木粉的燃烧试验研究动力学和颗粒

文摘

木粉的燃烧动力学特性和颗粒进行了热重分析仪(TGA)和管式炉系统。这两种不同的动力学参数测定木质燃料的形式和派生double-step-and-double-equal和等温方法,分别。结果表明,木粉的燃烧机制通过整个过程保持一致,而木颗粒的燃烧机制显著波动和字符之间的不同燃烧阶段。最概然机理函数的两种不同形式的木质燃料的不同是由于内部传热传质特性的差异。此外,活化能值变化从92.33 kJ·摩尔⁻¹对木粉71.20 kJ·摩尔⁻¹木颗粒,而木粉的preexponential因子值(2.55×10⁸年代⁻¹)远远大于一个木颗粒(78.55 s⁻¹),7个数量级。

1。介绍

痛苦的后果过度使用化石燃料,世界各地的国家贡献越来越多的可再生能源开发利用(1- - - - - -3]。生物质能是最潜在的可再生能源在不久的将来,因为它很容易存储和方便运输和普通和成熟的应用技术。此外,从生产到使用,循环链有限公司₂生物质燃料关闭排放为零(4,5]。年度使用木材、广泛的建筑、家具制造、包装、工艺品,是超过4亿³,然而处理率只有65%6]。剩下的化合物如剩下的锯末应该大力促进节能减排(7,8]。最有效的方式使用仍是挤压成颗粒均匀形状和密度,然后直接焚烧供热和发电9- - - - - -11]。

生物质颗粒燃料的先前的研究主要集中在宏观燃烧特性。通用电气等。12)计算综合燃烧特性的四种人造板在空气中大气的热重曲线和比较的特点,综合燃烧性能。Cuiping et al。13)分段比较了三种类型的颗粒燃料的燃烧特点,即玉米秸秆、木材锯末、木屑混合,通过表观活化能值和preexponential因子值在不同燃烧阶段。清et al。14)计算的活化能值和preexponential因子值Coats-Redfern四种生物质材料的方法和一阶模型,他们得出一个结论,木材锯末活性低于其余三种草本生物量。计算与实验结果进行比较。此外,一些学者探讨了颗粒燃料热解和燃烧规则的数学模拟,如分(15),建立一个数学模型来描述一个生物质颗粒的燃烧过程,基于一维模型的质量,动量,和节约能源在燃烧过程中,燃烧的结合,热解动力学方程。

由于质量和热量的快速传播的优势和获得更精确的动力学特性的实验材料,样品在动力学实验主要在微粒(< 0.20毫米直径)和少量(< 20毫克)(16- - - - - -20.]。然而,内部传热传质不应该被忽略,因为客观存在,而在整个颗粒的燃烧动力学研究[17,21]。为我们所知,没有木颗粒的燃烧动力学研究基于等温法在先前的研究。进一步探索不同的木粉和颗粒之间的燃烧动力学特性,一些热动力学分析进行了各自的地位同样的木头。结果预计将补充现有的木颗粒燃烧动力学的研究。

2。材料和方法

2.1。材料

实验材料的木质颗粒燃料产生的contract-energy-management企业在佛山,广东。家具制造过程中产生的锯末和残留物被压碎,挤进强化圆柱形颗粒,直径约8毫米,40 - 60毫米长,大约950公斤/米³在密度,包括桉树、冷杉、山毛榉和核桃,统称为杂木。样品可以在分散由采样点相同的产品批处理。根据国家标准DL / T 568和GB / T 28731,工业分析和元素分析结果表中列出1。在实验之前,一些颗粒减少冲洗的两端,与1000±5毫克的质量,和其他人是地面和已筛粉与直径小于0.18毫米。所有样品都存储在干燥器中备用。

2.2。设备和仪器

2.2.1。木粉分析

实验的sta - 449 f3热重分析仪(德国NETZSCH),粉末样品重量大约10.0毫克,使用空气作为大气中气体流量的60毫升/分钟。反应温度上升到1000°C的环境温度加热10、20、30和40°C /分钟,分别。

2.2.2。木颗粒分析

木颗粒的实验进行了一个白手起家的管式炉系统。设备的主要部分是一个管反应器,类型SK-4-4-16Q, 60毫米的内径和mid-effective加热300毫米的长度,由武汉Yahua电炉有限公司实验开始的时候,涌入的空气送入管式炉在3 L /分钟的流量。随着炉内气氛稳定,温度达到设置值,即:,800, 1000, 1200, and 1400°C, a corundum crucible carrying a pellet was put into the center of the reactor rapidly, and then the sample was ignited. Afterwards at the selected time moment, i.e., 12, 24, …, 60, 90, …, 210 s, the crucible was taken out and put into a vessel filled with argon immediately, and then the vessel was sealed tightly and put into a water sink to cool down quickly. After that, the sample which kept the morphology, composition, and properties was weighed, and finally a set of isothermal TG (Thermal Gravity Analysis) curves were drawn.

