提要:農業秸稈丟棄和田間焚燒不僅浪費資源，還會引起農業火災。文中以內蒙古自治區典型農作物秸稈為研究對象進行熱重分析得出其熱解過程，為秸稈焚燒治理提供依據，減少農業火災。運用熱重分析法，對內蒙古自治區13個盟市的葵花秸稈及玉米秸稈進行熱失重行為研究，使用TG－DTG曲線分析樣品的熱解過程，運用Coats－Ｒedfern(CＲ)法對樣品的快速熱解階段進行動力學分析，綜合熱解特性指數P對樣品的熱解特性進行全面評價;通過活化能、著火溫度與熱解特性指數綜合分析研究各樣品的燃燒性能，評價各樣品的抗火性。通過一級反應動力學模型Coats－Ｒedfem積分法求出樣品在快速熱解階段時的活化能(E)、頻率因子(A)和相關系數Ｒ，結合對熱穩定性，著火溫度和熱分解特性指標的綜合分析，選擇鄂托克前旗、五原縣、科爾沁左翼后旗的葵花秸稈，托克托縣、科爾沁左翼后旗、敖漢旗玉米秸稈為抗火性秸稈大面積種植，從而避免農作物火災發生、防止火勢蔓延及控制著火源。

　　關鍵詞:熱重分析;熱解特性;生物質燃燒;抗火性

　　是一個農業大國，2017年秸稈理論資源總量已達1．02×109t［1］。每年接近2×108t的秸稈未被合理利用和回收，導致秸稈資源浪費，大量焚燒影響空氣環境質量［2－3］，還存在安全隱患［4］。充分認識秸稈生物質熱解過程，可為減少農作物火災提供依據，因此對秸稈熱解動力學研究尤為重要［5］。目前，在生物質能源化利用中生物質熱解技術尤為廣泛。

　　1研究區概況與研究方法

　　1．1研究區概況

　　內蒙古自治區(37°24'－53°23'N，97°12'－126°04'E，總面積1．183×107km2)從東北向西南傾斜，氣候主要為溫帶大陸性季風氣候。它的特點是風大，降水量少而不勻，寒暑變化劇烈。1月是該地區最冷的月份，最低溫度是－26．1～－47．6°C，7月是最熱的月份，最高溫度是33．4～45．3°C。整個地區降水量的大幅度波動和低覆蓋率是限制內蒙古農業和畜牧業生產的主要因素之一［10］。

　　1．2取樣方法

　　2018年以內蒙古自治區典型兩種農作物葵花、玉米秸稈為對象進行采集，采集樣點為內蒙古自治區13個盟市(見圖1)，其中，阿拉善左旗(136．9g葵花秸稈質量/132．1g玉米秸稈質量－后同)、烏海市(133．3g/138．8g)、巴彥淖爾五原縣(137．5g/133．8g)、包頭市(139g/133．8g)、鄂托克前旗(133．6g/131．9g)、呼和浩特市土默特左旗(135．4g/85．2g)及托克托縣(91．5g/95．5g)、察哈爾右翼中旗(133．4g/135g)、錫林浩特市(121．2g/131．7g)、赤峰市林西縣(119．2g/80g)及敖漢旗(133．9g/106．4g)、科爾沁左翼后旗(135．3g/117g)、烏蘭浩特市(132．4g/104．7g)，葵花、玉米秸稈樣品收集總量分別為1682．6g、1525．9．4g，秸稈樣品制備方法利用剪切工具進行剪短處理，原料自然風干后裝進檔案袋帶回實驗室，室溫保存。

　　2結果與分析

　　2．1農作物秸稈熱重測定結果與分析

　　圖1研究區采樣點位置圖Figure1Locationofsamplingpointsinthestudyarea根據TG曲線上的熱失重臺階和DTG曲線上的熱失重峰，第一階段為脫水干燥階段(室溫－250°C)。此階段主要是秸稈表面水的脫除，在TG曲線中，表現為曲線平穩下降，兩種秸稈最大失重峰出現在114°C－133°C，失重范圍約為2%－6%。第二階段為揮發分釋放階段(250－380°C)，由圖2知，隨著溫度的逐漸升高，此階段秸稈的失重率達到60%－70%;由圖3知，最大失重速度溫度范圍為320°C－370．5°C。葵花、玉米秸稈分別在320°C、343°C有最大失重峰，失重速率先增大后逐漸減小。秸稈中半纖維素、纖維素、部分木質素熱解，以揮發分形式析出后與氧氣接觸燃燒［15］。

