废弃烟草生物质燃烧特性的热重分析

黄宁¹，龚德鸿²，魏光钰¹，钱进²，胡勇¹，吴永琴¹，邹军¹，周建云¹

(1.贵州省烟草公司贵阳市公司，贵州贵阳550001；2.贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025)

　　摘要：用同步热分仪在空气条件下对废弃烟草生物质烟梗、烟末进行燃烧特性实验。对燃烧各个失重台阶和失重峰进行分析，探究实验样品的着火、燃烧和燃烬性能，并进行对比分析。结果表明，烟末的着火温度、燃烧峰值温度和燃烬温度低于烟梗，燃烧峰值速率和平均速率大于烟梗，燃烧综合性能优于烟梗；烟梗燃烧机理较烟末更为复杂，在挥发分析出燃烧阶段较烟末多一个峰，在1009.05K附近仍发生微量的燃烧放热现象。

　　中国的能源结构决定发电厂和工业生产以燃煤为主，并且在短时间内这一现状很难改变，然而由于燃煤所引发日趋严重的空气污染及温室效应，要求产能企业花费更大代价以减小颗粒物、酸性气体及温室气体的排放，提高可再生能源应用比例是解决这一问题的最佳方法。

　　生物质能作为主要可再生能源形式之一，被认为是排在煤炭和石油之后的第三大能源^[1]。生物质燃料因其良好的燃烧特性，CO₂等有害气体低排放量等特点受到越来越多的关注^[2]，同时由于其成分组成，燃烧方式均较接近于煤炭，利用成熟的燃炭燃烧技术就可以在现有产能企业有效应用，因此近年来，生物质能的规模化能源化应用研究得到快速发展。

　　烟梗、烟末是打叶复烤行业生产过程中的废弃物，同样也属生物质范畴，由于其产生主要集中在烟草行业的生产企业中，较其他生物质如秸秆、玉米芯、海藻^[3－5]等更便于工业化应用。科研工作者对烟梗热解、燃烧和气化等进行了一系列研究，文献[6]用同步热分析仪对烟梗在不同升温速率条件下进行了热解试验，并分析了热解过程及其动力学规律；文献[7]考察升温速率和粒径对烟梗的热解反应和燃烧反应的影响，研究发现提高升温速率及减小粒径有利于提高燃烧性能；文献[8]分析了4种典型烟草生物质(烤烟中部叶丝、膨胀梗丝、膨胀烟丝和再造烟叶)不同升温速率下的燃烧过程，研究发现燃烧过程中存在挥发分着火和固定碳着火两次着火现象，提高升温速率可使挥发分和部分固定碳发生共燃现象；文献[9]对烟梗的燃烧性质进行试验研究，获得了烟梗的燃烧、热解特性和灰性质。但总体上对烟梗热解、燃烧的研究仍较少，其燃烧和热解机理仍有待深入分析，而烟末的研究文献更是鲜有报道。本文采用热重分析方法，在空气条件下，对烟梗、烟末燃烧的TG、DTG和DSC曲线进行系统研究，对其着火、燃烧和燃烬特性进行深入分析，为其工业化应用提供参考。

　　1试验部分

　　1.1试验样品

　　两种废弃烟草生物质烟梗、烟末均来自贵州烟叶复烤有限责任公司，为保证样品具有代表性，从生产车间每小时取一次样，其工业分析成分、元素分析成分和热值如表1所示。为保证研磨质量，先将样品放置在105℃的鼓风干燥箱中4h，用DJ－1型粉磨机磨成粉状，经150目标准筛控制粒径大小，然后在实验室中放置30天，制得空气干燥基样品。

　　1.2试验设备及条件

　　样品燃烧实验在同步热分析系统STA409上完成，该设备可同时得到样品的TG和DSC曲线，DTG曲线可通过随机热分析软件对TG曲线进行一次微分获得；采用Al₂O₃坩埚，每次实验样品质量控制在9～10mg之间；实验载气模拟空气气氛，由氧气10mL/min、氮气40mL/min混合而成；升温速率为15K/min；温度范围为25～900℃；保护气体为氮气，流量为15mL/min。

　　2结果与讨论

　　2.1燃烧曲线分析

　　空气条件下，升温速率为15K/min的烟梗、烟末燃烧的TG、DTG和DSC曲线如图1、图2所示，燃烧各失重台阶的峰值温度和峰值速率如表2所示。

　　从图1可以看出，TG曲线可以分为4个阶段第一个失重台阶约发生在343.15～424.55K之间，为干燥失水阶段，DSC曲线表征为吸热过程，从DTG曲线可知峰1(对应DTG曲线，后略)峰值温度为376.75K。

　　第二个失重台阶为挥发分析出并燃烧阶段，DSC曲线表征为放热过程，从DTG曲线上可知这个阶段主要包括3个峰，峰2位于424.55～513.75K之间，主要是烟梗中低沸点化合物挥发析出及半纤维素热解成小分子挥发分^[10－11]，峰值温度为455.75K，速率为1.95%/min；峰3和峰4是烟梗挥发分析出的主要区域，也是燃烧曲线失重最剧烈的阶段，DSC曲线表征为放热过程，从DTG曲线可知温度范围在513.75～677.05K之间，峰值温度分别为548.95K和579.05K，速率分别为5.18%/min和5.75%/min，这一阶段发生了强烈而复杂的化学反应，具体表现为烟梗中的维纤素热解生成大量挥发分^[12]。