2.3。方法

木材的燃烧过程遵守阿伦尼乌斯;描述的基本动力学方程一般如下: 在哪里是可燃的转换示例的一部分,描述如下: 在哪里样品的质量; , ,和分别是在初始时间样本的质量,时刻,最后时间;燃烧速率常数;年代,preexponential因素吗⁻¹;表观活化能,焦每摩尔;是理想气体定律常数,J /(摩尔·K);和是反应模型。

2.3.1。木粉热重量分析

由double-step-and-double-equal木粉的方法,具体步骤如下(22]。

(一)确定最概然机理函数G (α)。方程(3)是集成和转换成Flynn-Wall-Ozawa方程 在哪里升温速率,得到的公式如下:

转换(3)

通过替换在相同的温度TG曲线对应于不同的加热率和不同的机制功能在(5),一系列的相关系数和lg可以实现吗G(α)lgβ线性回归。的更接近于1,对应的G(α)描述了木粉燃烧过程更好,而且,因此,最近的一个是最可能的作用机制。

(b)和E的推导。根据(3),lg的阴谋β1 /T对应于相同的一条直线在不同的加热率和决定性的 ,的值和分别可以从斜率和截距。

2.3.2。木颗粒热重量分析

(一)确定最概然机理函数G ( )。颗粒燃料燃烧的最概然机理函数可以推导出协调的实验数据和动力学模型,即减少时间的方法(22]。9个常用函数(表机制2)进行了测试。如果一个实验曲线重叠理论曲线,或者实验数据点几乎落在一个理论曲线通过比较偏差的平方(22),对应理论曲线是最可能的机制功能,通过 在哪里t_0.5时间长度α= 0.5;G(α)_{α= 0.5}是G(α),而α= 0.5;和G(α)_{α= 1.0}是G(α),而α= 1.0。

(b)和E的推导。通过改变确定最概然机理函数绘制一条直线和 , 和可以实现根据斜率和截距。然后替换和对应于不同温度段成阿仑尼乌斯方程,一个

策划的直线对 , ,和分别可以从斜率和截距。

3所示。结果与讨论

3.1。木粉的燃烧动力学参数的解决方案

TG和壳体(差热重力)木粉燃烧曲线如图1和2,分别。

通过替换在四个TG曲线相同的温度,升温速率,不同的机制功能(5),- - - - - -线性回归拟合结果(如表所示3)。很明显,接近1对应的函数G(α)= (1 -α)ⁿ(n= 1),即最概然机理函数来描述木粉的燃烧过程。

然后,通过替换和对应于相同的在四个TG曲线不同的加热率和决定性在(3),用线性回归1 /T,一系列的来自斜坡和价值观值拦截,结果如表所示4。

的拟合结果值见表4相关系数是可靠的吗值从0.9030到0.9991不等。的结果值见表4根据解决吗价值和确定 。全球平均水平和92.33 kJ摩尔⁻¹和2.55×10⁸年代⁻¹,分别。

3.2。木颗粒的燃烧动力学参数的解决方案

3.2.1之上。最概然机理函数的决心G(α)

木颗粒在等温燃烧的减肥曲线如图3。的拟合结果α- - - - - -t/t_0.5理论和实验曲线如图4。很明显,实验数据落在函数的理论曲线G(α)=一个₂(α)或附近的转化率不同的范围[0.10,0.80)。

(一)E的推导和。最可能的作用机制来自于

转换(8)

通过绘制的直线ln (ln (1 -α)]lnt如图5,n和k可能是来源于斜率和截距分别。

代替k_我和T_我温度的四个部分为阿仑尼乌斯方程

策划的直线对 如图6,和来自斜率和截距71.20 kJ·摩尔⁻¹和78.55年代⁻¹相关系数分别0.9844。

3.2.2。比较与木粉颗粒燃烧动力学特征

木颗粒燃烧是一个复杂的反应多材料、多阶段,和多个步骤15,24,25];因此动力学三联体,这可能是明显的多步反应的结果,通常随燃烧条件和反应的进展。设计对精度和自动化、TGA(热重分析仪)是目前最适合热测量少量和小样本的大小。因此,有一定的失真的木头颗粒热测量由于强烈的内部传热传质。比较木粉和颗粒燃烧动力学参数如表所示5。

