何明會，陳洪粉，阮兵，劉東陽，羅蘇麗

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽550025）

　　摘要：采用熱重分析方法，以氮氣為載氣對不同粒徑煙梗、煙桿和玉米秸稈等生物質(zhì)進(jìn)行不同升溫速率下的熱解實驗，分析出煙梗在不同條件下的失重情況，并與煙桿和玉米秸稈進(jìn)行對比分析。研究顯示：煙梗熱解主要由水分析出，低沸點化合物析出，半纖維素、纖維素?zé)峤馕龀鰮]發(fā)分，木質(zhì)素?zé)峤夂蜕锾康男纬晌鍌€熱重階段組成。升溫速率的提高會導(dǎo)致?lián)]發(fā)分析出困難、峰值向高溫區(qū)移動、而析出量增大；在相同的熱解條件下，煙梗的熱穩(wěn)定性最好；隨著粒徑的減小，煙梗在低溫區(qū)的熱解持續(xù)時間縮短，熱解能力變差，析出揮發(fā)分減少。

　　化石染料的廣泛使用對環(huán)境的危害已廣為人知：一是二氧化碳造成的溫室效應(yīng)；二是二氧化硫所引起的酸雨污染；三是氮氧化物，這些都帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染和氣候變化問題。據(jù)資料顯示[1]，2012至2013年我國的進(jìn)口原油接近2.7億噸，對外的依存度超過了55％，煤炭進(jìn)口3.2億噸，供需矛盾的出現(xiàn)勢必會嚴(yán)重影響國家的石油安全。化石能源的枯竭和環(huán)境的惡化嚴(yán)重制約著當(dāng)今社會的發(fā)展，而生物質(zhì)能以其獨特的特點（可再生性，低二氧化碳排放，幾乎不排放二氧化硫）躍然紙上。因此，科學(xué)高效地利用生物質(zhì)能源必將成為解決我國能源環(huán)境的有力措施之一。在剛出臺的十三五規(guī)劃中也承諾在2030年實現(xiàn)減排65％，非化石能源占一次能源消費比重達(dá)到20％左右，其中也提到了加快發(fā)展生物質(zhì)能的要求。現(xiàn)階段最常見的生物質(zhì)能源利用方式是生物質(zhì)氣化、燃燒將其轉(zhuǎn)化為高效潔凈能源產(chǎn)品或燃料物質(zhì)。

　　煙草業(yè)是貴州省的支柱產(chǎn)業(yè)。常年種植烤煙20萬公頃左右，產(chǎn)量40萬噸左右，約占全國烤煙總量的20％，是全國烤煙生產(chǎn)的第二大省。這就導(dǎo)致每年勢必會有大量的煙草廢棄物出現(xiàn)，而它們得不到高效利用就會造成資源浪費。近年來，大多數(shù)煙草廢棄物的研究都著重于提取煙堿、植物蛋白和茄尼醇，制備活性炭、堆肥和生物質(zhì)類燃料等，而很少有關(guān)于煙草廢棄物熱解特性的研究。所以可以通過研究煙草廢棄物熱解特性，了解揮發(fā)分熱解析出規(guī)律，使煙草廢棄物能夠得到廣泛高效的利用，實現(xiàn)企業(yè)節(jié)能減排，達(dá)到廢物資源化利用的目的，為特定行業(yè)的廢棄物處理提供新的路徑。

　　文章以煙梗為主要研究對象，同時與煙桿、典型生物質(zhì)玉米秸稈進(jìn)行對比，采用熱重分析方法研究不同粒徑、不同溫升速率下煙梗、煙桿及玉米秸稈的熱失重曲線，分析其熱解特性。

　　1實驗部分

　　1.1采樣

　　實驗所用生物質(zhì)樣品是煙梗、煙桿和玉米秸稈，均采自清鎮(zhèn)市。將采集來的樣品在105％的鼓風(fēng)干燥箱中干燥2小時，然后磨制成5個實驗樣品，分別是：80目煙梗、150目煙梗、200目煙梗、80目煙桿、80目玉米秸稈。

