【摘要】 实验选用热重-差示扫描量热仪(TG-DSC) ，因为该同步热分析仪可同时测定样品中的质量变化(TG)和量热效应(DSC)。

生物质作为一种可再生能源，在能源生产中的重要性日益突出。在过去的几十年中，已经发展了许多热解反应器和热解工艺。这些技术的经济性取决于它们的能源消耗和能源生产。在能源消耗的关键项目是过程的热量需求。众所周知，生物质热解所需的热量是指生物质加热所需的热量和完成热解反应所需的热量两个组成部分的总和。该项目在反应器设计、运行参数规范、能量平衡分析以及生物质热解、煤气化和燃烧潜力分析等方面都有重要作用。然而，由于生物质的复杂性、处理过程的复杂性、缺乏特性值和难以确定设备的热损失，现行的计算方法或在某些实验室设备上进行的实验难以得到精确的结果。

 

近年来，利用 TG/DTA或 DSC等分析设备对生物质的反应热进行了研究。文献显示，从这些实验结果得到的反应热定量化也很难。

 

总之，由于以下两个原因: (1)生物质热解过程中，温度变化较大，生物质的状态和组分不断变化，目前广泛采用的热解方程计算生物质热解需热量的结果不能得到精确的数据。房地产价值的变化不容忽视，可靠的房地产价值难以获得。(2)比热与反应热在高温下的相互作用是不可避免的，不可能分别检测出来。

 

通过实验研究了生物质热解的热量需求。实验选用热重-差示扫描量热仪(TG-DSC) ，因为该同步热分析仪可同时测定样品中的质量变化(TG)和量热效应(DSC)。通过分析相应的热重曲线和差示扫描量热曲线，可以研究不同条件下的反应状态和量热特性。因此，可以量化相应的质量变化和热需求，并研究热需求与温度和反应的关系。与其他仪器相比，DSC 在精度上还有一个优势。在热效应分析仪器中，热效应示差热分析测量的精密度远低于差示扫描量热(dSC)。事实证明，差示扫描量热法(dSC)是获得基本反应热等可靠值的有效方法。在某些高温反应器(气化炉中大部分生物质热解)的应用中，采用了较宽的温度范围(303-973 K 代替 773 K)。

 

图1麦秸 DTG 曲线与 DSC 曲线的比较

 

通过分析小麦秸秆的实验数据可以说明生物质热解的热效应。图1显示了利用 Origin7.0记录的小麦秸秆实验数据绘制的 DTG 和 DSC 曲线。DTG 曲线与 dSC 曲线的比较显示，整个过程可分为著名的四个阶段: (1)生物质干燥: 粉末样品在储存和实验操作过程中吸收水分。图1所示的 DTG 和 dSC 曲线显示，在低于440k 的温度下，干燥过程有相应的峰值。由于实验前进行含水量及真空操作，样本的干燥较低。这一阶段的质量损失为1.3% (从100% 到98.7%)。在这一阶段的主要部分的热量需求是两个组成部分的总和: 加热样品和干燥样品。后者取决于样本中的含水量。应该注意的是，在每次运行的开始有一个不稳定的部分。原因将在下面的3.2节中描述。在上述实验条件下，分段在跑步开始后60秒(约10公里)内。

 

在这一部分，热量需求不仅仅是上述两个组成部分的总和。(2)生物量的加热在440K 至530K 温度之间，麦草粉被加热后没有明显的变化，在这个阶段的差热曲线和差示扫描量热曲线没有明显的峰值。这一阶段的质量损失为3.5% (98.7% ~ 95.2%)。这个阶段的热量需求基本上是加热样品。从差示扫描量热(DSC)曲线可以看出，热流不是恒定的，从0.2857 mW/mg 到最高0.3236 mW/mg (501K)再到0.2758 mW/mg。(3)麦秸在530K 以上加热时，生物量降解反应开始。在 DTG 曲线中有一个明显的峰值(最高为609K) ，表明了该过程中的质量损失率。这一阶段的质量损失为56.4% (从95.2% 增加到38.8%)。该阶段热流密度变化较大，DSC 曲线较为复杂。

 

这一阶段的初始值和终端值分别为0.2758 mW/mg 和0.0282 mW/mg。(4)焦炭的加热和聚集降解过程在673k 左右几乎结束，现在，残余的焦炭被聚集并加热。这个阶段的热量需求是在减去聚集产生的热量后加热煤焦所需的热量。从 DSC 曲线可以看出，这一阶段的热流值不是恒定的，而是不规则变化的。在过程结束时(从902k 开始) ，dSC 的值表明发生了放热热效应过程。图1中的 DSC 曲线表明，整个过程的热量需求是复杂的，很难用简单的方程来描述。

 

1.Fang He, Weiming Yi, Xueyuan Bai, Investigation on caloric requirement of biomass pyrolysis using TG–DSC analyzer, Energy Conversion and Management, Volume 47, Issues 15–16, 2006, Pages 2461-2469, ISSN 0196-8904, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2005.11.011.

 

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