李家坤

(1.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072;2.长江工程职业技术学院，湖北 武汉 430212)

0 引言

甘蔗渣是制糖工业的主要副产品，是一种重要的可再生生物资源。中国是仅次于巴西和印度的第三甘蔗种植大国，南方蔗区甘蔗总产量7000多万 t，蔗渣的产量达到 700 万 t［1，2］。甘蔗渣的成分以纤维素，半纤维素以及木质素为主，蛋白、淀粉和可溶性糖含量较少。甘蔗渣一般含干物质90%～92%，粗蛋白质2%，粗纤维44%～46%，粗脂肪0.7%，无氮浸出物42%，粗灰分2%～3%。与作物秸秆相比，甘蔗渣的农药残留量很低，但其木质化程度高。纤维素废弃物是一种主要的可再生能源和初等原材料，因此利用纤维素废弃物通过有效的方法生产能源具有重大的意义和前景［3，4］。目前，中国已建有甘蔗渣发电厂，在有效替代化石燃料，降低污染物与温室气体排放，对区域进行供热供电［5］。也有采用甘蔗渣在高温下通过水蒸气进行活化来制造活性炭［6］。

在生物质能利用和转化的各种工艺中，生物质热解和气化技术可以将生物质原料转化为能量密度高的液体和气体燃料，从而提升了生物质的利用品味和应用途径［7］。本文将研究甘蔗渣在N2及CO2气氛下的热解特性，以便为甘蔗渣的热解气化的应用提供理论依据和参考。

1 实验原料及实验计划

本实验采用的甘蔗渣来自广东省梅州市，元素分析和工业分析见表1。物料经破碎、研磨、筛选，粒径小于1 mm。所有样品于105℃的干燥箱内停留超过4 h以脱除外在水分。此后样品保存在干燥皿中直到实验取样。本实验在德国耐驰STA 409 PC Luxx同步热分析仪上进行。实验气流量恒定为100 mL/min，样品质量为4±0.5 mg。本实验分别在N2及CO2气氛下，以20℃/min，30℃/min，40℃/min升温速率进行了热解。TG(热重)曲线、DTG(热重微分)曲线以及相应的数值表征热解过程的特性。

表1 甘蔗渣的元素分析及工业分析 (干燥基)Tab.1 Element analysis and industrial analysis of bagasse(dry basis)

2 实验结果及分析

2.1 N2气氛下热解

从图1可以看出，在N2气氛下，甘蔗渣的热解失重主要集中在180～650℃之间，750℃以后质量几乎维持不变。随着升温速率的增加，残余质量不断增加，从20.5%(20℃/min)上升到23.3%(30℃/min)，再到24.3(40℃/min)。热解过程中第一、第二个失重峰(DTG1，DTG2)的峰值及对应的温度(TDTG1，TDTG2)见表2。从表2可以看出，较低升温速率下，失重峰峰值较小，对应的温度也较低。热解过程中最大失重出现在第二个峰。在不同的升温速率下，甘蔗渣在热解过程中均出现了两个明显的失重峰。20℃/min升温速率条件下，在310℃附近出现了一个较为平坦的失重段，而在另外两个较高升温速率下则不存在着平坦的失重段，这可能是高升温速率下，不同成分的热解析出反应在相同的温度区间出现重叠所致。样品在N2气氛下的热解主要是挥发分的析出形成焦炭。在180～650℃的温度区间的失重，是半纤维素、纤维素及木质素的热解的结果［8］。

图1 N2气氛下甘蔗渣热解结果Fig.1 Results of bagasse pyrolysis under N2atmosphere

表2 N2气氛下两个失重峰峰值及对应温度Tab.2 Two weight loss peak and corresponding temperature under N2atmosphere

2.2 CO2气氛下热解

CO2气氛下热解的结果见图2。从TG图可以看出，在180℃以后，样品开始失重明显。750℃以前样品的失重规律与N2气氛下相似，但是750℃以后，CO2样品又出现了明显的失重段。

在CO2气氛中，随着升温速率的升高，残余质量增大，热解峰值增大，峰值对应温度也增大(见图2及表3)，这与N2气氛下不同升温速率热解规律相同。

图2 CO2气氛下甘蔗渣热解结果Fig.2 Results of bagasse pyrolysis under CO2atmosphere

表3 CO2气氛下3个失重峰峰值及对应温度Tab.3 Three weight loss peak and corresponding temperature under CO2atmosphere

2.3 N2及CO2气氛下热解对比

为了更好的了解甘蔗渣在N2及CO2气氛下热解的差异，选取了在30℃/min升温速率时，两种气氛下的实验数据进行对比，结果如图3所示。

图3 N2及CO2气氛下甘蔗渣热解结果对比Fig.3 Comparison of bagasse pyrolysis under N2 and CO2 atmospheres

从图3可以看出，样品在750℃之前具有相似的失重规律，但是在750℃之后，CO2气氛下的热解由于焦炭与CO2发生了反应，导致在750～1 000℃的区间内产生了明显的失重。而N2气氛下的热解，在750℃之后样品的残余质量几乎维持不变。在CO2气氛下的热解，热解残余物中绝大部分是灰分，还有小部分未气化完全的焦炭，而在N2气氛下的热解，残余物中则为焦炭及灰分，焦炭的比例远大于灰分。从表2、表3可以看出，不同升温速率条件下，样品在两种气氛中热解前两个峰对应的温度差别很小，但是N2气氛下的热解的峰值较CO2下的峰值大，换言之，CO2可能对纤维素、半纤维素及木质素的热解有一定的抑制作用。

3 结论

本文用德国耐驰STA 409 PC Luxx同步热分析仪对甘蔗渣在N2及CO2气氛下的热解进行了研究，结论如下:

(1)随着升温速率的增大，残余质量增大，热解峰值增大，峰值对应温度也增大。

(2)在N2气氛下，热解主要集中在180～650℃之间，主要是半纤维素、纤维素及木质素的热解。而在CO2气氛下，除了低温段的半纤维素、纤维素及木质素的热解，在750℃之后，挥发分析出产生的焦炭与CO2发生气化反应，导致样品在高温段有一个明显的失重过程。

(3)在N2及CO2气氛下，样品热解时前两个失重峰对应的温度差别很小，但是N2气氛下的热解峰值较CO2下的峰值大，换言之，CO2可能对纤维素、半纤维素及木质素的热解有一定的抑制作用。

［1］王允圃，李积华，刘玉环，等.甘蔗渣综合利用技术的最新进展 ［J］. 中国农学通报，2010，26(16):370－375.

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［4］涂启梁，付时雨，詹怀宇.甘蔗渣综合利用的研究进展［J］. 中国资源综合利用，2006，24(11):13－16.

［5］廖合，杨丽，黄艳规，等.甘蔗渣综合利用分析［J］. 造纸科学与技术，2006，25(1):45－48.

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