是一種較為清潔的可再生能源。許多國家已經(jīng)利用生物質(zhì)秸稈發(fā)電，而水泥窯的燃燒溫度較高，對秸稈的充分燃燒提供了較好的條件。因此，充分利用秸稈燃料，對于減少溫室氣體排放，改善環(huán)境質(zhì)量具有重要意義。

如何有效利用生物質(zhì)秸稈資源，已經(jīng)成為國內(nèi)外眾多學者研究的熱點課題之一[1～6]，本文通過熱紅聯(lián)用試驗對秸稈進行了熱分析與傅立葉紅外光譜方面的研究，通過與某煙煤對比分析可知，秸稈的燃盡度較高，活性較好，熱值為一般煙煤的一半之多，并且高溫燃燒時釋放出的氣體對環(huán)境污染較小，在水泥窯中是一種較好的可替代燃料。

2秸稈的燃燒特性試驗

2．1秸稈的熱分析試驗

本文采用的試驗樣品為天津附近郊區(qū)的廢棄物農(nóng)作物秸稈。秸稈經(jīng)自然風干后粉碎至粒徑為200μm作為試驗樣品。表1為秸稈與某煙煤A的空氣干燥基的工業(yè)分析，表2為秸稈空氣干燥基的元素分析。

從表1與表2可以看出，秸稈的水分和煙煤A的差不多，而揮發(fā)分含量比煙煤A高得多，達到68．8％，而灰分則比煙煤A低，只有10．7％，這說明秸稈很容易燃燒；而秸稈的硫含量不高，為0．15％，可以推斷燃燒時放出的硫化物較少，對空氣的污染也較小。為進一步探討秸稈的燃燒特性，先對其進行熱分析試驗，以下為試驗條件：

熱分析儀器：NETZSCHSTA409PC

氣體種類及流速：O213ml／min；吹掃N2：40ml／min；

保護N2：10ml／min

樣品稱重：20mg左右；試驗溫度：室溫～700℃

升溫速率：5．1K／min

熱分析儀器可以在高溫條件下對樣品進行TG（Thermal Gravity）、DTG(Differential Thermal Gravity)、DSC(Differential Scanning Calorimeter)等的檢測，將試驗樣品置于坩堝中,通入氮氣和氧氣，加熱到700℃（多次試驗證明700℃時秸稈已經(jīng)燃燒完全）。圖1為秸稈在空氣中加熱到700℃時的熱分析曲線。

從圖1的失重曲線可以看出，秸稈共有三段明顯的失重曲線，第一段為在空氣中失水，失重率為4．21％,這和空氣干燥基測得的水分相似；第二段為一種有機物在燃燒，這部分有機物占了絕大部分，失重率為68．79％；第三段為固定碳在燃燒，這部分占16．27％，可見秸稈與煤相比為低碳燃料。秸稈燃燒后留下的灰分大約為10％，這部分灰分主要成分為碳酸鉀，是植物根系從土壤中吸收的礦物質(zhì)。

從圖1的熱分析曲線還可以看出，秸稈共有兩段明顯的放熱：第一階段從255℃放熱開始至307℃結(jié)束，第二階段從403℃開始至443℃結(jié)束，兩段放熱量總計為7886J／g，這說明秸稈開始放熱的溫度不是很高，比較容易點燃，這也是由于秸稈的有機物含量較高的原因。而它的發(fā)熱量同比一般煙煤的發(fā)熱量要少，第一段放熱占總放熱量的絕大部分，并且此段燃燒起來要猛烈、迅速。為了與煤的熱分析進行詳細對比，圖2是某煙煤A的熱分析曲線圖，表3是秸稈與煙煤A的熱分析參數(shù)對比。

