几种森林可燃物热解特性及动力学分析
几种森林可燃物热解特性及动力学分析
余子倩，辛 颖
（东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨150040）
摘 要：选取水曲柳树枝、水曲柳树叶及草本植物福王草，采用热重分析法探究可燃物、升温速率、粒径、气氛对热解特性的影响。采用Coats - Redfern积分法选取最佳机理函数建立动力学模型，获得活化能和指前因子。结果表明：三者热解过程主峰温度约220～400℃。可燃物、升温速率和气氛对热解过程有一定影响，粒径影响较小。氮气气氛下Valensi方程为最佳机理函数。热稳定性排序为：水曲柳树叶＞水曲柳树枝＞草本植物福王草。
关键词：森林可燃物；热重分析；动力学
中图分类号：X913.4, TK121, TQ351.2 文献标志码：A
文章编号：1009-0029(2017)01-0020-04
森林防火是我国减灾工程的重要构成部分，即运用科学技术的手段严格控制预防、发生、蔓延和扑救过程，最大限度地降低火灾对人类和自然的损失。目前相关研究主要集中于生物质热解内部能源利用方面，如纤维素、半纤维素和木质素的热重研究。生物质热解为影响森林火灾发生和蔓延的重要因素，笔者选取我国东北林区常见的森林可燃物———水曲柳树枝、水曲柳树叶及草本植物福王草，采用热重分析法显示热解过程和体系失重情况。通过Origin软件和Coats -Redfern积分方程获得表征生物质热解趋势的动力学特性的活化能E、指前因子A和机理函数，为生物质特性研究及森林火灾防治救援提供依据。
1 试样采集与试验设计
试验选用Q600型热重分析仪（SDT），自东北林业大学试验林场一次性采集水曲柳的树枝、树叶以及草本植物福王草等全部所需试样。经过一段时间，试样完全干燥后，采用CX-200型高速多功能粉碎机将试样粉碎，通过40、60、80目筛子分别筛取粒径大于0.45、0.30、0.20ｍｍ的试样。通过控制热天平温度，连续记录获得物质质量与温度关系的热重曲线，即TG曲线和质量随温度或时间的变化率与温度或时间关系的微分热重曲线即DTG曲线。为研究可燃物热解特性，将待测试验在100 mL／min的氮气气氛下，以20℃／min的升温速率，对质量约2～10 mg，粒径大于0.30 mm的水曲柳树枝、水曲柳树叶及草本植物福王草进行热解，直至800℃。重复试验以排除系统误差。
2 试验结果与分析
2．1 热解特性分析
3种可燃物的热解曲线，如图1所示。从TG曲线看，3种可燃物热解曲线趋势基本一致，仅各阶段初始和结束温度略有不同，当温度T＜T１（第一个峰顶温度）时为失水阶段，三者的曲线基本重合；当温度T２（临界温度）＜T＜T３（临界温度）时，3种试样均表现出不同程度的轻微失重。从DTG曲线看，温度在T３（临界温度）＜T＜T５（临界温度）时为急剧失重阶段，当3种可燃物达到峰值温度T４（第二个峰顶温度）时，草本植物福王草的峰值面积即参与热解的质量变化最大，失重速率约为9.001％／min。3种可燃物的燃烧速度、燃烧性能为：草本植物福王草＞水曲柳树枝＞水曲柳树叶；当温度T＞T５时为炭化阶段，3种试样质量变化趋于平缓，热解后坩埚内残留少量炭化物。
2. 2 升温速率对热解影响分析
不同升温速率下水曲柳树叶的TG－DTG曲线，如图2所示。从TG曲线可以看出，不同升温速率下水曲柳树叶热解过程仍分为失水、轻微失重、急剧失重和炭化4个阶段，随着升温速率升高，水曲柳树叶TG曲线呈逐渐波动状态。从DTG曲线可以看出，升温速率升高使试样外部、内部存在温度梯度导致反应滞后，即在较高升温速率下，水曲柳树叶需要更高的温度才能达到与低升温速率下相同的失重比例。因此，随着升温速率升高，DTG 曲线失重过程朝高温方向偏移，失重速率峰值和临界温度也随之增高。
2 . 3 粒径对热解影响分析
不同粒径水曲柳树叶的TG－DTG曲线（升温速率20℃／min），如图3所示。水曲柳树叶在不同粒径下热解TG－DTG曲线基本一致。随着水曲柳树叶粒径的增大，DTG曲线的主峰面积略变宽，质量损失区间略向高温方向移动，热失重率略微减小，反应后固体残留物略多一些，即粒径对热解的影响很小。
2．4 气氛对热解影响分析
升温速率为20℃／min时，不同气氛下草本植物福王草的TG－DTG曲线，如图4所示。从TG曲线看，在失水、轻微失重阶段，草本植物福王草在空气和氮气气氛下的曲线趋势基本一致，影响主要体现在急剧失重阶段。从DTG曲线看，当温度T３＜T＜T５时，草本植物福王草在空气气氛下主峰面积变高、热解区间变大。草本植物福王草的在空气气氛下进入剧烈失重阶段明显快于氮气气氛，且失重速率较氮气气氛更快、失重率更大；温度T＞T５时，热解过程基本结束，产物成分较稳定，失重速率较小，试样失重率较少，热效应不明显。
3 动力学分析
3．1 热解动力学模型
根据Coats -Redfern积分方程（如式（1）所示），采用表1所示的4种常见函数，利用Origin 8.0对热解曲线上主峰区间作线性回归分析，取标准差
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