褐煤与油菜秸秆结构及燃烧特性研究_付莹莹.pdf

137付莹莹等褐煤与油菜秸秆结构及燃烧特性研究第 2 期第 42 卷 第 2 期2023 年 4 月内蒙古工业大学学报（自然科学版）Journal of Inner Mongolia University of Technology（Natural Science Edition）Vol.42 No.2Apr.2023文章编号：1001-5167（2023）02-0137-06褐煤与油菜秸秆结构及燃烧特性研究付莹莹1,2，李雪梅1,2，武芳3，宋银敏1,2，智科端1,2，何润霞1,2（1.内蒙古工业大学 化工学院，呼和浩特 010051；2.内蒙古工业大学 内蒙古自治区低阶碳质资源高值功能化利用重点实验室，呼和浩特 010051；3.内蒙古化工职业学院，呼和浩特 010070）Study on the structure and combustion characteristics of lignite and rape strawFU Yingying1,2,LI Xuemei1,2,WU Fang3,SONG Yinmin1,2,ZHI Keduan1,2,HE Runxia1,2收稿日期：2022-08-31基金项目：内蒙古自治区自然科学基金项目(2019MS02025,2020MS02023)第一作者：付莹莹（1998），女，2020 级硕士研究生，主要从事煤化工理论研究。E-mail:通信作者：何润霞（1964），女，教授，主要从事煤化工理论研究。E-mail:(1.School of Chemical Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China;2.Inner Mongolia Key Laboratory of High-Value Functional Utilization of Low Rank Carbon Resources,Hohhot 010051,China;3.Inner Mongolia Vocational College of Chemical Engineering,Hohhot 010070,China)Abstract：The structural differences between Lignite and rape straw were analyzed by SEM,FT-IR,XRD,XPS analytical methods.The thermal stability and combustion reaction performance were investigated by thermogravimetric analysis,and the kinetic parameters in the combustion process were calculated.The results showed that the structure of lignite was irregular fragments,while the structure of rape straw was fibrous strip.Compared with lignite,rape straw had lower carbon content and higher oxygen content,and the contents of hydroxyl group,aliphatic group and carbon-oxygen bonding structure were higher than lignite,while the thermal stability was lower than lignite.There was an obvious weight loss zone in the combustion reaction process of lignite,while rape straw had two obvious weight loss zones,and the temperatures corresponding to the maximum combustion reaction rates were 106 C earlier and 27 C later than that of lignite,respectively.The ignition temperature and burnout temperature of rape straw were lower than those of lignite,while the activation energy in the combustion process was higher than that of lignite,and the frequency factor was much higher than that of lignite.Key words：Shengli lignite;rape straw;structure;combustion reaction performance;kinetics 摘 要：以褐煤和油菜秸秆为研究对象，通过 SEM、FT-IR、XRD、XPS 等表征手段分析了二者的结构差异，利用热重分析技术考察了二者的热稳定性和燃烧反应性能，并对其燃烧过程的动力学参数进行了计算。研究结果表明：褐煤呈不规则碎块状结构，而油菜秸秆呈纤维长条状结构；与褐煤相比，油菜秸秆的碳含量低而氧含量高，且羟基、脂肪族基团及碳氧键合结构的含量均高于褐煤，而热稳定性低于褐煤；褐煤在燃烧反应过程中有一个明显的失重温区，而油菜秸秆有两个明显的失重温区，且其最大燃烧反应速率对应的温度分别较褐煤提前 106 和滞后 27；油菜秸秆的起燃温度、燃尽温度均低于褐煤，而燃烧过程的活化能高于褐煤，且频率因子远高于褐煤。