生物质燃料储存时自加热过程及其对燃料特性的影响

摘要

生物质燃料自燃是其生产、运输和储存过程中的重要灾害之一，是生物质燃料利用过程中需要重点关注的热安全性问题。众所周知，低温氧化是生物质燃料储存过程中自加热及自燃的主要机理之一，研究低温氧化特性有助于为生物质燃料自加热过程的描述、自燃的预报和有效防治提供理论依据。因此，论文研究主要采用自行设计的杜瓦瓶绝热自加热反应装置，通过控制水分含量和颗粒尺寸，研究稻草秸秆和稻壳两种生物质燃料在室温下储存时的自加热过程特性。然后以工业分析、量热分析和热重分析（TGA）等基础特性分析方法和漫反射傅立叶变换红外光谱分析方法（DRIFTS）、pH测试作为辅助手段，综合分析生物质燃料储存前后样品的组成及物理化学特性、燃烧特性的差异和表面官能团结构的演变，通过系统的比较探索储存时自加热对生物质燃料特性的影响。 自加热实验研究结果表明，稻草秸秆和稻壳在不同初始条件下储存时，样品内部都发生了明显的自加热过程，总体可以分为诱导期、温度上升期、温度下降平稳期三个阶段。颗粒尺寸相同时，当水分含量由40%逐渐增加至70%时，自加热开始的诱导时间逐渐缩短，自加热速率逐渐加快，样品内部温升也逐渐增加；水分含量相同时，颗粒尺寸越小，自加热速率越快，自加热达到的峰值温度越高，样品内部温升越明显，但是诱导时间却更长。在相同条件下储存时，稻壳样品内部温升明显低于稻草，说明在同等条件下稻壳的热稳定性要明显高于稻草秸秆。 燃料特性分析结果表明，自加热实验后，样品的水分和灰分含量都有不同程度的增加，且随初始储存水分含量增加，增幅越明显，说明生物质燃料储存时内部自加热过程消耗了部分易于降解的物质，生成了水和二氧化碳等物质。同时非等温TGA结果表明，对于稻草秸秆和稻壳，自加热反应后样品的氧化性明显低于原样，这表明自加热过程造成了易降解物质的消耗，引起一定的干物质和能量损失。对于稻草秸秆，干物质损失和能量损失约在8.5-35.5%之间变化，而稻壳的干物质损失和能量损失略低，其值范围为3.8-13.5%。 DRIFTS分析结果表明，自加热实验后样品表面含氧和C-H官能团峰强度显著增强，其归属主要包括：-OH键、-CH、-CH2和-CH3键、-C=O（醛和酮等）、-C=O（酯等）和-COOH中的-C=O键，同时在1300-1110cm-1附近还有些许苯氧基结构中-C-O和-C-H键以及1100-1000cm-1附近有芳香醇和酯的产生。这表明稻草和稻壳储存过程中发生了明显的低温氧化过程，生成大量水、醛、酮、酸、醇等物质。同时自加热反应后，样品的pH值较反应前有明显的增加，也表明样品内部发生了显著的氧化反应及自加热过程。

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