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劉瑞芝
摘要：通過對秸稈進行熱分析與傅立葉紅外光譜方面的研究，分析了秸稈的燃燒放熱機理以及燃燒過程中釋放的氣體種類，并在燃燒特性方面與煤進行了對比。結果表明：秸稈在燃燒中共有兩段明顯的放熱，第一階段從255℃放熱開始至307℃結束，釋放的氣體有CO2、CO、烷烴、烯烴等；第二階段從403℃開始至443℃結束，有CO2和少量的CO放出，放熱大部分集中在第一階段。通過與某煙煤對比分析可知，秸稈的燃盡度較高，活性較好，熱值為一般煙煤的一半之多，并且高溫燃燒時釋放出的氣體對環境污染較小，在水泥窯中是一種較好的可替代燃料。
1引言
據統計，全世界每年農村生物質的產量為300億噸，生物質能在世界能源消耗中僅次于石油、煤炭及天然氣等化石能源，居第四，約占14％。我國生物質資源十分豐富，僅農作物秸稈的年產量便有7億噸以上，折合標準煤約3．5億噸。秸稈是一種低碳燃料，其含硫量、含灰量均低于目前大量使用的煤炭，對大氣、環境質量的影響較低，是一種較為“清潔”的可再生能源。許多國家已經利用生物質秸稈發電，而水泥窯的燃燒溫度較高，對秸稈的充分燃燒提供了較好的條件。因此，充分利用秸稈燃料，對于減少溫室氣體排放，改善環境質量具有重要意義。
如何有效利用生物質秸稈資源，已經成為國內外眾多學者研究的熱點課題之一[1～6]，本文通過熱紅聯用試驗對秸稈進行了熱分析與傅立葉紅外光譜方面的研究，通過與某煙煤對比分析可知，秸稈的燃盡度較高，活性較好，熱值為一般煙煤的一半之多，并且高溫燃燒時釋放出的氣體對環境污染較小，在水泥窯中是一種較好的可替代燃料。
2秸稈的燃燒特性試驗
2．1秸稈的熱分析試驗
本文采用的試驗樣品為天津附近郊區的廢棄物農作物秸稈。秸稈經自然風干后粉碎至粒徑為200μm作為試驗樣品。表1為秸稈與某煙煤A的空氣干燥基的工業分析，表2為秸稈空氣干燥基的元素分析。
從表1與表2可以看出，秸稈的水分和煙煤A的差不多，而揮發分含量比煙煤A高得多，達到68．8％，而灰分則比煙煤A低，只有10．7％，這說明秸稈很容易燃燒；而秸稈的硫含量不高，為0．15％，可以推斷燃燒時放出的硫化物較少，對空氣的污染也較小。為進一步探討秸稈的燃燒特性，先對其進行熱分析試驗，以下為試驗條件：
熱分析儀器：NETZSCHSTA409PC
氣體種類及流速：O213ml／min；吹掃N2：40ml／min；
保護N2：10ml／min
樣品稱重：20mg左右；試驗溫度：室溫～700℃
升溫速率：5．1K／min
熱分析儀器可以在高溫條件下對樣品進行TG（Thermal Gravity）、DTG(Differential Thermal Gravity)、DSC(Differential Scanning Calorimeter)等的檢測，將試驗樣品置于坩堝中,通入氮氣和氧氣，加熱到700℃（多次試驗證明700℃時秸稈已經燃燒完全）。圖1為秸稈在空氣中加熱到700℃時的熱分析曲線。
從圖1的失重曲線可以看出，秸稈共有三段明顯的失重曲線，第一段為在空氣中失水，失重率為4．21％,這和空氣干燥基測得的水分相似；第二段為一種有機物在燃燒，這部分有機物占了絕大部分，失重率為68．79％；第三段為固定碳在燃燒，這部分占16．27％，可見秸稈與煤相比為低碳燃料。秸稈燃燒后留下的灰分大約為10％，這部分灰分主要成分為碳酸鉀，是植物根系從土壤中吸收的礦物質。
