黑龙江8种乔木可燃物热解特征及释放气体研究

来源 :东北林业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:jklzqren12
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森林可燃物是森林燃烧的物质基础,主要组分包括水分、半纤维素、纤维素、木质素、抽提物和灰分。可燃物热解则是森林可燃物燃烧的重要过程,该过程也伴随着气体和颗粒物的释放。该过程的特征研究不仅是可燃物燃烧机理研究的重要部分,也是气体排放量估算从实验室尺度向野外尺度跨越的理论基础。通过热重分析能够得到可燃物在不同温度下的热解失重曲线,并依据动力学方程计算不同可燃物热解参数,以此评价可燃物的燃烧性。可燃物燃烧的烟气分析对于明确森林燃烧碳释放和有毒气体排放具有重要意义。因此,本研究将热重分析与气体分析相结合,针对黑龙江省八种乔木树叶样品,包括黑皮油松(Pinustabulaefomisvar.mukdensis)、红皮云杉(Piceakoraiensis)、红松(Pinus koraiensis)、樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、胡桃楸(Juglans madshurica)、蒙古栎(Quercus mongolica)和白桦(Betula platyphylla)的热解过程和产气过程进行整体研究。分析粒径对可燃物热解过程的影响并讨论其原因;分析八种乔木树叶热解过程的差异,对比不同阶段失重速率、失重速率峰值温度、质量分数等,讨论树种间的差异原因;测定并计算热解过程释放气体的体积浓度、峰值对应温度和排放因子,结合热解过程分析热解温度与气体释放温度的相关关系并讨论其原因。本文结果将为完善可燃物热解机制提供数据基础,同时将为减小森林火灾碳排放估测误差提供科学依据。主要结果如下:(1)八种乔木可燃物的TG/DTG曲线具有相似变化趋势,主要包括四个失重阶段,分别对应温度区间300~400K、450~650K、650~800K和900~1000K。第二、第三阶段的失重质量分数占可燃物总质量80%以上。第三失重阶段峰形复杂,参与反应物质多于第二阶段。(2)以阳性阔叶树种白桦的树叶为研究对象,不同粒径(<150μm、150~250μm和250~850μm)可燃物在空气气氛下的热解特征不同,动力学参数有所差异。粒径以不同方式影响可燃物热解和动力学特征,小粒径颗粒中第一、三、四阶段失重的质量分数随颗粒粒径的减小而减小,第二阶段失重和剩余灰分的质量分数与颗粒粒径的减小而增大。粒径增大也使失重速率峰值向高温区偏移,这是由不同粒径可燃物内部传热差异导致的。(3)以八种乔木树叶为研究对象,灰分主要通过影响第二阶段进而抑制可燃物热解,参与第四阶段反应的物质多少与前两阶段是否热解完全有关。可燃物灰分含量与第二、第四阶段失重质量分数分别呈极显著负相关(P<0.001)和显著正相关(P<0.05),与第三阶段失重质量分数无显著相关性。说明灰分含量较高的树种抑制可燃物燃烧是通过灰分抑制低温阶段热解。(4)第二阶段CO和CO2释放峰值温度与失重速率峰值温度集中在600K附近,二者具有强相关性。第三阶段CO和CO2释放峰值温度与失重速率峰值温度分布在650~750K之间,二者具有极显著相关性(P<0.001)。八种乔木中蒙古栎、红皮云杉和樟子松CO、CO2排放因子较高,黑皮油松和水曲柳排放因子较低。第二阶段存在大量非CO和CO2物质散失,导致可燃物急剧失重。比较第二阶段失重质量分数和释放气体体积浓度,后者远小于失重质量分数。由此推断,第二阶段热解物质种类单一,但产物种类丰富,包含大量非CO和CO2物质;第三阶段热解物质较复杂,但产物丰富度低于第二阶段。
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