使用TG-DSC和等转化率方法研究椰子壳和椰子饼的燃烧特性及动力学分析

《Bioresource Technology Reports》：Combustion behavior and kinetic analysis of coconut shell and copra cake using TG-DSC and iso-conversional methods

　　摘要
本研究采用了热重分析/差热重分析（TG/DTG）和差示扫描量热法（DSC）来研究椰子壳（CS）和椰干饼（CC）在15、20和25°C·min?1的加热速率下的燃烧特性。结果表明，椰子壳的点火温度（Ti = 258.08°C）和燃尽温度（Tb = 497.19°C）低于椰干饼（Ti = 261.97°C；Tb = 594.43°C）。椰子壳的综合燃烧指数（S = 12.8 × 10?7%2·°C?3·min?2）也高于椰干饼（S = 5.46 × 10?7%2·°C?3·min?2），表明其整体燃烧性能优于椰干饼。研究使用了等转化率模型-free方法（Flynn-Wall-Ozawa (FWO) 和 Starink (STR)）来计算活化能（Ea）。FWO 和 STR 方法计算出的椰子壳的活化能分别为 83.15–154.65 kJ·mol?1 和 75.39–152.69 kJ·mol?1；而椰干饼的活化能分别为 72.74–112.92 kJ·mol?1 和 68.70–108.34 kJ·mol?1。通过主图分析法确定了椰子壳和椰干饼燃烧最可能的反应模型。在 0.1 ≤ α ≤ 0.5 的范围内，椰子壳的最可能反应模型为三阶反应模型（R3）（f(α) = (1-α)3）；而椰干饼的最可能反应机制为一阶反应模型（R1）（f(α) = (1- α)）。DSC 结果显示，椰子壳的最大热流（25.73 mW·mg?1）高于椰干饼（20.02 mW·mg?1）。

引言
随着人口增长和经济发展，全球能源需求持续上升，化石燃料仍占初级能源的80%以上（能源研究所，2024年）。然而，化石燃料储备的枯竭以及其使用导致的大气二氧化碳（CO2）水平前所未有的增加，对能源安全构成了挑战，并加剧了气候变化（Manatura 等，2025年；Yuan 等，2021年）。继煤炭和石油产品之后，生物质成为第三大能源来源（Ojha 等，2021年）。特别是木质纤维素生物质，作为一种有前途的替代化石燃料的选择，因其可再生、易获取，并具有减少温室气体排放和降低对传统能源依赖的潜力，在分散式能源系统中尤为重要（Manatura 等，2025年）。基里巴斯共和国是一个位于中太平洋地区的岛国，由于其严重依赖进口化石燃料以及作为小岛屿发展中国家（SIDS）的气候脆弱性，凸显了能源安全方面的挑战。进口化石燃料用于发电、运输和居民用的高昂成本给该国带来了沉重负担。同时，基里巴斯的孤立地理位置使得利用本地、分散式和可再生能源对于可持续发展至关重要（Isaka 等，2013年）。联合国亚太经济和社会委员会（UNESCAP）在2023年的一份报告中提倡探索生物质资源，以改进烹饪炉具和改造发电厂，减少对进口燃料的依赖，符合可持续发展目标（SDG）7（负担得起和清洁的能源）和国家自主贡献（NDCs）（UNESCAP，2023年）。在本地可用的生物质资源中，椰子残渣（椰子壳和椰干饼）因其丰富性、碳中性、低硫和氮含量以及低成本而具有巨大潜力（Alabi 和 Sambo，2023年）。椰子壳是椰子农业产业的副产品，已成为可持续的生物能源和增值产品（如生物炭）的来源（Monir 等，2024年）。此外，椰子壳是一种清洁燃料（不含钠、钾和氯），灰分含量极低，是理想的固体燃料（Tsai 和 Han，2023年）。椰干饼是从干椰子仁中提取油脂后剩余的物质。将椰干饼填埋处理是最快速且最便宜的方法，但这会导致环境问题，包括地下水污染和甲烷排放（Sritrakul 等，2025年）。热化学转化方法，如燃烧、热解和气化，可以用来利用椰子壳和椰干饼的能量，同时支持可持续的废物管理，以满足对可再生资源日益增长的需求（Ancu?a 和 Sonia，2020年）。在这些方法中，燃烧因其低成本、成熟的技术以及与其他能源生成技术的较低整合成本而受到青睐（Glushkov 等，2021年）。

