內(nèi)蒙古主要農(nóng)作物秸稈燃燒動(dòng)力學(xué)分析

　　提要:農(nóng)業(yè)秸稈丟棄和田間焚燒不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)引起農(nóng)業(yè)火災(zāi)。文中以內(nèi)蒙古自治區(qū)典型農(nóng)作物秸稈為研究對(duì)象進(jìn)行熱重分析得出其熱解過程，為秸稈焚燒治理提供依據(jù)，減少農(nóng)業(yè)火災(zāi)。運(yùn)用熱重分析法，對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)13個(gè)盟市的葵花秸稈及玉米秸稈進(jìn)行熱失重行為研究，使用TG－DTG曲線分析樣品的熱解過程，運(yùn)用Coats－Ｒedfern(CＲ)法對(duì)樣品的快速熱解階段進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，綜合熱解特性指數(shù)P對(duì)樣品的熱解特性進(jìn)行全面評(píng)價(jià);通過活化能、著火溫度與熱解特性指數(shù)綜合分析研究各樣品的燃燒性能，評(píng)價(jià)各樣品的抗火性。通過一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型Coats－Ｒedfem積分法求出樣品在快速熱解階段時(shí)的活化能(E)、頻率因子(A)和相關(guān)系數(shù)Ｒ，結(jié)合對(duì)熱穩(wěn)定性，著火溫度和熱分解特性指標(biāo)的綜合分析，選擇鄂托克前旗、五原縣、科爾沁左翼后旗的葵花秸稈，托克托縣、科爾沁左翼后旗、敖漢旗玉米秸稈為抗火性秸稈大面積種植，從而避免農(nóng)作物火災(zāi)發(fā)生、防止火勢(shì)蔓延及控制著火源。

　　關(guān)鍵詞:熱重分析;熱解特性;生物質(zhì)燃燒;抗火性

　　是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，2017年秸稈理論資源總量已達(dá)1．02×109t［1］。每年接近2×108t的秸稈未被合理利用和回收，導(dǎo)致秸稈資源浪費(fèi)，大量焚燒影響空氣環(huán)境質(zhì)量［2－3］，還存在安全隱患［4］。充分認(rèn)識(shí)秸稈生物質(zhì)熱解過程，可為減少農(nóng)作物火災(zāi)提供依據(jù)，因此對(duì)秸稈熱解動(dòng)力學(xué)研究尤為重要［5］。目前，在生物質(zhì)能源化利用中生物質(zhì)熱解技術(shù)尤為廣泛。

　　1研究區(qū)概況與研究方法

　　1．1研究區(qū)概況

　　內(nèi)蒙古自治區(qū)(37°24'－53°23'N，97°12'－126°04'E，總面積1．183×107km2)從東北向西南傾斜，氣候主要為溫帶大陸性季風(fēng)氣候。它的特點(diǎn)是風(fēng)大，降水量少而不勻，寒暑變化劇烈。1月是該地區(qū)最冷的月份，最低溫度是－26．1～－47．6°C，7月是最熱的月份，最高溫度是33．4～45．3°C。整個(gè)地區(qū)降水量的大幅度波動(dòng)和低覆蓋率是限制內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)的主要因素之一［10］。

　　1．2取樣方法

　　2018年以內(nèi)蒙古自治區(qū)典型兩種農(nóng)作物葵花、玉米秸稈為對(duì)象進(jìn)行采集，采集樣點(diǎn)為內(nèi)蒙古自治區(qū)13個(gè)盟市(見圖1)，其中，阿拉善左旗(136．9g葵花秸稈質(zhì)量/132．1g玉米秸稈質(zhì)量－后同)、烏海市(133．3g/138．8g)、巴彥淖爾五原縣(137．5g/133．8g)、包頭市(139g/133．8g)、鄂托克前旗(133．6g/131．9g)、呼和浩特市土默特左旗(135．4g/85．2g)及托克托縣(91．5g/95．5g)、察哈爾右翼中旗(133．4g/135g)、錫林浩特市(121．2g/131．7g)、赤峰市林西縣(119．2g/80g)及敖漢旗(133．9g/106．4g)、科爾沁左翼后旗(135．3g/117g)、烏蘭浩特市(132．4g/104．7g)，葵花、玉米秸稈樣品收集總量分別為1682．6g、1525．9．4g，秸稈樣品制備方法利用剪切工具進(jìn)行剪短處理，原料自然風(fēng)干后裝進(jìn)檔案袋帶回實(shí)驗(yàn)室，室溫保存。

　　2結(jié)果與分析

　　2．1農(nóng)作物秸稈熱重測(cè)定結(jié)果與分析

　　圖1研究區(qū)采樣點(diǎn)位置圖Figure1Locationofsamplingpointsinthestudyarea根據(jù)TG曲線上的熱失重臺(tái)階和DTG曲線上的熱失重峰，第一階段為脫水干燥階段(室溫－250°C)。此階段主要是秸稈表面水的脫除，在TG曲線中，表現(xiàn)為曲線平穩(wěn)下降，兩種秸稈最大失重峰出現(xiàn)在114°C－133°C，失重范圍約為2%－6%。第二階段為揮發(fā)分釋放階段(250－380°C)，由圖2知，隨著溫度的逐漸升高，此階段秸稈的失重率達(dá)到60%－70%;由圖3知，最大失重速度溫度范圍為320°C－370．5°C。葵花、玉米秸稈分別在320°C、343°C有最大失重峰，失重速率先增大后逐漸減小。秸稈中半纖維素、纖維素、部分木質(zhì)素?zé)峤?，以揮發(fā)分形式析出后與氧氣接觸燃燒［15］。