從圖1的熱分析曲線還可以看出，秸稈共有兩段明顯的放熱：第一階段從255℃放熱開始至307℃結束，第二階段從403℃開始至443℃結束，兩段放熱量總計為7886J／g，這說明秸稈開始放熱的溫度不是很高，比較容易點燃，這也是由于秸稈的有機物含量較高的原因。而它的發熱量同比一般煙煤的發熱量要少，第一段放熱占總放熱量的絕大部分，并且此段燃燒起來要猛烈、迅速。為了與煤的熱分析進行詳細對比，圖2是某煙煤A的熱分析曲線圖，表3是秸稈與煙煤A的熱分析參數對比。
從圖2與表3中可以看出：秸稈的總失重為83．73％，比煙煤A的失重量69．52％要多，這說明秸稈的燃盡度比煙煤A的高，這是因為秸稈的主要成分為纖維素、半纖維素、木質素等，比較容易燃盡；煙煤A的放熱主要由揮發分與固定碳兩部分組成，而秸稈的放熱也是由兩部分組成。它們的放熱起始溫度差不多，而放熱結束溫度秸稈要比煙煤A提前78℃，這說明秸稈的活性和煙煤A差不多；從放熱量來看，秸稈的放熱量要少于煙煤A的不到一半，這里所說的放熱量指熱分析儀器直接測定的放熱量，由于試驗過程中坩堝是開口的，邊燃燒邊放熱至出口，所以要想求得相應的低位熱值必須用經驗公式求得。折合后的秸稈的低位熱值為15081kJ／kg，同比煤的低位熱值為一半之多。
所以，從秸稈的燃盡度、放熱起始溫度與終止溫度以及放熱量來看，秸稈在水泥窯中是一種較好的可替代燃料。
2．2秸稈的紅外試驗
為了探討秸稈燃燒時排放的氣體種類，在對秸稈做熱分析試驗的同時對其氣體排放特性也做了熱紅聯用試驗，也就是利用德國布魯克生產的傅立葉紅外光譜儀器對其排放的氣體進行了檢測分析，以下是其熱紅聯用實驗條件：
氣氛：空氣（O2：7ml／min，吹掃N2：20ml／min，保護N2：10ml／min）。
樣品：秸稈；質量：20mg左右。
溫度：室溫～700℃；升溫速率：5K／min。
紅外波譜范圍：600～4000cm－1；掃描次數：10；分辨率：8。
熱分析儀器：德國Netzsch STA409PC；紅外儀器：德國BRUKER TENSOR27。
熱紅聯用實驗意指熱分析儀器與紅外儀器相連接，在做熱分析試驗的同時對秸稈燃燒時排放的氣體進行在線監測，圖3是其燃燒時各個階段的氣體排放結果。
用紅外光譜圖識別氣體成分的原理為：每種氣體都有一特定的特征吸收峰，不同氣體對應的特征吸收峰不同，波數也不同。從特征吸收峰的形狀以及所在的波數位置就可以判定不同的氣體。圖3的橫坐標為波數（cm－1），縱坐標為吸收度。從圖3中可以看出，秸稈在第一階段也就是從255～307℃燃燒時，放出多種氣體，有CO、CO2、H2O、烷烴、烯烴等的混合物，其中1790cm－1波數的氣體成分不確定，有可能是芳烴泛頻峰、C＝O雙健強振動峰等。而第二階段燃燒時，即從403℃至443℃，由于溫度達到一定程度基本上只有CO2和極少量的CO放出。這是因為秸稈基本上是由碳、氫、氧、氮、硫等元素組成，其中含有一定量的水分，秸稈為低碳燃料，且硫含量一般為0．12％～0．18％。在低溫燃燒時由于沒有燃燒完全會有CO、烯烴、烷烴等氣體放出，從光譜圖看出硫化物放出很少，這和秸稈中的硫含量低有關系；而當溫度升高到一定程度即443℃以上時，就只有CO2和極少量的CO放出。這說明如果秸稈在水泥窯里燃燒，窯里的高溫足以使秸稈燃燒完全，秸稈放出的氣體對環境污染很小。
3結論
通過對天津郊區秸稈的熱分析及紅外試驗，可以得到以下結論：
（1）秸稈在燃燒過程中共有兩段明顯的放熱：第一階段從255℃放熱開始至307℃結束，第二階段從403℃開始至443℃結束，第一階段的放熱占總放熱量的絕大部分；
（2）秸稈的燃盡度較高，放熱起始溫度與終止溫度與煙煤類似，放熱量較一般煙煤有一半之多，在水泥窯中是一種較好的可替代燃料；（3）秸稈在高溫燃燒時只有CO2和極少量的CO放出，水泥窯里的高溫可以使秸稈燃燒完全，燃燒時釋放出的氣體對環境污染較小。
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