　　1.2實驗儀器及方法

　　本實驗采用的是德國耐弛同步熱分析系統(tǒng)STA409PC。

　　實驗方法：取12.5±0.5mg的實驗樣品放入熱天平坩堝中，在純氮條件下以不同的升溫速率進(jìn)行實驗，從室溫升溫到900％。升溫速率分別設(shè)定為5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min；保持載氣流量為40ml/min；保護(hù)氣為氮氣，保持其流量在15ml/min。

　　記錄不同條件下TG-DTG-DSC曲線，通過曲線分析其熱解過程。

　　2實驗結(jié)果分析

　　2.1熱重特性分析

　　以80目煙梗在氮氣40升溫速率5℃/min的條件下的TG-DTG曲線（圖1）進(jìn)行分析，由TG-DTG曲線可看出煙梗主要經(jīng)歷了五個熱失重階段。初始失重階段是從20℃-118.8℃，該階段DTG存在一個失重峰，主要發(fā)生水分的析出[4]；第Ⅱ個失重階段是從118.8℃-178.9℃，由于溫度低于200℃，所以該階段主要歸因于煙梗中低沸點化合物的析出[4]；第Ⅲ個失重階段是從178.9℃-339℃。此過程存在兩個失重峰，主要是煙草中的大分子聚合物的熱解，析出大量揮發(fā)分，失重最多的階段，其質(zhì)量損失百分比達(dá)到了34.29％。第一個失重峰是在178.9℃-260.6℃期間，主要是半纖維素的熱解析出少量揮發(fā)分，第二個失重鋒是在260.6℃-339℃期間，這是由于纖維素的熱解析出大量揮發(fā)分[5]，最大失重峰峰值溫度為289.6℃；第Ⅳ個失重階段是從339℃-510℃，主要是因為高溫使木質(zhì)素?zé)峤猓瑢?dǎo)致質(zhì)量損失；第Ⅴ個失重階段是從510℃-899.5℃，生物炭緩慢形成，產(chǎn)生炭的殘留物[6]。

　　2.2不同生物質(zhì)熱重特性比較分析

　　以80目煙梗在氮氣40升溫速率15℃/min的條件下的TG-DTG曲線（圖2）進(jìn)行分析比較，由幾種不同生物質(zhì)的TG-DTG曲線可知，煙桿熱解與煙梗熱解過程表現(xiàn)的TG-DTG曲線走勢形狀大致相同，煙桿的TG曲線向低溫區(qū)移動，煙桿沒有明顯的半纖維素?zé)峤馕龀龇澹窃谧畲笫е厮俾庶c左邊有一個側(cè)肩，這是由于半纖維素和纖維素?zé)峤鉁囟葏^(qū)間出現(xiàn)重疊，導(dǎo)致半纖維熱解峰的消失[5]；失重過程中的最大失重速率較大，后期失重峰的失重速率較小，但是相差都不是很大。煙桿殘留質(zhì)量百分比為26.87％，煙梗殘留質(zhì)量百分比為30.91％；而玉米秸稈的熱解與煙梗熱解曲線相比，失重過程只經(jīng)歷了三個熱失重階段，分別是水分的析出，半纖維素、纖維素?zé)峤馕龀鰮]發(fā)分和木質(zhì)素高溫?zé)峤怆A段，殘留質(zhì)量百分比為24.76％。玉米秸稈在水分析出階段的失重速率較慢；在半纖維素、纖維素析出揮發(fā)分時期，質(zhì)量急劇失去；在最后的木質(zhì)素高溫?zé)峤怆A段失重較緩慢。

