甘蔗渣在N2及CO2氣氛下的熱解特性研究

李家坤

(1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072;2.長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430212)

0 引言

甘蔗渣是制糖工業(yè)的主要副產(chǎn)品，是一種重要的可再生生物資源。中國(guó)是僅次于巴西和印度的第三甘蔗種植大國(guó)，南方蔗區(qū)甘蔗總產(chǎn)量7000多萬 t，蔗渣的產(chǎn)量達(dá)到 700 萬 t［1，2］。甘蔗渣的成分以纖維素，半纖維素以及木質(zhì)素為主，蛋白、淀粉和可溶性糖含量較少。甘蔗渣一般含干物質(zhì)90%～92%，粗蛋白質(zhì)2%，粗纖維44%～46%，粗脂肪0.7%，無氮浸出物42%，粗灰分2%～3%。與作物秸稈相比，甘蔗渣的農(nóng)藥殘留量很低，但其木質(zhì)化程度高。纖維素廢棄物是一種主要的可再生能源和初等原材料，因此利用纖維素廢棄物通過有效的方法生產(chǎn)能源具有重大的意義和前景［3，4］。目前，中國(guó)已建有甘蔗渣發(fā)電廠，在有效替代化石燃料，降低污染物與溫室氣體排放，對(duì)區(qū)域進(jìn)行供熱供電［5］。也有采用甘蔗渣在高溫下通過水蒸氣進(jìn)行活化來制造活性炭［6］。

在生物質(zhì)能利用和轉(zhuǎn)化的各種工藝中，生物質(zhì)熱解和氣化技術(shù)可以將生物質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為能量密度高的液體和氣體燃料，從而提升了生物質(zhì)的利用品味和應(yīng)用途徑［7］。本文將研究甘蔗渣在N2及CO2氣氛下的熱解特性，以便為甘蔗渣的熱解氣化的應(yīng)用提供理論依據(jù)和參考。

1 實(shí)驗(yàn)原料及實(shí)驗(yàn)計(jì)劃

本實(shí)驗(yàn)采用的甘蔗渣來自廣東省梅州市，元素分析和工業(yè)分析見表1。物料經(jīng)破碎、研磨、篩選，粒徑小于1 mm。所有樣品于105℃的干燥箱內(nèi)停留超過4 h以脫除外在水分。此后樣品保存在干燥皿中直到實(shí)驗(yàn)取樣。本實(shí)驗(yàn)在德國(guó)耐馳STA 409 PC Luxx同步熱分析儀上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)氣流量恒定為100 mL/min，樣品質(zhì)量為4±0.5 mg。本實(shí)驗(yàn)分別在N2及CO2氣氛下，以20℃/min，30℃/min，40℃/min升溫速率進(jìn)行了熱解。TG(熱重)曲線、DTG(熱重微分)曲線以及相應(yīng)的數(shù)值表征熱解過程的特性。

表1 甘蔗渣的元素分析及工業(yè)分析 (干燥基)Tab.1 Element analysis and industrial analysis of bagasse(dry basis)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 N2氣氛下熱解

從圖1可以看出，在N2氣氛下，甘蔗渣的熱解失重主要集中在180～650℃之間，750℃以后質(zhì)量幾乎維持不變。隨著升溫速率的增加，殘余質(zhì)量不斷增加，從20.5%(20℃/min)上升到23.3%(30℃/min)，再到24.3(40℃/min)。熱解過程中第一、第二個(gè)失重峰(DTG1，DTG2)的峰值及對(duì)應(yīng)的溫度(TDTG1，TDTG2)見表2。從表2可以看出，較低升溫速率下，失重峰峰值較小，對(duì)應(yīng)的溫度也較低。熱解過程中最大失重出現(xiàn)在第二個(gè)峰。在不同的升溫速率下，甘蔗渣在熱解過程中均出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的失重峰。20℃/min升溫速率條件下，在310℃附近出現(xiàn)了一個(gè)較為平坦的失重段，而在另外兩個(gè)較高升溫速率下則不存在著平坦的失重段，這可能是高升溫速率下，不同成分的熱解析出反應(yīng)在相同的溫度區(qū)間出現(xiàn)重疊所致。樣品在N2氣氛下的熱解主要是揮發(fā)分的析出形成焦炭。在180～650℃的溫度區(qū)間的失重，是半纖維素、纖維素及木質(zhì)素的熱解的結(jié)果［8］。

