煙草廢棄生物質熱解實驗研究

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進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、纖維素熱解析出揮發分，木質素熱解和生物炭的形成五個熱重階段組成。升溫速率的提高會導致揮發分析出困難、峰值向高溫區移動、而析出量增大；在相同的熱解條件下，煙梗的熱穩定性最好；隨著粒徑的減小，煙梗在低溫區的熱解持續時間縮短，熱解能力變差，析出揮發分減少。

關鍵詞：熱重分析；生物質；熱解；升溫速率；粒徑

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

煙草業是貴州省的支柱產業。常年種植烤煙20萬公頃左右，產量40萬噸左右，約占全國烤煙總量的20%，是全國烤煙生產的第二大省。這就導致每年勢必會有大量的煙草廢棄物出現，而它們得不到高效利用就會造成資源浪費。近年來，大多數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、堆肥和生物質類燃料等[3]，而很少有關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，了解揮發分熱解析出規律，使煙草廢棄物能夠得到廣泛高效的利用，實現企業節能減排，達到廢物資源化利用的目的，為特定行業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、典型生物質玉米秸稈進行對比，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

實驗所用生物質樣品是煙梗、煙桿和玉米秸稈，均采自清鎮市。將采集來的樣品在105℃的鼓風干燥箱中干燥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行實驗，從室溫升溫到900℃。升溫速率分別設定為5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min；保持載氣流量為40ml/min；保護氣為氮氣，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）進行分析，由TG-DTG曲線可看出煙梗主要經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，析出大量揮發分[4]，失重最多的階段，其質量損失百分比達到了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素熱解，導致質量損失；第V個失重階段是從510℃-899.5℃，生物炭緩慢形成，產生炭的殘留物[6]。

2.2 不同生物質熱重特性比較分析

a 不同生物質TG曲線

b 不同生物質DTG曲線

圖2

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）進行分析比較，由幾種不同生物質的TG-DTG曲線可知，煙桿熱解與煙梗熱解過程表現的TG-DTG曲線走勢形狀大致相同，煙桿的TG曲線向低溫區移動，煙桿沒有明顯的半纖維素熱解析出峰，但是在最大失重速率點左邊有一個側肩，這是由于半纖維素和纖維素熱解溫度區間出現重疊，導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。煙桿殘留質量百分比為26.87%，煙梗殘留質量百分比為30.91%；而玉米秸稈的熱解與煙梗熱解曲線相比，失重過程只經歷了三個熱失重階段，分別是水分的析出，半纖維素、纖維素熱解析出揮發分和木質素高溫熱解階段，殘留質量百分比為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、纖維素析出揮發分時期，質量急劇失去；在最后的木質素高溫熱解階段失重較緩慢。

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

2.3 不同升溫速率下煙梗的熱重特性比較分析

a 不同升溫速率下煙梗TG曲線

b 不同升溫速率下煙梗DTG曲線

圖3

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移動，揮發分的析出產生了延遲現象，這是由于升溫速率的提高增大了樣品顆粒內外的溫度差，而生物質的導熱率較小，導致傳熱不良，顆粒內部溫度較低，外部溫度較高，這便導致了內外反應速率不同。也就是文獻[7]中提到的熱滯后現象。失重速率的增加是由于升溫速率的提高，析出的揮發分在顆粒表面的停留時間縮短，促進了揮發分的析出。煙桿和玉米秸稈的TG-DTG曲線隨著升溫速率的提高也表現出相似的變化規律。

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[6]，峰值溫度隨粒徑的減小向低溫區移動[7]，在低溫區的熱解持續時間較短。這是由于粒徑較大，生物質顆粒傳熱能力較差，內部升溫較緩慢，熱解能力變差，析出揮發分減少。

3 結束語

文章采用熱重分析方法進行了以煙梗為主、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熱解的影響。根據實驗分析，可以得到以下結論：（1）煙梗和煙桿的熱解主要經歷了五個熱失重階段：水分析出，低沸點化合物的析出，纖維素和半纖維素熱解析出揮發分，木質素高溫熱解，生物炭的形成。玉米秸稈則明顯分為三個熱失重階段。由于不同生物質中半纖維素、纖維素和木質素的含量和礦物質含量不同導致它們峰值溫度和揮發分析出的起始點和終止點不同。煙梗熱解析出的揮發分較少，殘留率多，熱穩定性最好；而玉米秸稈大量析出揮發分，殘留質量百分比最少。（2）隨著升溫速率的提高，三種生物質的峰值溫度均向高溫區移動且最大失重速率增大，產生熱滯后現象。即升溫速率的提高會導致：揮發分析出困難，峰值向高溫區移動，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移動，低溫區熱解持續時間較短。

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