全 文 ：第 35 卷 第 4 期
2014 年 7 月
内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Journal of Inner Mongolia Agricultural University (Natural Science Edition)
Vol． 35 No． 4
Jul． 2014
向日葵籽壳的燃烧特性研究
高学艺1， 武彦伟1， 王克冰1* ， 刘建平1， 丁 鹤2
(1．内蒙古农业大学理学院，呼和浩特 010018;2．南京林业大学化工学院，南京 210037)
摘要: 利用热重 －差热(TG － DTA)热分析法研究了向日葵籽壳在不同升温速率和不同质量下的燃烧特性，利用燃烧特性曲
线，得到向日葵籽壳的质量损失分为三个阶段:去除水分阶段，挥发份的析出与燃烧阶段和固定碳的燃烧与燃尽阶段。升温
速率增大，使着火温度和燃尽温度升高，失重速率加快，放热峰向高温漂移;样品质量对失重和失重速率影响较小，样品的放
热量随样品质量增加而增大。
关健词: 向日葵籽壳; 热重 －差热; 升温速率; 燃烧特性
中图分类号: Q502 文献标示码: A 文章编号: 1009 － 3575(2014)04 － 0178 － 05
THE STUDY ON COMBUSTION CHAＲACTEＲISTICS
OF SUNFLOWEＲ SEEDS SHELL POWDEＲ
GAO Xue － yi1， WU Yan － wei1， WANG Ke － bing1* ， LIU Jian － ping1， DING He2
(1． College of Science，Inner Mongolia Agricultural University ，Huhhot 010018，China;
2． College of Chemical Engineering ，Nanjing Forestry Universtity，Nanjing 210037，China)
Abstract:By means of the thermogravimetry － differential thermal analyzer(TG － DTA)，the experimental research of combustion char-
acteristics of the sunflower seeds shell powder were conducted under different heating rate and different weight． By the combustion char-
acteristic curves，the mass loss of sunflower seed shell was divided into three stages:the stage of the removal of water，the stage of the
separation and combustion of the volatile component and the stage of the combustion and burnout of fixed carbon． With the increase of
heating rate，the ignition temperature ，burnout temperature and weight loss rate increased． The net drift of the exothermic peak is from
low temperature to high temperature． The sample quality is relatively small impact on weight loss and weight loss rate，but the heat re-
lease increased with the increase of sample quality．
Key words:Sunflower seeds shell; TG － DTA; heating rate; combustion characteristic
引言
生物质能在我国是仅次于煤炭、石油和天然气
的第四大能源资源，在能源系统中占有重要地位，在
世界能源消耗中占总能耗的 14%［1］。我国生物质能
资源丰富，可开发生物质能资源总量在 7 亿吨标准
煤左右。但是，丰富的生物质资源目前大多处于低
效利用方式，即以田间荒烧后还田为主，不仅造
收稿日期:2013 － 12 － 02
基金项目:国家自然科学基金资助项目(21366018) ，内蒙古自治区自然科学基金资助项目(2013MS0721)．
作者简介:高学艺(1979—) ，男，硕士，讲师，主要从事生物质能源化学的研究． E － mail:gaoxueyi@ sohu． com．
* 通讯作者:E － mail:wkb0803@ 163． com．
第 4 期 高学艺等:向日葵籽壳的燃烧特性研究
成了能源浪费，而且也严重的污染了环境。因此，在
我国合理利用生物质资源具有重要的意义，针对我