　　2．2秸稈樣品熱解動力學分析

　　秸稈樣品熱失重分為四個階段，由于揮發釋放階段和固定碳燃燒階段是可燃物質著火階段，因此在本研究中選擇這兩個階段進行動力學分析。將公式(1)、(2)應用于所得的溫度范圍，以計算樣品的熱解動力學參數及熱解特性指數(見表1)。從表1中的相關系數Ｒ可以看出，擬合方程具有良好的線性關系。因此，Coats－Ｒedfern積分法可以用于描述樣品在空氣氣氛中的熱解行為［16］。從Arrhenius公式可知，反應活化能(E)和頻率因子(A)是影響熱解反應速率的2個重要參數，活化能表示反應過程的難易程度，也可以反映樣品的熱穩定性，活化能越高，反應所需的能量就越多，反應越困難;反之，熱解特性指數P越大，樣品的熱解越容易，結果如表1。

　　3討論

　　(1)生物質的主要組分為綜纖維素和木質素［9］。大部分學者認為DTG曲線的峰分離取決于半纖維素和纖維素成分的含量［15］。若半纖維素組分含量較纖維素高則會出現明顯的肩峰，反之不會出現明顯肩峰。在揮發分釋放階段和固定碳燃燒階段，林西縣、敖漢旗、烏蘭浩特市、包頭市、土默特左旗、錫林浩特市、托克托縣、五原縣、科爾沁左翼后旗的葵花秸稈出現了2個不同分離程度的峰;敖漢旗、包頭市、土默特左旗、托克托縣、察哈爾右翼中旗、烏海市、錫林浩特市的玉米秸稈出現了2個不同分離程度的峰;其余盟市DTG曲線只看到1個明顯波峰，主要是由于半纖維素和纖維素分解溫度略有差異且半纖維含量較低，導致半纖維素和纖維素兩者的DTG峰重疊，且隨著溫度的升高，樣品燃燒加快，導致在快速熱解階段DTG曲線急劇下滑，從而呈現出1個范圍較窄且失重速率較大的波峰。

　　(2)根據動力學參數和著火溫度數據，鄂托克前旗的葵花活化能最高，熱解所需的能量較高，且熱解特性指數P較小，P值越小燃燒越困難;五原縣的葵花活化能低于鄂托克前旗，熱解特性指數P小;科爾沁左翼后旗的活化能低于五原縣，熱解特性指數P小。綜上結合樣品的TG和DTG曲線，13個盟市葵花秸稈的抗火性排序為:鄂托克前旗＞五原縣＞科爾沁左翼后旗＞土默特左旗＞托克托縣＞包頭市＞烏蘭浩特市＞錫林浩特市＞阿拉善左旗＞察哈爾右翼中旗＞烏海市＞林西縣＞敖漢旗。托克托縣的玉米活化能最高，熱解需要的能量也較高，且熱解特性指數P最小;敖漢旗的玉米活化能低于托克托縣，熱解特性指數P較小;鄂托克前旗的玉米活化能低于敖漢旗，熱解特性指數較小。綜上結合樣品的TG和DTG曲線，玉米秸稈的抗火性為:托克托縣＞科爾沁左翼后旗＞敖漢旗＞鄂托克前旗＞土默特左旗＞五原縣＞錫林浩特市＞包頭市＞烏海市＞阿拉善左旗＞林西縣＞察哈爾右翼中旗＞烏蘭浩特市。可選取五原縣、科爾沁左翼后旗、鄂托克前旗的葵花秸稈和托克托縣、科爾沁左翼后旗、敖漢旗的玉米秸稈為強抗火性秸稈且可以大面積種植，從而避免農作物火災發生、防止火勢蔓延及控制著火源。

　　4結論

　　(1)綜合葵花、玉米秸稈熱重曲線分析可知，脫水干燥階段最大失重峰出現在114°C－133°C，失重范圍約為2%－6%。揮發分釋放階段失重率達到60%－70%;最大失重速度溫度范圍為320°C－370．5°C。固定碳燃燒階段DTG曲線出現窄且尖的峰值，相對不平滑。燃盡階段葵花秸稈、玉米秸稈分別在587°C、547°C時失重速率基本不變，說明固定碳燃燒已結束。

　　(2)根據Coasts－Ｒedfern模型和動力學方程，通過對熱穩定性、著火溫度與熱解特性指數綜合分析，選取五原縣、科爾沁左翼后旗、鄂托克前旗的葵花秸稈和托克托縣、科爾沁左翼后旗、敖漢旗的玉米秸稈為強抗火性秸稈，可以大面積種植從而避免農作物火災發生。

　　參考文獻

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　　［2］CHENGZ，WANGS，FUX，etal．ImpactofbiomassburningonhazepollutionintheYangtzeＲiverdelta，China:Acasestudyinsummer2011［J］．AtmosphericChemistryandPhysics，2014，14(9):4573－4585．

　　［3］LIHY，HANZW，CHENGTT，etal．AgriculturalfireimpactsontheairqualityofShanghaiduringsummerharvesttime［J］．AerosolandAirQualityＲesearch，2010，10(2):95－101．

　　［4］梁武，聶英．農作物秸稈綜合利用:國外經驗與對策［J］．世界農業，2017(9):34－38．

　　［5］張素平．生物質制液體燃料的研究［D］．上海:華東理工大學，2002:8－9．

　　張恒，周昱彤，李昂