　　煙梗、煙桿和玉米秸稈的DTG曲線峰值點對應(yīng)的溫度不同且揮發(fā)分析出的起始點和終止點也不同，這是由于不同生物質(zhì)中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的含量和礦物質(zhì)含量不同。整個熱失重過程DSC曲線存在一個大的放熱峰。煙梗殘留質(zhì)量百分比最多，其次是煙桿，玉米秸稈是殘留質(zhì)量百分比最少的。這是由于煙梗含有較多的木質(zhì)素，熱解析出的揮發(fā)分較少；而玉米秸稈是高纖維素，低木質(zhì)素生物質(zhì)，在纖維素?zé)峤怆A段質(zhì)量急劇變化，大量析出揮發(fā)分導(dǎo)致最后殘留質(zhì)量百分比最少。

　　2.3不同升溫速率下煙梗的熱重特性比較分析

　　由80目煙梗在氮氣流量40ml/min不同升溫速率下的TG-DTG曲線（圖3）比較可知，隨著升溫速率的升高：DTG曲線向高溫區(qū)移動且失重速率均增大。即隨著升溫速率的增大，最大失重速率點的溫度向高溫區(qū)移動，揮發(fā)分的析出產(chǎn)生了延遲現(xiàn)象，這是由于升溫速率的提高增大了樣品顆粒內(nèi)外的溫度差，而生物質(zhì)的導(dǎo)熱率較小，導(dǎo)致傳熱不良，顆粒內(nèi)部溫度較低，外部溫度較高，這便導(dǎo)致了內(nèi)外反應(yīng)速率不同。也就是文獻(xiàn)[7]中提到的熱滯后現(xiàn)象。失重速率的增加是由于升溫速率的提高，析出的揮發(fā)分在顆粒表面的停留時間縮短，促進(jìn)了揮發(fā)分的析出。煙桿和玉米秸稈的TG-DTG曲線隨著升溫速率的提高也表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

　　2.4不同粒徑煙梗熱重特性比較分析

　　由煙梗在氮氣流量40ml/min升溫速率5℃/min條件下不同粒徑TG-DTG曲線（圖4）可知，隨著粒徑的減小，炭的殘留百分比分別為32.78％，29.97％，27.02％，呈逐漸減小趨勢，峰值溫度隨粒徑的減小向低溫區(qū)移動[7]，在低溫區(qū)的熱解持續(xù)時間較短。這是由于粒徑較大，生物質(zhì)顆粒傳熱能力較差，內(nèi)部升溫較緩慢，熱解能力變差，析出揮發(fā)分減少。

　　3結(jié)束語

　　文章采用熱重分析方法進(jìn)行了以煙梗為主、煙桿和玉米秸稈為輔的熱解實驗，比較分析其熱解特性，同時研究了不同升溫速率及不同粒徑對生物質(zhì)熱解的影響。根據(jù)實驗分析，可以得到以下結(jié)論：（1）煙梗和煙桿的熱解主要經(jīng)歷了五個熱失重階段：水分析出，低沸點化合物的析出，纖維素和半纖維素?zé)峤馕龀鰮]發(fā)分，木質(zhì)素高溫?zé)峤猓锾康男纬伞Ｓ衩捉斩拕t明顯分為三個熱失重階段。由于不同生物質(zhì)中半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的含量和礦物質(zhì)含量不同導(dǎo)致它們峰值溫度和揮發(fā)分析出的起始點和終止點不同。煙梗熱解析出的揮發(fā)分較少，殘留率多，熱穩(wěn)定性最好；而玉米秸稈大量析出揮發(fā)分，殘留質(zhì)量百分比最少。（2）隨著升溫速率的提高，三種生物質(zhì)的峰值溫度均向高溫區(qū)移動且最大失重速率增大，產(chǎn)生熱滯后現(xiàn)象。即升溫速率的提高會導(dǎo)致：揮發(fā)分析出困難，峰值向高溫區(qū)移動，析出量增大。（3）隨著煙梗粒徑的減小，炭的殘留百分比呈逐漸減小趨勢，峰值溫度隨粒徑的減小向低溫區(qū)移動，低溫區(qū)熱解持續(xù)時間較短。