从表5,很明显,木粉和颗粒的机制功能是不同的。差异表明,样本大小、形状、数量、和升温速率可能导致燃烧机理的差异同样的燃料(19]。木颗粒,当α< 0.80,燃烧过程函数所描述的可能机制G(α(ln) = (1 -α)]^1/2,但当α≥0.80,没有功能,选择能适应相应的燃烧过程,而对于木粉,没有分段特性;整个燃烧过程函数所描述的可能机制G(α)= (1 -α)]⁻¹。指的是近似分析结果见表1, 是分裂点不稳定燃烧木炭燃烧凌日,说明复杂的传热传质影响燃烧的木头颗粒比那些更大的木粉由于内部结构的复杂性。因此,颗粒应该尽可能使用起源的研究目标动力学参数测定。

表观活化能的值 ,描述的分子活动木质颗粒和粉末,是相同的订单21.13 kJ·摩尔的区别⁻¹的一致性,表明两种形式的材料。至于可燃分子和氧气分子碰撞频率的特征(26),preexponential因素值的两种材料大大不同,后者是七个数量级高于前者,证明木粉与O更可能发生碰撞₂比木头颗粒燃烧过程。所有的计算都与明显的现象一致。在工程,前者主要是应用于分层燃烧,因此应确保良好的通风使燃料表面充分接触新鲜空气(27,28),而后者通常是用于悬浮燃烧;尽管燃料和空气之间的相对静态的(29日),燃料仍表现出良好的疲劳性能高分子碰撞频率。

4所示。结论

动力学分析和结果比较的木粉的燃烧过程和颗粒一样的木头,是得出以下结论:

(1)对木粉,整个燃烧过程的燃烧机理基本不变,和最可能的机制功能没有明显的节段性特点;对于木颗粒,是一个伟大的差异不稳定燃烧阶段和char燃烧阶段,分别由不同的最概然机理函数描述。

(2)活化能值是kJ摩尔⁻¹木粉和kJ摩尔⁻¹分别对木材颗粒差异小于30%。preexponential因素值前(2.55 x 10⁸年代⁻¹)远远大于后者(78.55 s⁻¹),7个数量级。

(3)目前,大多数TGA只适合燃烧动力学分析与样本数量少和小木粉粒径;因此很难真正揭示散装颗粒生物质燃料的燃烧动力学特性。在学术研究和工程应用颗粒燃料,TGA,适用于大部分燃料应采用减少实验样品引起的错误。

数据可用性

生成的数据集和分析在本研究中可用fairshare存储库:https://figshare.com/s/d51ecef2f1992ae0b7c3。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢江Shunchun姚明和Saihua评论和见解导致这个手稿的发展。作者欣然承认支持由华南理工大学和广东省特种设备检测研究院,顺德分公司。这项工作是由广东省质量技术监督管理局研究基金(批准号2017 pb08)。