　　第三个失重台阶为固定碳燃烧阶段，如峰5，DSC曲线表征为放热过程，燃烧温度范围为677.05～950.45K，此阶段先为烟梗中木质素热解生成少量挥发分和大量碳，随后在碳表面进行燃烧反应，反应温度区间较宽，表明焦炭的反应速度较为缓慢，峰值温度为747.45K，速率为2.38%/min，分析原因应为前一失重台阶中半纤维素、纤维素热解后燃烧生成的灰可能包裹在木质素表面，妨碍了氧气向焦炭表面的扩散^[13]。第四个阶段发生在950.45～1043.25K之间，如峰6，DSC曲线表征此阶段有一个小放热尖峰，原因可能是残留焦炭的进一步燃烧导致，峰值温度为1009.05K，速率为0.83%/min。

　　从图2可知，在水分开始析出时，其TG和DTG曲线与烟梗相似，但随着温度的升高，烟末较烟梗更快完成干燥过程，即DTG峰(峰1)宽度较烟梗窄，说明烟末的保水性能不如烟梗；烟末的峰2较烟梗出现更早，且峰值温度比烟梗低3K，峰值速率较烟梗大0.39%/min，说明烟末的低沸点化合物和半纤维素含量高于烟梗，这与文献[14]的研究结论一致。与烟梗相比，烟末的挥发分析出燃烧阶段只有一个明显失重峰(峰4)，这是由烟末和烟梗的纤维素结构特点不同导致的，烟末的纤维素长度明显小于烟梗，长度小于0.20mm的细小组分含量高于烟梗，而烟梗在长度为0.20～0.50mm的含量大于烟末，表明烟梗纤维素热解过程更为复杂[15]。烟末的固定炭燃烧DTG峰宽较烟梗窄，且峰值温度低于烟梗，燃烧速率高于烟梗，说明烟末在此阶段燃烧更为迅速；DSC曲线也反应出放热更为集中，主要原因为烟末的挥发分含量高于烟梗，挥发分析出后焦炭的孔隙率相对更高，且烟末中的木质素含量低于烟梗^[15]，因此焦炭表面的氧浓度更高，反应速度更快。烟末峰6对应的DSC曲线为吸热过程，这与烟梗在此阶段的特征是相反的，推测在此发生的是烟末灰中的某些盐分在高温下晶型转变，其反应机理还有待深入研究。

　　2.2着火及燃烬性能分析

　　烟梗、烟末的着火性能用可燃性指数C_b^[16]表示，它是样品TG曲线中最大失重速率与着火温度平方的比值。由于综合考虑了最大失重速率和着火温度两个因素，因此能够客观地反映样品着火性能的好坏，C_b越大，样品的着火温度越低或最大失重速率越大，则样品的可燃性越好。可燃性指数计算公式为

　　表3给出了烟梗、烟末的可燃性指数和燃烬特性指数的计算值。

　　从表3可知，烟末的着火温度低于烟梗，峰值速率相对较高，表明着火性能略优于烟梗，这也与表1中烟末的挥发分含量高于烟梗所表征的一致，即挥发分含量越高，着火越容易。烟梗焦碳燃烧DTG温度峰宽高于烟末约60K，对燃烬起重要影响的后半峰宽比烟末高37K，表明烟梗虽然在后期燃烧速率有一定增加，但燃烬性能仍低于烟末。

　　2.3燃烧性能分析

　　烟梗、烟末的燃烧性能用燃烧特性指数S^[18]表示，S越大，试样的燃烧特性越好。燃烧特性指数的计算公式为：

　　表4列出了烟梗、烟末在挥发分和固定碳燃烧阶段的燃烧参数和燃烧特征指数。

　　由表4可知，烟末的S₁、S₂和S_N均高于烟梗，说明燃烧的各个阶段烟末的燃烧性能均强于烟梗，烟末的综合燃烧性能优于烟梗。在挥发分析出燃烧阶段，烟末表面发生的均相着火较烟梗提前，燃烧峰值速率和平均速率均较大，这对后期的焦炭着火及燃烧均更有明显促进作用；在焦炭燃烧阶段，烟末焦炭表面发生的多相着火较烟梗提前，并在相对较低的温度水平就结束了燃烧过程，而烟梗燃烧相对缓慢，甚至在1009.05K附近仍发生燃烧放热，这充分验证了烟末具有更好的燃烧性能。

　　但也有研究表明，正是由于烟梗的燃烧持续时间长，温度区间较宽，在燃烧过程中析出焦油的量远低于烟末，这与烟梗含有相对较高的矿物质元素及其氧化物组成的灰分有直接关系[14]。

　　3结论

　　(1)烟梗、烟末燃烧过程都可分为4个失重台阶，但在挥发分析出燃烧阶段，烟梗由于纤维素结构与烟末不同，DTG曲线上有3个明显的尖峰，而烟末只有2个；在第4个失重台阶，烟梗与烟末表现出相反的反应特征，烟梗为焦炭的进一步燃烧放热过程，而烟末主要为灰中某些盐分发生晶型转变的吸热过程。

　　(2)烟末的挥发分含量高于烟梗，着火温度相对较低、燃烧峰值温度和速率相对较大，其着火性能优于烟梗；烟末焦炭燃烧阶段DTG峰宽温差及后半峰宽温差均小于烟梗，放热相对较为集中，燃烬性能优于烟梗。

　　(3)烟末挥发分及焦炭的两次着火均较烟梗提前，且两次着火间距明显小于烟梗，有力促进了速率相对较慢的焦炭燃烧过程，表现出更优的综合燃烧性能。