果殼生物質(zhì)熱解特性與動(dòng)力學(xué)

范方宇， 黃元波， 楊曉琴， 鄭云武， 劉 燦，王 珍， 鄭志鋒*

(1. 西南林業(yè)大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院, 云南 昆明 650224; 2. 云南省生物質(zhì)高效利用工程實(shí)驗(yàn)室;云南省高校生物質(zhì)化學(xué)煉制與合成重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650224; 3. 西南林業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 云南 昆明 650224; 4. 西南林業(yè)大學(xué) 西南山地森林資源保育與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 云南 昆明 650224)

隨著澳洲堅(jiān)果[1]、油茶[2]和核桃[3]等林產(chǎn)食品在我國(guó)的迅速發(fā)展，林產(chǎn)食品加工產(chǎn)生的果殼廢棄物綜合利用成為食品行業(yè)不可回避的問(wèn)題。傳統(tǒng)果殼廢棄物主要以堆積丟棄、焚燒為主，不僅造成大量的能源浪費(fèi)，還引起了嚴(yán)重的環(huán)境污染。果殼廢棄物綜合利用可降低環(huán)境污染、節(jié)約化石能源、緩解能源危機(jī)、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。傳統(tǒng)果殼廢棄物利用研究很多，既有活性物質(zhì)的提取[5]、以果殼為原料制備活性炭[6-7]，也有以果殼生物質(zhì)、生物炭為原料進(jìn)行燃燒[1]等方面的研究。油茶、核桃和澳洲堅(jiān)果等果殼生物質(zhì)主要成分為纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，具有巨大的能源開(kāi)發(fā)潛力。熱解是生物質(zhì)綜合利用的重要方法之一，也是獲取可再生能源的重要方法。目前常見(jiàn)熱解原料以農(nóng)林生物質(zhì)為主，忽視了農(nóng)林食品加工中廢棄物的綜合利用[8]，研究油茶、核桃和澳洲堅(jiān)果的果殼生物質(zhì)熱解特性對(duì)果殼生物質(zhì)的綜合利用具有重要意義。近年來(lái)，以果殼生物質(zhì)為原料，采用熱解法制備固、液、氣三相產(chǎn)物研究逐漸增多。有研究者對(duì)油茶殼[9]、核桃殼[10]的熱解特性進(jìn)行了一定的研究，但對(duì)澳洲堅(jiān)果殼的熱解特性研究未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道；同時(shí)，由于果殼生物質(zhì)組成不同，采用同一種動(dòng)力學(xué)方法對(duì)比分析不同果殼生物質(zhì)的熱解特性與動(dòng)力學(xué)，也未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。本研究利用TG-DTG聯(lián)用技術(shù)研究油茶、核桃、澳洲堅(jiān)果3種果殼廢棄物的熱解特性，并采用分布活化能(DAEM)研究了其熱解動(dòng)力學(xué)，分析其區(qū)別，以期為果殼生物質(zhì)的熱解利用提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1材料

油茶殼為云南騰沖油茶去籽果殼；核桃、澳洲堅(jiān)果為云南昆明農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)采購(gòu)，去果肉果殼。原料收集后以去離子水清洗3次，去其表面及內(nèi)部殘?jiān)?05 ℃條件下干燥24 h。干燥后于粉碎機(jī)中粉碎60 s，過(guò)篩，收集尺寸小于0.074 mm樣品，用封口袋密封保存，置于干燥器內(nèi)備用。

1.2測(cè)試方法

采用MAC-3000型全自動(dòng)工業(yè)分析儀(姜堰市國(guó)創(chuàng)分析儀器有限公司)，參考GB 212—2001標(biāo)準(zhǔn)分析樣品的灰分、揮發(fā)分、固定碳含量；采用Vario EL/micro cube元素分析儀(德國(guó)Elementar公司)測(cè)碳、氫、氮、硫元素的量，氧元素的量采用差減法計(jì)算。3種樣品工業(yè)分析和元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 果殼生物質(zhì)工業(yè)分析及元素分析(干燥無(wú)灰基)

熱解實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)耐馳(NETZSCH)公司產(chǎn)STA409熱重分析儀。以氮?dú)鉃檩d氣，氣體流量60 mL/min。升溫速率為10、 20、 40、 60 ℃/min，由室溫開(kāi)始升溫，終止溫度為900 ℃。