国目前的生物质开发利用水平，直接燃烧及与其它
燃料燃烧是 1 种简单可行的高效利用生物质资源的
方式之一［2］。因此，研究先进的生物质燃烧利用技
术，已成为当前科学研究的重要课题。
近几年来，许多学者对秸秆类生物质燃烧方面
做了较为广泛的研究。梁爱云等人［3］利用热重分析
仪对木屑、麦秆、玉米秆和玉米芯 4 种生物质的燃烧
特性进行了研究;范瑾［4］对玉米秸秆的燃烧特性及
动力学进行了研究;司耀辉等人［5］利用热重 －差热
综合热分析仪研究了农业秸秆的燃烧特性。但对于
籽壳类生物质的燃烧特性研究较少，鉴于此，本研究
利用热重 －差热分析仪对生物质向日葵籽壳的燃烧
特性进行了系统研究，以期为籽壳类生物质的燃烧
技术应用和提高提供科学参考。
1 实验原料、仪器及方法
1． 1 实验原料
试样:向日葵籽由当地农贸市场购得，将向日葵
籽壳剥掉，用微型植物粉碎机将向日葵籽壳粉碎，筛
取 80 目的向日葵籽壳粉末，放入干燥箱内，100℃恒
温干燥 24h，备用。
1． 2 实验仪器及测试条件
热重—差热(TG—DTA)分析采用北京恒久科学
仪器厂的 HCT －1 型微机差热仪。差热实验的测试
条件为:空气气氛，空气流量为 50mL /min。
1． 3 实验方法
取相同质量粒径为 80 目的向日葵籽壳样品置
于差热分析天平支架的坩埚内，通以空气，按照不同
的升温速率进行实验;然后将不同质量(3mg ～ 6mg)
粒径为 80 目的向日葵籽壳以 40℃ /min 的升温速率
在差热 －热重分析仪中进行实验，记录整个过程，得
到样品的燃烧特性曲线。
2 实验结果与讨论
2． 1 向日葵籽壳的热重分析和差热分析
向日葵籽壳属绿色植物材料，由半纤维素、纤维
素和木质素等组成。木质素、纤维素的结构不一样，
燃烧温度不一样，会引起热重曲线发生变化［6］。图 1
给出了粒径为 80 目的向日葵籽壳在升温速率 10℃ /
min条件下的 TG、DTG、和 DTA曲线。表 1 给出了生
物质燃烧热重曲线的各种特征参数。其中着火温度
Ti采用 TG － DTG方法［7］确定，Ti 越低，表明燃料越
容易着火。最大燃烧速率(dW/dt)imax 为 DTG 曲
线第 i阶段的最大失重峰值，其所对应的温度为 Ti-
max。燃尽温度 Th定义为 TG 曲线不再有重要变化
的起始温度，燃尽温度 Th 越低，表明燃料越容易燃
尽。
(a)向日葵籽壳的 TG曲线 (b)向日葵籽壳的 DTG曲线 (c)向日葵籽壳的 DTA曲线
图 1 向日葵籽壳的 TG － DTG － DTA特性曲线
Fig． 1 TG – DTG － DTA characteristic curve of sunflower seeds shell
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内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 2014 年
表 1 向日葵籽壳在升温速率 10℃ /min下的燃烧特性参数
Tab． 1 Combustion characteristic parameters of sunflower seeds shell
样品 Ti /℃ Th /℃ T1max /℃ (dW/dt)
1
max /%·min
－1 T2max /℃ (dW/dt)
2
max /%·min
－1
向日葵籽壳 252． 2 522． 3 271． 7 10． 81 436． 1 3． 28
由图 1(a)TG和(b)DTG曲线可以看出，向日葵
籽壳的主要失重温度区间在 200℃ － 500℃，其失重
量约为总失重量的 90%，整个燃烧失重阶段呈现出
双峰特征，燃烧过程分为 3 个明显的阶段:第 1 个阶
段为水分的蒸发，大致为初始温度 ～ 150℃，此阶段
向日葵籽壳的质量仅损失约 5%，同时 DTG 曲线伴
随着微弱的吸热峰，表明水分的蒸发需要吸收热量
来完成，此阶段主要是样品的干燥阶段;第 2 阶段在
150 ～ 350℃，为挥发分的析出阶段，在该阶段，有较
大的质量损失，约失去总质量的 50%。在 DTA曲线
上出现了明显的放热峰，结合相关文献关于生物质
半纤维素、纤维素的热解温度范围［8］可知，向日葵籽
壳中的纤维素、半纤维素在该温度范围内发生了热
解从而析出大量的挥发分，进而进行燃烧放出了大
量的热量，在 DTG 曲线上相应的出现了失重峰，并
且在 280℃时的最大失重速率，也是整个燃烧阶段的
最大失重速率。第 3 阶段温度范围在 350 ～ 520℃，
其间质量损失约为 20% ，在 DTG 曲线上出现明显
失重峰，在 DTA曲线上出现了整个燃烧阶段的最大
放热峰，其为木质素的分解产生的挥发分和固定碳
的燃烧。在本实验中向日葵籽壳的挥发析出的温度
范围与文献［8］指出的关于生物质中纤维素、半纤维
素以及木质素等燃烧析出挥发分的温度范围是相一
致的。在温度 520℃之后，温度升高，质量基本保持
恒定，不再出现热失重，为燃尽阶段。
2． 2 升温速率对向日葵籽壳燃烧的影响
在 5℃ /min、10℃ /min、20℃ /min 和 30℃ /min