引用

1. 暗利与d·k·阮”可再生能源消费的决定因素:国际证据,”能源卷,72年,第560 - 554页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. c . Cambero和t . Sowlati”,评估和优化森林生物量供应链从经济、社会和环境的角度,回顾文献,”可再生能源和可持续能源的评论36卷,第73 - 62页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. j . Benedek t·塞巴斯蒂,b .巴托克的“评估周边地区可再生能源和可再生能源农村发展、“可再生能源和可持续能源的评论卷,90年,第535 - 516页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. m . Matušp . KrižanĽ。Šooš,j . Beniak“造纸污泥作为添加剂的影响生物质颗粒燃料的最终质量,”燃料卷,219年,第204 - 196页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 范b z . Liu,江z和x Liu bamboo-biochars的燃烧特点,“生物资源技术卷,167年,第99 - 94页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. x Deyan”,分析形势和我国的对策的木材制造行业,“林业的前景和设计,vol.不。3、85 - 92年,2013页。视图:谷歌学术搜索
7. f .郭和z中,“Co-combustion无烟煤和木球:热力学分析、燃烧效率、污染物排放和灰结渣,“环境污染卷。239年,21,2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. l . j . r . Nunes j . c . o . Matias和j·p·s . Catalao”混合生物质颗粒用于热能生产:回顾燃烧模型,”应用能源卷,127年,第140 - 135页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. s . Proskurina e . Alakangas j . Heinimo et al .,”芬兰木颗粒行业的调查分析:未来的视角,“能源卷,118年,第704 - 692页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. Trømborg e . t . Ranta j . Schweinle过往,g . Skjevrak d·g·蒂芙尼,“经济可持续性木球生产——Acomparative研究之间的芬兰、德国、挪威、瑞典和美国,“生物质和生物能源57卷,第77 - 68页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. r·约瑟夫·c·a·加西亚·m·Skutsch o . Masera,“潜在的可持续生物质颗粒在墨西哥:能源潜力的分析,物流成本和市场需求,“可再生能源和可持续能源的评论卷,82年,第389 - 380页,2018年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. p .通用电气、l .羌族,彭x”燃烧和热重研究artificial-plates动力学特征,“环境污染控制技术和设备》第六卷,第2436 - 2431页,2012年。视图:谷歌学术搜索
13. w·Cuiping l . Dingkai w . Fengyin et al .,“生物质颗粒燃烧特性的试验研究,“事务的CSAE,22卷,不。10日,174 - 177年,2006页。视图:谷歌学术搜索
14. 问:小王,w·赵c .贾,徐和h, h . Liu”反应和动力学分析生物质在燃烧。”能源Procedia,17卷,第875 - 869页,2012年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. y分、j . A . van Oijen和l·p·h·德胡耶”详细木本生物质颗粒燃烧一维模型,”生物资源技术,卷102,不。20日,第9782 - 9772页,2011年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. x方、l .贾和l .阴“加权平均全球流程模型基于两阶段动态方案生物质燃烧,“生物质和生物能源卷,48 43-50,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. w·曹、j·李和l·卢”研究生物量的点火和燃烧动力学行为,”能源Procedia卷,142年,第141 - 136页,2017年。视图:谷歌学术搜索
18. 人工智能莫雷诺,r .字体和j . a . Conesa”燃烧的家具木材废料和实木:污染物的动力学研究和演变,“燃料卷,192年,第177 - 169页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. 郑胜耀Yorulmaz和a . t . Atimtay”调查处理和未经处理的废木材的燃烧动力学与热重量分析样本,”燃料处理技术,卷90,不。7 - 8,939 - 946年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. p .金星数码,c .观w . Deqin et al .,“木材热解的动力学和气体产品分析”,Energiae Solaris学报,32卷,不。12日,第1724 - 1719页,2011年。视图:谷歌学术搜索
21. 彼得斯b和j . Smuła-Ostaszewska”同时预测氯化钾和二氧化硫排放在柳枝稷的燃烧,“燃料卷。96年,29-42,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. h . Rongzu热分析动力学,科学出版社,北京,2008。
23. r . Lopez-Fonseca兰达,Elizundia, m . A . Gutierrez-Ortiz和j·r·Gonzalez-Velasco“燃烧的动力学研究多孔合成烟灰,“化学工程杂志,卷129,不。1 - 3,41-49,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. 江h . m . Bi b . Li b . Gan和w·高,“燃烧行为和温度特征生物质粉粉尘爆炸,”《可再生能源卷。122年,45 - 2018页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. m . c . j . Li保罗,p . l .年轻,沃森,m·侯赛因和s·韦尔奇,“预测高温快速木本生物质颗粒的燃烧行为,”燃料卷,165年,第214 - 205页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. 问:王,赵y, y,“收缩大型煤球在热解动力学及其应用在夯实煤炭蛋糕从大规模钱伯斯,”燃料卷,138年,页1 - 14,2014。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. m·科斯塔n . Massarotti诉Indrizzi, b . Rajh c .阴和n . Samec”工程床固体燃料转换过程的模型grate-fired锅炉、”能源卷,77年,第253 - 244页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. n . Vorobiev a·贝克尔h . Kruggel-Emden a .帕纳西y . a . Levendis和m . Schiemann”粒子形状和斯蒂芬流焙生物质燃烧速率的影响,“燃料卷,210年,第120 - 107页,2017年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. r .受伤,j。太阳,和m . Lunden动力学模型在煤粉燃烧的碳倦怠,“燃烧和火焰,卷113,不。1 - 2、181 - 197年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

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