【摘要】 Zhen Huang等人的实验结果表明，芝麻秸秆的热解似乎发生在多阶段反应中，对两阶段芝麻秸秆热解进行动力学分析。

芝麻秸秆是一种很有前途的农业残留物，用于生产可再生生物能源，但由于缺乏可靠的热解动力学信息，芝麻秸秆仍未开发。目前，科研人员试图从动力学上研究芝麻秸秆在多加热速率下的非等温热解作用。芝麻是一种非常重要的富含油料的作物，每年在中国广泛种植。收获后，芝麻的叶子、茎和胶囊等残留物可以作为可再生能源。更早的时候，Ateş等[1]就在100-700 K / min的非常高的加热速率下对氮气中的芝麻秸秆进行了热降解，他们的研究还表明，大多数热解油成分是芳香族化合物，然后是潜在的可再生燃料，还尝试在体积为400 cm3的固定床反应器中对芝麻秸秆进行催化热解。

 

他们发现，与非催化结果相比，生物油产品中的生物油产量和极性分数均有所增加。最近，El-Sayed[2]和他的同事研究了芝麻秸秆在惰性氮气气氛或中试燃烧条件下的热分解。然而，进行的热解实验和动力学分析是在10、30和50 K/min的加热速率下进行的。根据国际热分析和量热联合会的建议，在进行动力学分析时，必须至少使用低于20 K/min的加热速率来获取非等温TGA数据，并且一旦高于20 K/min，加热速率可能不会产生用于描述热解过程的可靠动力学参数。因此，这种认识得到了广泛的认可，这些信息对于热解过程的设计和模拟非常重要。

 

Zhen Huang等人[3]的实验结果表明，芝麻秸秆的热解似乎发生在多阶段反应中，对两阶段芝麻秸秆热解进行动力学分析。图1显示了在5 K/min的加热速率下对干芝麻秸秆进行热解时获得的TGA测量值和TGA结果（DrTGA）的一阶导数曲线。从质量变化曲线可以看出，干生物质在大约450 K时开始热降解，在大约615 K时经历了最大质量损失率，并在大约800 K时结束了其质量损失。

 

在整个热解过程中有两个波谷，似乎表明发生了两个热解阶段。l-Sayed等[2]也报道了类似的两阶段观察，然而，由于热解前没有干燥处理，可以观察到约420 K的水解吸阶段。图 2 显示了在 β = 5、10、15 和 20 K/min 的加热速率下对作物残茬进行热解的 TGA 和 DrTGA 曲线。可以看出，随着加热速率的增加，芝麻秸秆样品的氮气热解表现出增加的趋势，整个热解过程移动到更高的温度范围，显然与El-Sayed等[2]报道的相似。芝麻秸秆在450-500 K的温度范围内开始降解，并在800-900 K的范围内结束其质量损失。同时，在整个热解过程中，发生了两个热解阶段。从图2b可以看出，随着加热速率的增加，谷的强度也随之增加，导致芝麻秸秆热解过程中质量损失的加速。

 

同时，在更高的加热速率下，谷温度会移动到更高的值。结果表明，芝麻秸秆是一种很有前途的可持续生物能源生产生物质，动力学和热力学信息对于推进芝麻秸秆热解反应器的设计具有重要意义。

 

图1. 在5 K/min下获得的TGA和DrTGA曲线用于芝麻秸秆热解[3]

 

图2. 芝麻秸秆热解的多次加热速率 TGA（a）和DrTGA 结果（b）[3]

 

[1] Ates F , Putun E , Putun A E .Fast pyrolysis of sesame stalk: yields and structural analysis of bio-oil[J]. JOURNAL OF ANALYTICAL AND APPLIED PYROLYSIS, 2004.

[2] El-Sayed S A , El-Baz A A , Noseir E H .Sesame and broad bean plant residue: thermogravimetric investigation and devolatilization kinetics analysis during the decomposition in an inert atmosphere[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2018, 40(9).

[3] Zhen Huang, Xiaojie Wang, Xuan Ren. Kinetic study of sesame stalk pyrolysis by thermogravimetric analysis[J]. Renewable Energy, 2024, 222: 119878.

 

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