1.3熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算

分布活化能模型(DAEM)在1943年被首次提出，是基于無(wú)限平行反應(yīng)和活化能分布兩點(diǎn)假設(shè)，被廣泛應(yīng)用于分析一些復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)體系的模型，常用于生物質(zhì)燃燒和熱解過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析，是已被證明的一種切實(shí)可靠的方法[11-12]。生物質(zhì)熱解過(guò)程中，該模型認(rèn)為反應(yīng)為無(wú)限獨(dú)立平行一級(jí)反應(yīng)，每一個(gè)反應(yīng)均有獨(dú)立活化能，且活化能連續(xù)分布[13-14]，分布活化能模型如式(1)所示：

(1)

式中：E—活化能，kJ/mol；R—?dú)怏w常數(shù)，8.314 J/(mol·K)；T—絕對(duì)溫度，K；V—t時(shí)刻反應(yīng)物析出揮發(fā)分質(zhì)量，g；V*—反應(yīng)總揮發(fā)分質(zhì)量，g。

f(E)為活化能分布函數(shù)，滿(mǎn)足式(2)：

(2)

將升溫速率β=dT/dt帶入式(1)，得式(3)：

(3)

式中：k0—頻率因子，min-1；β—升溫速率，K/min。

(4)

基于以上假設(shè)及模型，熱解過(guò)程DAEM可表達(dá)為式(5)：

(5)

式(5)為熱解反應(yīng)速率表達(dá)式，ΔV*活化能在[E，E+ΔE]區(qū)間，ΔV為任一時(shí)刻由ΔV*中逸出的揮發(fā)分質(zhì)量。程序升溫，溫度呈線性升高，其增加速率為β=dT/dt。對(duì)式(5)兩端同除以ΔV，整理積分得式(6)：

(6)

本研究采用Miura-Maki[15]積分法對(duì)DAEM模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，得式(7)：

(7)

由式(7)可做ln(β/T2)與1/T的曲線，根據(jù)曲線擬合計(jì)算斜率與截距，求活化能E。

2 結(jié)果與討論

2.1果殼熱解特性

圖1為升溫速率20 ℃/min時(shí)3種果殼生物質(zhì)熱解的TG和DTG曲線。從TG曲線可見(jiàn)，3種果殼生物質(zhì)熱解過(guò)程類(lèi)似，油茶殼熱解過(guò)程區(qū)別于澳洲堅(jiān)果殼和核桃殼，其熱解起始溫度低，相同升溫速度下熱解達(dá)到最大失重速率時(shí)的溫度低。在室溫至150 ℃之間，DTG曲線上可見(jiàn)微小失重峰，此時(shí)為水分蒸發(fā)階段，但因樣品經(jīng)過(guò)干燥處理，其失重特點(diǎn)不明顯；油茶殼在130～170 ℃，澳洲堅(jiān)果殼、核桃殼在130～180 ℃主要為生物質(zhì)中木質(zhì)素發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，DTG曲線較為平穩(wěn)；當(dāng)溫度繼續(xù)升高，直至450 ℃時(shí)，是生物質(zhì)的主熱解階段，此時(shí)纖維素、半纖維素、木質(zhì)素都發(fā)生裂解，揮發(fā)分被氮?dú)鈳ё?，在TG曲線上表現(xiàn)為迅速下降。在此階段，隨著溫度的升高，失重速度逐漸變大。澳洲堅(jiān)果殼、油茶殼和核桃殼分別在351、 296、 347 ℃時(shí)，達(dá)最大失重速率，分別為15.85、 8.32、 14.95%/min，此階段主要為半纖維素、纖維素的熱解；對(duì)于木質(zhì)素，由于其熱解溫度范圍在180～500 ℃之間，因此整個(gè)熱解過(guò)程中木質(zhì)素均在熱解；當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，部分未熱解木質(zhì)素繼續(xù)熱解，但因含量少，此時(shí)曲線失重速率趨于零，熱解過(guò)程趨于穩(wěn)定，為炭化階段。

圖1 果殼生物質(zhì)熱解TG(a)和DTG(b)曲線Fig. 1 TG(a) and DTG(b) curves of shells biomass pyrolysis

