内蒙古主要农作物秸秆燃烧动力学分析

　　提要:农业秸秆丢弃和田间焚烧不仅浪费资源，还会引起农业火灾。文中以内蒙古自治区典型农作物秸秆为研究对象进行热重分析得出其热解过程，为秸秆焚烧治理提供依据，减少农业火灾。运用热重分析法，对内蒙古自治区13个盟市的葵花秸秆及玉米秸秆进行热失重行为研究，使用TG－DTG曲线分析样品的热解过程，运用Coats－Ｒedfern(CＲ)法对样品的快速热解阶段进行动力学分析，综合热解特性指数P对样品的热解特性进行全面评价;通过活化能、着火温度与热解特性指数综合分析研究各样品的燃烧性能，评价各样品的抗火性。通过一级反应动力学模型Coats－Ｒedfem积分法求出样品在快速热解阶段时的活化能(E)、频率因子(A)和相关系数Ｒ，结合对热稳定性，着火温度和热分解特性指标的综合分析，选择鄂托克前旗、五原县、科尔沁左翼后旗的葵花秸秆，托克托县、科尔沁左翼后旗、敖汉旗玉米秸秆为抗火性秸秆大面积种植，从而避免农作物火灾发生、防止火势蔓延及控制着火源。

　　关键词:热重分析;热解特性;生物质燃烧;抗火性

　　是一个农业大国，2017年秸秆理论资源总量已达1．02×109t［1］。每年接近2×108t的秸秆未被合理利用和回收，导致秸秆资源浪费，大量焚烧影响空气环境质量［2－3］，还存在安全隐患［4］。充分认识秸秆生物质热解过程，可为减少农作物火灾提供依据，因此对秸秆热解动力学研究尤为重要［5］。目前，在生物质能源化利用中生物质热解技术尤为广泛。

　　1研究区概况与研究方法

　　1．1研究区概况

　　内蒙古自治区(37°24'－53°23'N，97°12'－126°04'E，总面积1．183×107km2)从东北向西南倾斜，气候主要为温带大陆性季风气候。它的特点是风大，降水量少而不匀，寒暑变化剧烈。1月是该地区最冷的月份，最低温度是－26．1～－47．6°C，7月是最热的月份，最高温度是33．4～45．3°C。整个地区降水量的大幅度波动和低覆盖率是限制内蒙古农业和畜牧业生产的主要因素之一［10］。

　　1．2取样方法

　　2018年以内蒙古自治区典型两种农作物葵花、玉米秸秆为对象进行采集，采集样点为内蒙古自治区13个盟市(见图1)，其中，阿拉善左旗(136．9g葵花秸秆质量/132．1g玉米秸秆质量－后同)、乌海市(133．3g/138．8g)、巴彦淖尔五原县(137．5g/133．8g)、包头市(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)及托克托县(91．5g/95．5g)、察哈尔右翼中旗(133．4g/135g)、锡林浩特市(121．2g/131．7g)、赤峰市林西县(119．2g/80g)及敖汉旗(133．9g/106．4g)、科尔沁左翼后旗(135．3g/117g)、乌兰浩特市(132．4g/104．7g)，葵花、玉米秸秆样品收集总量分别为1682．6g、1525．9．4g，秸秆样品制备方法利用剪切工具进行剪短处理，原料自然风干后装进档案袋带回实验室，室温保存。

　　2结果与分析

　　2．1农作物秸秆热重测定结果与分析

　　图1研究区采样点位置图Figure1Locationofsamplingpointsinthestudyarea根据TG曲线上的热失重台阶和DTG曲线上的热失重峰，第一阶段为脱水干燥阶段(室温－250°C)。此阶段主要是秸秆表面水的脱除，在TG曲线中，表现为曲线平稳下降，两种秸秆最大失重峰出现在114°C－133°C，失重范围约为2%－6%。第二阶段为挥发分释放阶段(250－380°C)，由图2知，随着温度的逐渐升高，此阶段秸秆的失重率达到60%－70%;由图3知，最大失重速度温度范围为320°C－370．5°C。葵花、玉米秸秆分别在320°C、343°C有最大失重峰，失重速率先增大后逐渐减小。秸秆中半纤维素、纤维素、部分木质素热解，以挥发分形式析出后与氧气接触燃烧［15］。

　　2．2秸秆样品热解动力学分析

　　秸秆样品热失重分为四个阶段，由于挥发释放阶段和固定碳燃烧阶段是可燃物质着火阶段，因此在本研究中选择这两个阶段进行动力学分析。将公式(1)、(2)应用于所得的温度范围，以计算样品的热解动力学参数及热解特性指数(见表1)。从表1中的相关系数Ｒ可以看出，拟合方程具有良好的线性关系。因此，Coats－Ｒedfern积分法可以用于描述样品在空气气氛中的热解行为［16］。从Arrhenius公式可知，反应活化能(E)和频率因子(A)是影响热解反应速率的2个重要参数，活化能表示反应过程的难易程度，也可以反映样品的热稳定性，活化能越高，反应所需的能量就越多，反应越困难;反之，热解特性指数P越大，样品的热解越容易，结果如表1。

