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热解分阶段反应模型中转换率问题的分析与讨论.pdf
中国工程热物理学会 燃烧学
学术会议论文 编号:084085
热解分阶段反应模型中转换率问题的
分析与讨论
(戴佳昆,杨立中,王亚飞,周宇鹏)
(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,合肥,230026)
(联系电话:0551-3606416,E-mail:yanglz@ustc.edu.cn)
摘要:生物质材料在空气气氛条件下的热解行为通常会出现两个明显的失重阶段。借此特点,本文针
对 “双组分分阶段反应失重动力学模型”展开讨论。对不同升温速率下的油茶枝热解失重过程进行了
理论分析与探讨,通过热解动力学中的微分分析方法,提出了不同温度阶段中伪组分转化率的确定方
法。通过论证,与通过 DTG 曲线上特征点值来确定伪组分转化率的方法相比,本文提出的伪组分转化
率确定方法更加准确和完善。
关键词:热解动力学 分阶段反应 转化率 累积失重百分比
1.引言
热解是生物质着火、燃烧和火蔓延的基本先导过程,它在很大程度上决定了从生物
质材料中可获得的用于支持燃烧过程的燃料的量,以及释放的热量。因此,从物理和化
学作用机制方面认识生物质热解过程的行为与规律并对其进行模拟,将有助于深刻认识
生物质燃烧引发火灾过程的动力学机制,并为生物质燃烧和火蔓延的模型提供合理的燃
烧动力学描述。
对于生物质材料在空气气氛下的热解行为,DTG 曲线中一般会出现两个峰值[1],
同时陈海翔[2]通过 Model-Free 方法也证实了生物质热解失重过程中的两步反应模式,
所以通常假设的是“双伪组分反应模型”,其中代表性的是全局反应模型中的连续反应模
型和平行反应模型。如:Liu et.al[3]、Chen et.al[4]、 Di Blasi[5]等利用连续反应模型对
于多种森林可燃物的热解行为进行了描述,并取得很好的效果,其中 Di Blasi[5]还对稻
草秸杆的热解过程进行了分析。对于平行反应模型来说,J.A.Caballero et.al[6]针对皮革
废弃物的热解动力学,做出了很好的研究作,R.Font et.al[1]对于添加了矿物质 CoCl2 的
杏仁壳的热解行为进行了深入的研究。为了减小了全局反应模型分析中的非线性拟合算
法所带来的误差,刘乃安等人[7]提出了“双组分分阶段反应失重动力学模型”。根据 DTG
曲线的特征,假设两种伪组分反应独立的发生在高低两个温度区间内,因此可以在不同
的温度区间内单独对两种伪组分的热解动力学行为进行分析。要对两种伪组分反应单独
进行分析,根据热重分析的特点,需要得出两种伪组分的转化率随温度的变化规律。而
先前的研究中,将 DTG 曲线中的极小值点作为了前后两个反应阶段的分界点,并将这
个极小值点作为第一阶段反应的终止点,以及第二阶段反应的起始点,通过这个特征点
来确定伪组分转化率的方法是值得商榷的,所以我们就“双组分分阶段反应失重动力学
资助项目:国家自然科学基金重点项目(No.
模型”中,伪组分转化率的问题展开了深入的分析讨论。
2.结果与讨论
实验试样是采自安徽等地的油茶枝。将采集的试样在恒温箱内控制连续烘干 48 小
时,去除外部水分。试验时,将干燥后的试样用粉碎机研磨后,用不同目数的筛子区分
不同粒径范围的颗粒。选择粒径为150?300μm 的颗粒,选用 10mg 左右的样品用于热
分析试验。实验采用德国耐驰公司的 STA409C 综合热分析仪,可以同时记录生物质热
解过程中的 TG 和 DSC 图谱。实验前需要对仪器进行温度和质量校准。加热炉由室温加
o
热到高温,通常为700 C ,高于这个温度样品的质量变化不再明显。升温速率控制为
10,15,20,25K / min 等低速加热速率。通入空气流速控制为40 ?80ml / min ,足够带
出热解气态产物。每种条件下的实验进行多次,以保证可重现性。
在总结关于在空气气氛条件中生物质的热解过程的实验研究结果的基础上,Liu[7]
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