從圖2與表3中可以看出：秸稈的總失重為83．73％，比煙煤A的失重量69．52％要多，這說明秸稈的燃盡度比煙煤A的高，這是因為秸稈的主要成分為纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等，比較容易燃盡；煙煤A的放熱主要由揮發(fā)分與固定碳兩部分組成，而秸稈的放熱也是由兩部分組成。它們的放熱起始溫度差不多，而放熱結(jié)束溫度秸稈要比煙煤A提前78℃，這說明秸稈的活性和煙煤A差不多；從放熱量來看，秸稈的放熱量要少于煙煤A的不到一半，這里所說的放熱量指熱分析儀器直接測定的放熱量，由于試驗過程中坩堝是開口的，邊燃燒邊放熱至出口，所以要想求得相應的低位熱值必須用經(jīng)驗公式求得。折合后的秸稈的低位熱值為15081kJ／kg，同比煤的低位熱值為一半之多。

所以，從秸稈的燃盡度、放熱起始溫度與終止溫度以及放熱量來看，秸稈在水泥窯中是一種較好的可替代燃料。

2．2秸稈的紅外試驗

為了探討秸稈燃燒時排放的氣體種類，在對秸稈做熱分析試驗的同時對其氣體排放特性也做了熱紅聯(lián)用試驗，也就是利用德國布魯克生產(chǎn)的傅立葉紅外光譜儀器對其排放的氣體進行了檢測分析，以下是其熱紅聯(lián)用實驗條件：

氣氛：空氣（O2：7ml／min，吹掃N2：20ml／min，保護N2：10ml／min）。

樣品：秸稈；質(zhì)量：20mg左右。

溫度：室溫～700℃；升溫速率：5K／min。

紅外波譜范圍：600～4000cm－1；掃描次數(shù)：10；分辨率：8。

熱分析儀器：德國Netzsch STA409PC；紅外儀器：德國BRUKER TENSOR27。

熱紅聯(lián)用實驗意指熱分析儀器與紅外儀器相連接，在做熱分析試驗的同時對秸稈燃燒時排放的氣體進行在線監(jiān)測，圖3是其燃燒時各個階段的氣體排放結(jié)果。

用紅外光譜圖識別氣體成分的原理為：每種氣體都有一特定的特征吸收峰，不同氣體對應的特征吸收峰不同，波數(shù)也不同。從特征吸收峰的形狀以及所在的波數(shù)位置就可以判定不同的氣體。圖3的橫坐標為波數(shù)（cm－1），縱坐標為吸收度。從圖3中可以看出，秸稈在第一階段也就是從255～307℃燃燒時，放出多種氣體，有CO、CO2、H2O、烷烴、烯烴等的混合物，其中1790cm－1波數(shù)的氣體成分不確定，有可能是芳烴泛頻峰、C＝O雙健強振動峰等。而第二階段燃燒時，即從403℃至443℃，由于溫度達到一定程度基本上只有CO2和極少量的CO放出。這是因為秸稈基本上是由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成，其中含有一定量的水分，秸稈為低碳燃料，且硫含量一般為0．12％～0．18％。在低溫燃燒時由于沒有燃燒完全會有CO、烯烴、烷烴等氣體放出，從光譜圖看出硫化物放出很少，這和秸稈中的硫含量低有關(guān)系；而當溫度升高到一定程度即443℃以上時，就只有CO2和極少量的CO放出。這說明如果秸稈在水泥窯里燃燒，窯里的高溫足以使秸稈燃燒完全，秸稈放出的氣體對環(huán)境污染很小。

3結(jié)論

通過對天津郊區(qū)秸稈的熱分析及紅外試驗，可以得到以下結(jié)論：

（1）秸稈在燃燒過程中共有兩段明顯的放熱：第一階段從255℃放熱開始至307℃結(jié)束，第二階段從403℃開始至443℃結(jié)束，第一階段的放熱占總放熱量的絕大部分；

（2）秸稈的燃盡度較高，放熱起始溫度與終止溫度與煙煤類似，放熱量較一般煙煤有一半之多，在水泥窯中是一種較好的可替代燃料；（3）秸稈在高溫燃燒時只有CO2和極少量的CO放出，水泥窯里的高溫可以使秸稈燃燒完全，燃燒時釋放出的氣體對環(huán)境污染較小。

參考文獻：

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