热解对生物质自燃及后续燃烧的影响

《Renewable Energy》：Effects of torrefaction on the self-heating and subsequent combustion of biomass

　　

摘要

生物质在储存过程中存在自热和自燃的风险，这引发了安全方面的担忧。热解作为一种脱氧预处理方法，可通过改变生物质的物理化学性质来降低这些风险。在本研究中，小麦秸秆分别在200、250和300℃下进行热解处理，然后在25、55和85℃下进行自热实验。研究的目的是探讨热解如何影响小麦秸秆的自热行为及燃烧特性。实验结果表明，在25℃时自热现象最为明显。热解处理降低了O/C比、H/C比以及挥发分含量，从而减弱了自热的强度。具体而言，在25℃时，未经处理的样本温度上升了8℃，而经过300℃热解处理的样本仅上升了3℃。燃烧动力学分析进一步表明，热解提高了材料的着火温度和燃尽温度，同时降低了重量损失和燃烧指数。在300℃热解处理且环境温度为85℃的条件下，材料的着火温度达到了267℃，反映出其燃烧反应性最低。此外，在25℃和55℃条件下，热解处理增加了自热样本的活化能，其中在25℃时经过250℃热解处理的样本活化能最高，为93.48 kJ/mol。这些研究结果为优化热解处理和储存条件、提升燃烧性能与安全性提供了实用指导。

引言

作为唯一的可再生碳源，生物质被广泛用于产生热量、电力和生物燃料，其可持续利用对于全球从化石燃料向可再生能源系统的转型至关重要[1]。然而，生物质本身具有亲水性强[2]、含氧量及挥发分高[3]、着火点低等特性，这使得它在大规模储存和运输过程中容易发生自热现象[4]。这种情况可能导致自燃，进而引发火灾或爆炸，对作业安全及资源利用造成严重威胁[5]。

先前的研究表明，热解处理能够降低生物质的自燃风险。Fan等人[6]发现，250℃下热解处理的玉米秸秆的活性低于原材料，这意味着其自热倾向有所降低。Medic等人[7]认为，热解通过去除易降解的有机成分和水分，消除了生物活性，从而减少了微生物表面氧化和自热的可能性。Hakkou等人[8]指出，热解处理增强了固体产品抵抗真菌侵蚀的能力，进一步抑制了自热现象。相反，Ceballos等人[9]则认为，热解会形成大量孔结构，增大生物炭的比表面积，增加氧气作用的活性位点，使得生物炭比原始生物质更容易自热。这些研究结果表明，有必要进一步研究热解影响生物质自热的机制。

Tian等人[10]证明，自热会改变燃料的成分和表面性质，进而影响其在燃烧过程中的反应性。Branca等人[11]也发现，在热解失控条件下，马铃薯残渣的自热会显著改变热解温度场，并改变产物的分布情况。不过，这些研究主要针对的是原始生物质，而对热解处理后的材料的自热行为研究较少。在本研究中，以小麦秸秆为原料，在水平管式炉中于三种不同温度（200℃、250℃和300℃）下进行热解处理，随后在25℃、55℃和85℃的环境温度下进行自热实验。之后又利用热重分析仪进行了热解和燃烧实验，以阐明热解处理对小麦秸秆自热特性及其后续燃烧利用的影响。

章节节选

材料

本研究所使用的生物质原料为小麦秸秆，采自中国河南省焦作市。在热解实验之前，将秸秆切成1至2厘米长的小段，然后在105℃的烤箱中烘干以备后续使用。其元素组成是通过FLASH 2000元素分析仪检测确定的。

热解实验

热解实验是使用GSL1200X双区管式炉（中国郑州科晶电炉有限公司）进行的，具体如图所示

秸秆的物理化学性质

表1展示了小麦秸秆在热解前后以及在不同温度下自热处理前后的元素分析、近似分析及热值测量结果。

如表1所示，随着热解温度的升高，秸秆的挥发分含量显著下降。这主要是由于热解过程中大量的半纤维素以及部分纤维素发生了分解[13]。与

结论

本研究探讨了热解处理对生物质自热行为及其后续燃烧特性的影响。实验结果表明，热解处理能够有效抑制储存过程中的自热现象，同时还会改变其燃烧反应性。随着热解温度的升高，生物质自热的强度逐渐降低，从而提升了储存安全性。例如，在25℃的环境温度下，

作者贡献说明

杨硕：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，正式分析，数据整理，概念构建。梅彦阳：实验研究，资金获取，正式分析。张薇薇：项目管理。龚家鹏：监督工作。王宝军：资源协调。张珊：软件应用。李瑞鹏：结果验证。庞书生：资源提供

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：52206243）以及河南省高等学校青年骨干教师项目（编号：2024GGJS-039）的支持。

杨硕|梅彦阳|张薇薇|龚家鹏|王宝军|张珊|李瑞鹏|庞书生

中国河南省焦作市454003，河南理工大学机械与动力工程学院