圖1 N2氣氛下甘蔗渣熱解結(jié)果Fig.1 Results of bagasse pyrolysis under N2atmosphere

表2 N2氣氛下兩個(gè)失重峰峰值及對(duì)應(yīng)溫度Tab.2 Two weight loss peak and corresponding temperature under N2atmosphere

2.2 CO2氣氛下熱解

CO2氣氛下熱解的結(jié)果見圖2。從TG圖可以看出，在180℃以后，樣品開始失重明顯。750℃以前樣品的失重規(guī)律與N2氣氛下相似，但是750℃以后，CO2樣品又出現(xiàn)了明顯的失重段。

在CO2氣氛中，隨著升溫速率的升高，殘余質(zhì)量增大，熱解峰值增大，峰值對(duì)應(yīng)溫度也增大(見圖2及表3)，這與N2氣氛下不同升溫速率熱解規(guī)律相同。

圖2 CO2氣氛下甘蔗渣熱解結(jié)果Fig.2 Results of bagasse pyrolysis under CO2atmosphere

表3 CO2氣氛下3個(gè)失重峰峰值及對(duì)應(yīng)溫度Tab.3 Three weight loss peak and corresponding temperature under CO2atmosphere

2.3 N2及CO2氣氛下熱解對(duì)比

為了更好的了解甘蔗渣在N2及CO2氣氛下熱解的差異，選取了在30℃/min升溫速率時(shí)，兩種氣氛下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 N2及CO2氣氛下甘蔗渣熱解結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of bagasse pyrolysis under N2 and CO2 atmospheres

從圖3可以看出，樣品在750℃之前具有相似的失重規(guī)律，但是在750℃之后，CO2氣氛下的熱解由于焦炭與CO2發(fā)生了反應(yīng)，導(dǎo)致在750～1 000℃的區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生了明顯的失重。而N2氣氛下的熱解，在750℃之后樣品的殘余質(zhì)量幾乎維持不變。在CO2氣氛下的熱解，熱解殘余物中絕大部分是灰分，還有小部分未氣化完全的焦炭，而在N2氣氛下的熱解，殘余物中則為焦炭及灰分，焦炭的比例遠(yuǎn)大于灰分。從表2、表3可以看出，不同升溫速率條件下，樣品在兩種氣氛中熱解前兩個(gè)峰對(duì)應(yīng)的溫度差別很小，但是N2氣氛下的熱解的峰值較CO2下的峰值大，換言之，CO2可能對(duì)纖維素、半纖維素及木質(zhì)素的熱解有一定的抑制作用。

3 結(jié)論

本文用德國(guó)耐馳STA 409 PC Luxx同步熱分析儀對(duì)甘蔗渣在N2及CO2氣氛下的熱解進(jìn)行了研究，結(jié)論如下:

(1)隨著升溫速率的增大，殘余質(zhì)量增大，熱解峰值增大，峰值對(duì)應(yīng)溫度也增大。

(2)在N2氣氛下，熱解主要集中在180～650℃之間，主要是半纖維素、纖維素及木質(zhì)素的熱解。而在CO2氣氛下，除了低溫段的半纖維素、纖維素及木質(zhì)素的熱解，在750℃之后，揮發(fā)分析出產(chǎn)生的焦炭與CO2發(fā)生氣化反應(yīng)，導(dǎo)致樣品在高溫段有一個(gè)明顯的失重過程。

(3)在N2及CO2氣氛下，樣品熱解時(shí)前兩個(gè)失重峰對(duì)應(yīng)的溫度差別很小，但是N2氣氛下的熱解峰值較CO2下的峰值大，換言之，CO2可能對(duì)纖維素、半纖維素及木質(zhì)素的熱解有一定的抑制作用。

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