　　2．2秸稈樣品熱解動(dòng)力學(xué)分析

　　秸稈樣品熱失重分為四個(gè)階段，由于揮發(fā)釋放階段和固定碳燃燒階段是可燃物質(zhì)著火階段，因此在本研究中選擇這兩個(gè)階段進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。將公式(1)、(2)應(yīng)用于所得的溫度范圍，以計(jì)算樣品的熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)及熱解特性指數(shù)(見表1)。從表1中的相關(guān)系數(shù)Ｒ可以看出，擬合方程具有良好的線性關(guān)系。因此，Coats－Ｒedfern積分法可以用于描述樣品在空氣氣氛中的熱解行為［16］。從Arrhenius公式可知，反應(yīng)活化能(E)和頻率因子(A)是影響熱解反應(yīng)速率的2個(gè)重要參數(shù)，活化能表示反應(yīng)過程的難易程度，也可以反映樣品的熱穩(wěn)定性，活化能越高，反應(yīng)所需的能量就越多，反應(yīng)越困難;反之，熱解特性指數(shù)P越大，樣品的熱解越容易，結(jié)果如表1。

　　3討論

　　(1)生物質(zhì)的主要組分為綜纖維素和木質(zhì)素［9］。大部分學(xué)者認(rèn)為DTG曲線的峰分離取決于半纖維素和纖維素成分的含量［15］。若半纖維素組分含量較纖維素高則會(huì)出現(xiàn)明顯的肩峰，反之不會(huì)出現(xiàn)明顯肩峰。在揮發(fā)分釋放階段和固定碳燃燒階段，林西縣、敖漢旗、烏蘭浩特市、包頭市、土默特左旗、錫林浩特市、托克托縣、五原縣、科爾沁左翼后旗的葵花秸稈出現(xiàn)了2個(gè)不同分離程度的峰;敖漢旗、包頭市、土默特左旗、托克托縣、察哈爾右翼中旗、烏海市、錫林浩特市的玉米秸稈出現(xiàn)了2個(gè)不同分離程度的峰;其余盟市DTG曲線只看到1個(gè)明顯波峰，主要是由于半纖維素和纖維素分解溫度略有差異且半纖維含量較低，導(dǎo)致半纖維素和纖維素兩者的DTG峰重疊，且隨著溫度的升高，樣品燃燒加快，導(dǎo)致在快速熱解階段DTG曲線急劇下滑，從而呈現(xiàn)出1個(gè)范圍較窄且失重速率較大的波峰。

　　(2)根據(jù)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和著火溫度數(shù)據(jù)，鄂托克前旗的葵花活化能最高，熱解所需的能量較高，且熱解特性指數(shù)P較小，P值越小燃燒越困難;五原縣的葵花活化能低于鄂托克前旗，熱解特性指數(shù)P小;科爾沁左翼后旗的活化能低于五原縣，熱解特性指數(shù)P小。綜上結(jié)合樣品的TG和DTG曲線，13個(gè)盟市葵花秸稈的抗火性排序?yàn)?鄂托克前旗＞五原縣＞科爾沁左翼后旗＞土默特左旗＞托克托縣＞包頭市＞烏蘭浩特市＞錫林浩特市＞阿拉善左旗＞察哈爾右翼中旗＞烏海市＞林西縣＞敖漢旗。托克托縣的玉米活化能最高，熱解需要的能量也較高，且熱解特性指數(shù)P最小;敖漢旗的玉米活化能低于托克托縣，熱解特性指數(shù)P較小;鄂托克前旗的玉米活化能低于敖漢旗，熱解特性指數(shù)較小。綜上結(jié)合樣品的TG和DTG曲線，玉米秸稈的抗火性為:托克托縣＞科爾沁左翼后旗＞敖漢旗＞鄂托克前旗＞土默特左旗＞五原縣＞錫林浩特市＞包頭市＞烏海市＞阿拉善左旗＞林西縣＞察哈爾右翼中旗＞烏蘭浩特市?？蛇x取五原縣、科爾沁左翼后旗、鄂托克前旗的葵花秸稈和托克托縣、科爾沁左翼后旗、敖漢旗的玉米秸稈為強(qiáng)抗火性秸稈且可以大面積種植，從而避免農(nóng)作物火災(zāi)發(fā)生、防止火勢(shì)蔓延及控制著火源。

　　4結(jié)論

　　(1)綜合葵花、玉米秸稈熱重曲線分析可知，脫水干燥階段最大失重峰出現(xiàn)在114°C－133°C，失重范圍約為2%－6%。揮發(fā)分釋放階段失重率達(dá)到60%－70%;最大失重速度溫度范圍為320°C－370．5°C。固定碳燃燒階段DTG曲線出現(xiàn)窄且尖的峰值，相對(duì)不平滑。燃盡階段葵花秸稈、玉米秸稈分別在587°C、547°C時(shí)失重速率基本不變，說明固定碳燃燒已結(jié)束。

　　(2)根據(jù)Coasts－Ｒedfern模型和動(dòng)力學(xué)方程，通過對(duì)熱穩(wěn)定性、著火溫度與熱解特性指數(shù)綜合分析，選取五原縣、科爾沁左翼后旗、鄂托克前旗的葵花秸稈和托克托縣、科爾沁左翼后旗、敖漢旗的玉米秸稈為強(qiáng)抗火性秸稈，可以大面積種植從而避免農(nóng)作物火災(zāi)發(fā)生。

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　　張恒，周昱彤，李昂

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