表2為3種果殼生物質(zhì)熱解特征參數(shù)。其中熱解起始溫度定義為熱解過(guò)程中揮發(fā)分揮發(fā)率為0.02時(shí)的溫度，結(jié)束溫度定義為可揮發(fā)分揮發(fā)率為0.98時(shí)的溫度。從表2可見(jiàn)，油茶殼熱解起始溫度低于澳洲堅(jiān)果殼和核桃殼，這主要是由于油茶殼中含有較多的可溶性物質(zhì)，如萜烯類(lèi)等小分子物質(zhì)，這些成分在較低的溫度下就能揮發(fā)、熱解[16]。同時(shí)，由于油茶殼揮發(fā)分含量低于澳洲堅(jiān)果殼、核桃殼，且揮發(fā)過(guò)程跨度大，因此其最大失重速率小于澳洲堅(jiān)果殼、核桃殼，僅為核桃殼、澳洲堅(jiān)果殼最大失重速率的50%左右。澳洲堅(jiān)果殼、核桃殼的熱解特征參數(shù)僅有微小區(qū)別，原因?yàn)槎叩脑胤治?、工業(yè)分析值差別不大。從表2還可看出，澳洲堅(jiān)果殼的熱解特征值，包括起始溫度、結(jié)束溫度、最大失重速率溫度均略微大于核桃殼，最大失重速率、殘留質(zhì)量均比核桃殼大，這可能是由于二者的組分有微小區(qū)別。

表2 3種果殼生物質(zhì)熱解特征參數(shù)

2.2不同升溫速率熱重分析

圖2～4為不同升溫速率時(shí)，澳洲堅(jiān)果殼、油茶殼和核桃殼的TG和DTG曲線。由圖可見(jiàn)，升溫速率不同時(shí)，3種果殼生物質(zhì)的TG、DTG曲線形狀基本相同。隨著升溫速率的增加，熱解過(guò)程整體向高溫區(qū)移動(dòng)，熱解反應(yīng)滯后，熱解起始溫度提高，且升溫速率越大，熱解速度越快，其最大失重速率越大。這主要是由于過(guò)快的升溫速率不利于樣品內(nèi)外部能量及熱解產(chǎn)物的傳遞，從而提高了熱解起始溫度；同時(shí)較快的升溫速率使樣品更快達(dá)到熱解溫度，揮發(fā)分在短時(shí)間內(nèi)析出，因此失重速率變大[1]。

就澳洲堅(jiān)果殼而言，10 ℃/min升溫速率時(shí)，最大失重速率為9.85%/min；60 ℃/min升溫速率時(shí)，最大失重速率為67.52%/min，提高了5.85倍。熱解起始溫度從206 ℃增加到216 ℃。

圖2 澳洲堅(jiān)果殼不同升溫速率熱解TG(a)和DTG(b)曲線Fig. 2 TG(a) and DTG(b) curves of macadamia nut shell pyrolysis at different heating rates

就油茶殼而言，10 ℃/min升溫速率時(shí)，最大失重速率為4.98%/min；60 ℃/min升溫速率時(shí)，最大失重速率為22.41%/min，提高了3.5倍。熱解起始溫度從164 ℃增加到197 ℃。

就核桃殼而言，10 ℃/min升溫速率時(shí)，最大失重速率為7.25%/min；60 ℃/min升溫速率時(shí)，最大失重速率為38.5%/min，提高了4.3倍。熱解起始溫度從194 ℃增加到222 ℃。

3種果殼生物質(zhì)的熱解結(jié)束溫度隨升溫速率提高而增大，增大幅度均僅約10 ℃，說(shuō)明升溫速率對(duì)熱解的結(jié)束溫度影響小。從DTG圖可見(jiàn)，當(dāng)可揮發(fā)分析出達(dá)98%的結(jié)束溫度時(shí)，生物質(zhì)仍然繼續(xù)熱解，升溫速率越快，其熱解結(jié)束溫度越高，這主要是由于較快的升溫速率提高了熱解顆粒內(nèi)外溫差，內(nèi)部組分未完全熱解，從而使剩余的2%的可揮發(fā)分物質(zhì)析出時(shí)間延長(zhǎng)，熱解結(jié)束溫度增大。

圖3 油茶殼不同升溫速率熱解TG(a)和DTG(b)曲線Fig. 3 TG(a) and DTG(b) curves of camellia tea shell pyrolysis at different heating rates

圖4 核桃殼不同升溫速率熱解TG(a)和DTG(b)曲線Fig. 4 TG(a) and DTG(b) curves of walnut shell pyrolysis at different heating rates

2.3DAEM熱解動(dòng)力學(xué)分析

圖5為3種果殼生物質(zhì)DAEM熱解動(dòng)力學(xué)中l(wèi)n(β/T2)與1/T作圖所得的Arrhenius圖。根據(jù)公式，由直線的斜率和截距計(jì)算出活化能(E)。表3列出了3種果殼生物質(zhì)在不同轉(zhuǎn)化率下的活化能(E)及相關(guān)系數(shù)(R2)。從表3可見(jiàn)，通過(guò)式(7)計(jì)算的R2在0.914～0.999之間，說(shuō)明擬合度高，此模型適用于3種果殼生物質(zhì)的熱解動(dòng)力學(xué)研究。