　　3讨论

　　(1)生物质的主要组分为综纤维素和木质素［9］。大部分学者认为DTG曲线的峰分离取决于半纤维素和纤维素成分的含量［15］。若半纤维素组分含量较纤维素高则会出现明显的肩峰，反之不会出现明显肩峰。在挥发分释放阶段和固定碳燃烧阶段，林西县、敖汉旗、乌兰浩特市、包头市、土默特左旗、锡林浩特市、托克托县、五原县、科尔沁左翼后旗的葵花秸秆出现了2个不同分离程度的峰;敖汉旗、包头市、土默特左旗、托克托县、察哈尔右翼中旗、乌海市、锡林浩特市的玉米秸秆出现了2个不同分离程度的峰;其余盟市DTG曲线只看到1个明显波峰，主要是由于半纤维素和纤维素分解温度略有差异且半纤维含量较低，导致半纤维素和纤维素两者的DTG峰重叠，且随着温度的升高，样品燃烧加快，导致在快速热解阶段DTG曲线急剧下滑，从而呈现出1个范围较窄且失重速率较大的波峰。

　　(2)根据动力学参数和着火温度数据，鄂托克前旗的葵花活化能最高，热解所需的能量较高，且热解特性指数P较小，P值越小燃烧越困难;五原县的葵花活化能低于鄂托克前旗，热解特性指数P小;科尔沁左翼后旗的活化能低于五原县，热解特性指数P小。综上结合样品的TG和DTG曲线，13个盟市葵花秸秆的抗火性排序为:鄂托克前旗＞五原县＞科尔沁左翼后旗＞土默特左旗＞托克托县＞包头市＞乌兰浩特市＞锡林浩特市＞阿拉善左旗＞察哈尔右翼中旗＞乌海市＞林西县＞敖汉旗。托克托县的玉米活化能最高，热解需要的能量也较高，且热解特性指数P最小;敖汉旗的玉米活化能低于托克托县，热解特性指数P较小;鄂托克前旗的玉米活化能低于敖汉旗，热解特性指数较小。综上结合样品的TG和DTG曲线，玉米秸秆的抗火性为:托克托县＞科尔沁左翼后旗＞敖汉旗＞鄂托克前旗＞土默特左旗＞五原县＞锡林浩特市＞包头市＞乌海市＞阿拉善左旗＞林西县＞察哈尔右翼中旗＞乌兰浩特市。可选取五原县、科尔沁左翼后旗、鄂托克前旗的葵花秸秆和托克托县、科尔沁左翼后旗、敖汉旗的玉米秸秆为强抗火性秸秆且可以大面积种植，从而避免农作物火灾发生、防止火势蔓延及控制着火源。

　　4结论

　　(1)综合葵花、玉米秸秆热重曲线分析可知，脱水干燥阶段最大失重峰出现在114°C－133°C，失重范围约为2%－6%。挥发分释放阶段失重率达到60%－70%;最大失重速度温度范围为320°C－370．5°C。固定碳燃烧阶段DTG曲线出现窄且尖的峰值，相对不平滑。燃尽阶段葵花秸秆、玉米秸秆分别在587°C、547°C时失重速率基本不变，说明固定碳燃烧已结束。

　　(2)根据Coasts－Ｒedfern模型和动力学方程，通过对热稳定性、着火温度与热解特性指数综合分析，选取五原县、科尔沁左翼后旗、鄂托克前旗的葵花秸秆和托克托县、科尔沁左翼后旗、敖汉旗的玉米秸秆为强抗火性秸秆，可以大面积种植从而避免农作物火灾发生。

　　参考文献

　　［1］石祖梁．秸秆资源化利用现状及对策建议［J］．世界环境，2018(5):16－18．

　　［2］CHENGZ，WANGS，FUX，etal．ImpactofbiomassburningonhazepollutionintheYangtzeＲiverdelta，China:Acasestudyinsummer2011［J］．AtmosphericChemistryandPhysics，2014，14(9):4573－4585．

　　［3］LIHY，HANZW，CHENGTT，etal．AgriculturalfireimpactsontheairqualityofShanghaiduringsummerharvesttime［J］．AerosolandAirQualityＲesearch，2010，10(2):95－101．

　　［4］梁武，聂英．农作物秸秆综合利用:国外经验与对策［J］．世界农业，2017(9):34－38．

　　［5］张素平．生物质制液体燃料的研究［D］．上海:华东理工大学，2002:8－9．

　　张恒，周昱彤，李昂

《内蒙古主要农作物秸秆燃烧动力学分析》

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