热重分析（TGA）是一种常用的分析技术，用于研究固体燃料的燃烧和共燃烧特性（Rahib 等，2022年；Wang 等，2024年）。TGA 能够在受控气氛下实时测量加热过程中的质量损失和质量损失率随时间或温度的变化。另一方面，差示扫描量热法（DSC）可以测量燃烧过程中瞬时热流率随时间或温度的变化。结合使用 TGA 和 DSC 可以记录样品热分解过程中的质量损失和热量释放情况，从而揭示化学反应与其相应温度之间的精确关系（Rico 等，2022年）。此外，TGA 数据可以通过模型拟合和无模型方法来确定燃烧、动力学和热力学参数，特别是在生物质和生物能源领域。然而，基于单一加热率的模型拟合动力学方法（如 Coats-Redfern 方法）因未能从复杂热分解材料（如生物质）的热分析中获得可靠的动力学参数而受到批评（Vyazovkin 和 Muravyev，2024年）。国际热分析和量热联合会（ICTAC）推荐使用等转化率方法（包括 Kissinger-Akahira-Sunose (KAS)、Flynn-Wall-Ozawa (FWO) 和 STR 方法）来准确确定动力学参数（Najafi 等，2024年）。动力学和热力学参数的确定对于通过数值建模设计高效、清洁的燃烧设备至关重要（Nath 等，2023年）。TGA 和 DSC 已与等转化率方法结合使用，用于研究生物质的燃烧和共燃烧特性（Kamga 等，2024年；Nath 等，2024年；Peng 等，2024年）。先前的研究使用不同的动力学方法报告了多种木质纤维素生物质的燃烧特性和动力学参数，包括小麦秸秆、椰子壳、稻草、甘蔗渣和燕麦秸秆（Jalilian 等，2025年；Paswan 等，2026年；Reis 等，2019年；Rico 等，2022年；Senneca 和 Cerciello，2023年）。Lei 等（2026年）利用 TG-DSC 在非等温条件下研究了小麦秸秆的燃烧行为。他们报告称，使用 KAS 方法计算的 Wheat straw 的活化能范围为 121.4 至 316.5 kJ/mol，不同加热速率下的总热量释放量几乎保持恒定。Peng 等（2024年）使用 TGA 数据和 Coats-Redfern 方法研究了椰子壳、生物质和煤水浆的燃烧和动力学参数，结论是加热速率对样品的燃尽温度和活化能影响不大。Hou 等（2025）使用 TG-DTG/DSC 和等转化率方法（FWO、KAS 和 STR）研究了椰子壳和玉米芯与无烟煤（AC）的共燃烧特性，发现椰子壳的表观活化能范围为 66.67 至 81.64 kJ·mol?1，混合 AC 可以改善其燃烧性能。Gadelha 等（2026）使用 TGA 和等转化率方法（Friedman、KAS、FWO）研究了巴巴西椰子壳的燃烧，并预测了气体排放情况。他们报告称平均活化能（Ea）范围为 133.47 至 190.36 kJ·mol?1，其中最低和最高的值分别使用 Friedman 和 OFW 方法获得。关于椰子壳的研究主要集中于 TGA 和动力学分析，而结合燃烧和热量释放行为与等转化率动力学的综合 TG-DSC 研究仍然有限。此外，已有研究使用 TGA 和等转化率方法研究了椰干饼（CC）的热解（Alabi 和 Sambo，2023年；Balasundram 等，2017年）；然而据我们所知，其燃烧行为在文献中尚未得到系统探讨和报道。尽管有这些贡献，但对椰子壳和椰干饼燃烧的详细 TG-DSC 研究仍然不足，特别是同时捕捉非等温条件下两者的动力学和能量行为的研究。为弥补这一研究空白，本研究旨在使用同时进行的热重分析–差示扫描量热法（TG-DSC）在三种加热速率（15、20 和 25°C·min?1）下，研究两种未充分探索的生物质原料（椰子壳和椰干饼）的燃烧行为、燃烧动力学、热量释放特性和活化能分布。此外，还采用了一种基于差分-积分动力学方程的主图分析法来确定驱动椰子壳和椰干饼燃烧的合理反应机制。本研究的关键创新在于综合评估了椰子壳和椰干壳在不同加热速率下的燃烧反应性、动力学参数、反应机制、能量特性和表观燃烧热。这种综合方法不仅深化了对椰子壳和椰干饼燃烧反应性的基本理解，还为设计和开发高效、清洁的生物质燃烧系统提供了工程相关的参数。

样本收集与制备
本研究中的椰子壳（CS）和椰干饼（CC）样本从基里巴斯共和国（中太平洋地区）的一家本地商店收集。样本在热风烘箱中以40 ± 5°C的温度风干过夜（Rajdhani，印度），然后研磨和机械筛分以获得小于250 μm的颗粒，确保在热重分析（TGA）过程中的热均匀性。样本分别装入密封盒中，并存放在玻璃干燥器中以供进一步分析。

初步和元素分析
表2展示了椰子壳（CS）和椰干饼（CC）的初步和最终分析结果。结果显示，椰子壳的含水量（9.75%）高于椰干饼（5.58%）；较低的含水量有利于更高的能量含量和更好的燃烧速率。椰干饼的挥发性物质含量（93.31%）高于椰子壳（83.56%），表明其反应性更强，点火更加容易。然而，椰干饼的灰分含量（3.14%）高于椰子壳（0.45%），可能会对燃烧速率产生不利影响（Nath 等）。

结论
本研究使用 TG/DTG/DSC 技术研究了椰子壳（CS）和椰干饼（CC）在15、20和25°C·min?1加热速率下的燃烧动力学。椰子壳的点火温度（Ti = 258.08°C）和燃尽温度（Tb = 497.19°C）低于椰干饼（Ti = 261.97°C 和 Tb = 594.43°C），其更高的综合燃烧指数（S）表明其整体燃烧性能优于椰干饼。活化能（Ea）随转化率变化，FWO 和 STR 方法计算出的值分别为...

作者贡献声明
Sachin Kamboj：概念化、方法论、可视化、实验、数据分析、初稿撰写、审稿与编辑。
Etau Neeru：实验、审稿与编辑。
S.K. Tyagi：监督、资源提供。

在撰写过程中使用生成式AI和AI辅助技术
在准备这项工作时，作者使用了 ChatGPT（版本5.3）和 Grammarly 来提高文本的可读性和语言质量。使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对出版物的内容负全责。

资助
本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢
Etau Neeru 表达了对国际太阳能联盟在德里印度理工学院支持其研究的感谢。作者还感谢印度科学技术与工程设施计划（I-STEM），该计划得到了印度政府首席科学顾问办公室的支持，使得他们能够使用由印度科学和技术部（DST）资助、HITACHI制造的 STA300 型热重/差热分析仪（TG/DTA）在德里印度理工学院进行这项工作。

Sachin Kamboj
Etau Neeru
S.K. Tyagi
德里印度理工学院跨学科研究学院，Hauz Khas，新德里，印度