圖5 澳洲堅(jiān)果殼(a)、油茶殼(b)、核桃殼(c)不同轉(zhuǎn)化率下ln(β/T2)-1/T 圖Fig. 5 ln(β/T2) vs 1/T of macadamia nut shell(a), camellia tea shell(b) and walnut shell(c) at different conversion rate

由表3可見(jiàn)，澳洲堅(jiān)果殼熱解活化能83.91～211.86 kJ/mol，油茶殼熱解活化能68.64～244.49 kJ/mol，核桃殼熱解活化能98.69～267.75 kJ/mol，3種果殼生物質(zhì)活化能在每一個(gè)轉(zhuǎn)化階段，其活化能變化幅度不同。在低轉(zhuǎn)化率時(shí)3種果殼生物質(zhì)熱解過(guò)程的活化能均隨轉(zhuǎn)化率的增加而增大；當(dāng)轉(zhuǎn)化率增大到一定程度后(澳洲堅(jiān)果殼0.4，油茶殼0.55，核桃殼0.35)，活化能開(kāi)始小幅降低；當(dāng)澳洲堅(jiān)果殼、油茶殼和核桃殼的轉(zhuǎn)化率分別為0.65、 0.65和0.70時(shí)，活化能開(kāi)始明顯增加。呈現(xiàn)此現(xiàn)象的原因主要是熱解初始階段，半纖維素、纖維素為樣品的主要成分，其活性強(qiáng)、熱解活化能較低；當(dāng)轉(zhuǎn)化率較高時(shí)，主要為木質(zhì)素的熱解反應(yīng)，焦炭是主要熱解產(chǎn)物，其所需活化能高。此外，熱解過(guò)程中氣相產(chǎn)物穿過(guò)固體炭的空隙逸出，受固體產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的影響，阻力增大，使E值增大，反應(yīng)緩慢[17]。這主要是由于3種生物質(zhì)中的可溶性物質(zhì)、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及灰分的量不同引起的?？扇苄晕镔|(zhì)在熱解時(shí)熱解溫度最低，其次是半纖維素、纖維素，而木質(zhì)素在生物質(zhì)熱解的整個(gè)過(guò)程中都在熱解，但熱解速率慢[18-19]。表3中可見(jiàn)，低轉(zhuǎn)化率時(shí)油茶殼活化能最低，主要是由于其所含可溶性物質(zhì)[16]的量最高；高轉(zhuǎn)化率時(shí)，核桃殼活化能最高，這可能是由于核桃殼中的木質(zhì)素含量最高，從而使活化能最大。

表3 果殼生物質(zhì)熱解動(dòng)力學(xué)參數(shù)

3 結(jié) 論

3.1采用熱重分析儀對(duì)林產(chǎn)果殼生物質(zhì)(澳洲堅(jiān)果殼、油茶殼、核桃殼)熱解特性進(jìn)行了研究，利用分布活化能模型(DAEM)分析了熱解動(dòng)力學(xué)。對(duì)3種果殼生物質(zhì)在升溫速率20 ℃/min時(shí)的熱解情況下進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，油茶殼熱解最大失重速率為8.32%/min，澳洲堅(jiān)果殼熱解最大失重速率為15.85%/min，核桃殼熱解最大失重速率為14.95%/min。油茶殼熱解起始溫度、結(jié)束溫度、最大失重速率溫度均低于澳洲堅(jiān)果殼和核桃殼；澳洲堅(jiān)果殼和核桃殼熱解特征參數(shù)近似。180～450 ℃是3種果殼生物質(zhì)的主熱解階段。隨著升溫速率的增加，熱解過(guò)程整體向高溫區(qū)移動(dòng)，熱解反應(yīng)滯后，熱解起始溫度提高，且升溫速率越大，熱解速度越快，最大失重速率越大。

3.2采用分布活化能模型(DAEM)研究了3種果殼生物質(zhì)的熱解動(dòng)力學(xué)，結(jié)果表明升溫速率為10、 20、 40、 60 ℃/min，轉(zhuǎn)化率為0.1～0.9時(shí)，熱解動(dòng)力學(xué)相關(guān)系數(shù)R2在0.914～0.999之間，DAEM適用于研究3種果殼生物質(zhì)的熱解動(dòng)力學(xué)。經(jīng)計(jì)算，澳洲堅(jiān)果殼、油茶殼、核桃殼熱解活化能分別為83.91～211.86 kJ/mol、 68.64～244.49 kJ/mol、 98.69～267.75 kJ/mol。隨轉(zhuǎn)化率增加，3種果殼生物質(zhì)的熱解活化能呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)，但變化幅度不同。