关键词：胜利褐煤；油菜秸秆；结构；燃烧反应性能；动力学中图分类号：TQ 53 文献标志码：A 煤炭在我国能源消费结构中依然占有较大比重，其作为我国基础性能源之一，对保障国家经济与社会的发展做出了重要贡献，但是煤炭利用带来的环境问题同样不可忽视1-2。随着“调结构、转方式”以及节能减排的进行3，可再生清洁能源的发展与利用成为近年来的重点研究问题2。在众多清洁能源中，生物质能由于其产量丰富、分布广泛、可再生以及碳循环等特点而受到越来越广泛的关DOI:10.13785/ki.nmggydxxbzrkxb.2023.02.004138内蒙古工业大学学报（自然科学版）2023 年注4。农作物秸秆作为生物质能的主要来源之一，促进其能源化利用具有实际意义5。目前关于生物质能源化的利用已经进行了较多研究。如付文轩6通过探究升温速率对辣椒杆的燃烧性能及其成分析出的影响，分析其作为燃料的可行性。王华山等7通过热重分析考察了生物质类型、水洗温度等因素对燃烧性能的影响，其结果为生物质的发电应用提供了理论基础。XIN S Z 等8对中草药废弃物在不同温度、不同气氛下进行了烘焙处理，研究其烘焙后样品的理化性质和燃烧行为，结果表明，烘焙后的中草药废弃物易于着火，具有良好的燃烧特性，其综合燃烧指数比原始样品提高了35 倍。在煤和生物质的相关研究中，FINNEY K N等9通过电感耦合等离子体发射光谱法对煤和生物质燃烧过程中的碱金属、过渡金属以及其他微量物种的气溶胶进行了比较，结果表明，与煤相比，生物质中只有钾具有较高的气溶胶浓度，而煤中铁、铝和钙等气溶胶浓度均较高。WANG C A 等10对多种农业类生物质和高碱煤等高碱固体燃料的化学性质进行了对比研究，结果表明，几乎所有农业生物质的燃料比(FCdaf/Vdaf)都在 0.150.30 范围内，比准东煤低一个数量级。大多数生物质的含硫量较煤低，且对于同种类型的生物质，不同生物质的灰分组成具有多样性。MUREDDU M 等11采用热重分析仪(TGA)对多种煤和生物质分别进行了空气、氧气气氛条件下的燃烧实验，结果表明，生物质的总失重均高于煤，且氧气气氛下二者的燃烧速率均较空气气氛高，燃烧时间均缩短。马爱玲12对生物质与煤共燃烧的动力学行为进行了分析，表明煤燃烧需要的活化能较生物质高，随煤样中固定碳含量的增加，共混物在固定碳燃烧阶段的活化能增大，且共混物各个阶段的燃烧活化能均较原煤小。上述文献虽然对煤和生物质的燃烧特性进行了研究，但是关于二者的结构差异及其对燃烧特性的影响研究是必要的，该结果可为煤和生物质的高效利用提供一定的理论基础，因此本文选取胜利褐煤和油菜秸秆作为研究对象，通过多种表征方式分析对比二者的结构差异，并考察其热稳定性及燃烧反应性能的变化，同时对燃烧过程的动力学进行分析。1 实验部分1.1 样品的选取和制备实验选用的煤种为内蒙古自治区的胜利褐煤(SL)，生物质为江苏省的油菜秸秆(RS)。将收到的胜利褐煤和油菜秸秆破碎筛分至 200400 目，在 105 下干燥后密封备用。样品的工业分析如表 1 所示，相比于油菜秸秆，褐煤中的固定碳和灰分含量较高，其中灰分含量较油菜秸秆高 39.1%，固定碳含量较油菜秸秆高 63.7%，而油菜秸秆中水分含量高于褐煤，挥发分含量比褐煤高 43.9%。通过恒久 HCT-4 型热重分析仪对样品进行热稳定性和燃烧反应性能测试，实验条件如下：氮气(空气)气氛，气体流量 100 mL/min，升温速率10 /min，从室温升至 800。通过 TG-DTG 法13-14分析曲线得到样品的燃烧反应参数 Ti(着火温度)、Tp(最大燃烧速率对应的温度)以及 S(综合燃烧特性指数)。综合燃烧特性指数 S 越大，其综合燃烧性能越好，计算公式15-16如下所示：式中：(dw/dt)max为最大失重率，%min-1；(dw/dt)mean为平均失重率，%/min；Ti为着火温度，；Tb为燃尽温度，。1.2 动力学分析采用 Coats-Redfern 积分法7,17-18对褐煤和油菜秸秆燃烧过程中的动力学参数进行计算，反应动力学方程如下：式中：A 为频率因子，min-1；为升温速率，k/min；E为活化能，kJ/mol；R为气体常数，R=8.314 J/(molK)；T 为温度，K；为转化率。为方便计算与分析，将样品的燃烧反应定义为一级反应，取 n=1，对式(2)进行积分可得到下式：(3)以()1lnln2T-为纵坐标，1/T为横坐标作图，对其进行拟合得出直线的斜率和截距，进一步计算样品MadAdVdafFCdafSL3.2012.8244.9355.07RS7.027.8180.0219.98表 1 SL 和 RS 的工业分析Table 1 The proximate analysis of SL and RS()()bimeanTTdtdwdtdwS2max=nRTEAdTd)1)(exp(-=RTEEART-=-ln)1ln(ln2%(1)(2)139付莹莹等褐煤与油菜秸秆结构及燃烧特性研究第 2 期可得反应的活化能 E 和频率因子 A。1.3 样品的表征通过扫描电子显微镜-能谱(SEM-EDS)分析仪(日本 Hitachi，S-3400 型)测定样品的显微形貌。红外光谱(FT-IR)测试通过红外光谱仪(美国Nexus6700 型)进行。通过日本 Rigaku MiniFlex 600 型仪器进行 X 射线衍射(XRD)测试。由美国Thermo Fisher 公司(PHI-5400 型)X 射线光电子分析仪进行 X 射线光电子能谱(XPS)测试。2 结果与讨论2.1 SEM 分析图 1 为褐煤和油菜秸秆的 SEM 图。由图 1 可见，褐煤为不规则的碎块状结构，结构表面空隙较多，其中煤颗粒间隙呈现出的白色亮点为煤中的矿物质19，而油菜秸秆呈纤维长条状结构，有明显的植物筛管，结构紧密，纤维层片薄且表面含有絮状物质。2.2 FT-IR