的升温速率下测得的同一质量下 80 目向日葵籽壳
粉末的 TG － DTG － DTA曲线分别如图 2 所示。表 2
给出了向日葵籽壳在不同升温速率下的燃烧热重曲
线的各特征参数。
(a)向日葵籽壳的 TG曲线 (b)向日葵籽壳的 DTG曲线 (c)向日葵籽壳的 DTA曲线
图 2 80 目向日葵籽壳的 TG － DTG － DTA特性曲线
Fig． 2 TG – DTG － DTA characteristic curve of sunflower seeds shell (80mesh)
表 2 向日葵籽壳不同升温速率下燃烧特性参数
Tab． 2 Combustion characteristic parameters of sunflower seeds shell under different heating rates
升温速率 Ti /℃ Th /℃ T1max /℃ (dW/dt)
1
max /%·min
－1 T2max /℃ (dW/dt)
2
max /%·min
－1
5℃ /min 243． 7 474． 3 264． 4 5． 29 428． 7 1． 46
10℃ /min 252． 2 522． 3 271． 7 10． 81 436． 1 3． 28
20℃ /min 267． 1 553． 2 290． 9 23． 00 415． 5 11． 63
30℃ /min 270． 3 606． 4 292． 1 36． 64 408． 7 12． 51
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第 4 期 高学艺等:向日葵籽壳的燃烧特性研究
从图 2(a)TG、(b)DTG 曲线和表 2 看出，随着
升温速率的增大，向日葵籽壳的着火温度和燃尽温
度呈升高趋势，说明升温速率的增大不利于向日葵
籽壳的着火和燃尽，这是因为升温速率增大，试样颗
粒的内外温度梯度越大，越不利于挥发分的析出，被
灰分包裹的碳也不容易与氧气接触［9］，因此不利于
燃尽;同时升温速率越大，燃烧时间越短，对燃尽也
有不利的影响。通过观察不同升温速率下的 DTG
曲线，可以看出随着升温速率的增加，燃烧失重速
率峰值也明显增加，这是由于传热滞后效应的影
响，升温速率赶不上燃烧环境的升温速率，反应延
迟导致燃烧特征温度增大，失重速率明显加快，而
且温度滞后加重。从图 2(c)DTA 曲线可以看出，
升温速率非常小时，峰形变的平坦而不明显。随着
升温速率的提高，放热峰变得尖而窄，但峰底温度
出现滞后现象，整个放热峰呈现向高温区漂移的特
征。
2． 3 样品质量对向日葵籽壳燃烧的影响
在同一升温速率(40℃ /min)下对不同质量的
80 目向日葵籽壳进行燃烧实验曲线如图 3 所示:
(a)向日葵籽壳的 TG曲线 (b)向日葵籽壳的 DTG曲线 (c)向日葵籽壳的 DTA曲线
图 3 不同质量向日葵籽壳的 TG － DTG － DTA曲线
Fig． 3 TG – DTG － DTA characteristic curve of sunflower seeds shell under the different quality
由图 3(a)TG和(b)DTG曲线可以看出，样品质
量差别不是很大的情况下，不同质量的 TG 曲线和
DTG曲线能够较好的重合，DTG 曲线表明向日葵籽
壳燃烧的 3 个阶段的失重速率基本相同，着火点温
度和燃尽温度也基本一致，说明在质量增加不大的
情况下，对于热的传递影响非常有限，向日葵籽壳在
燃烧过程中的温度滞后现象不明显，对燃烧基本不
会产生影响。由图 3(c)DTA 曲线可以看出，其与
DTG曲线相似，且放热峰所对应温度与最大燃烧失
重速率对应温度一致。不同质量的 DTA 曲线峰值
温度基本不变，但随着向日葵籽壳质量的增大，导致
放热强度增加，使峰值加大，峰面积加大。综合
TG—DTG———DTA 曲线的分析结果，质量变化对
DTA影响较大。
3 结论
3． 1 向日葵籽壳的质量损失可分为 3 个阶段:去除
水份、挥发分的析出与燃烧阶段、固定碳的燃烧与燃
尽阶段。其中挥发分析出与燃烧阶段的失重量最
大，固定碳燃烧与燃尽阶段的放热量最大，是向日葵
籽壳最主要的放热阶段。
3． 2 随着升温速率的增大，向日葵籽壳的着火温度
和燃尽温度呈升高趋势，失重速率加快，温度滞后加
重，吸热峰变得尖而窄，但峰底温度出现滞后现象，
整个吸热峰呈现向高温区漂移的特征。升温速率非
常小时，峰形变的平坦而不明显。
3． 3 当样品质量增加不大的情况下，不同质量样品
的热重曲线能较好地重合，说明质量改变较小的情
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内 蒙 古 农 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 2014 年
况下对热重影响较小;但随着质量的增大，DTA曲线
峰值温度基本不变，对定性差热分析基本无影响，但
吸热、放热强度增加，使峰值加大，对定量分析时有
影响。
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