新疆烏蘇市生物質能試驗研究分析

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(1.國網新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830000; 2.新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047)

新疆烏蘇市生物質能試驗研究分析

王亮1，樊小朝2，龔文杰2，王鑫2，高強2，尹文俊2

(1.國網新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830000; 2.新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047)

文中對烏蘇市地區九間鄉、皇宮鎮的棉稈、麥稈以及玉米稈進行試驗研究，包括工業成分分析，元素分析，并對發熱量、污染以及灰熔融性等方面進行比對，對實際的生物質發電工程具有一定的指導意義。

生物質能；試驗研究；發熱量

0 引 言

生物質是有機體，利用光合作用貯存能量。生物質能是世界四大能源之一，是可持續發展能源，是世界上最為廣泛的可再生能源[1-4]。生物質能利用主要包括：燃燒、熱化學及生物化學三方面[5-6]。生物質能作為可再生能源，廣受世界各國的關注，如美國的能源農場、印度的綠色能源、日本的陽光計劃以及巴西的酒精能源[7]。我國也不例外，“十二五”計劃中明確提出發展生物質能作為化石能源替代品[8-9]。因此，本文研究了新疆烏蘇市生物質，并進行了實驗研究分析，為新疆生物質能的利用提供一定的數據參考。

1 生物質的燃燒

以木材為例，首先加熱升溫，在200 ℃半纖維素開始分解，再木質素纖維素分解，在300 ℃纖維素的分解急劇進行，在350 ℃分解基本完成，木質素纖維素一直持續到500 ℃。熱解物與空氣混合燃燒，放出大量的熱，約占70%。火焰燃燒結束后，木質素燃燒，無火焰無灰產生[10]。

因此，需要對燃燒成分及產物做一定的研究分析，一些生物質和燃料資源的發熱量、元素組成與灰分如圖1所示[11]。

生物質發熱量不是很高，但含硫量低，灰分也少，所以生物質的燃燒，產生的大氣污染問題也相對較小。

圖1 各種燃料元素成分及發熱量對比

2 生物質試驗研究和成分分析

2.1試驗樣品

烏蘇市地區兩個鄉鎮(九間鄉、皇宮鎮)的棉稈、麥稈以及玉米稈，先自然風干，再用XR-1/100A密封式制樣粉碎機粉碎，如圖2所示。

圖2 烏蘇市生物質試驗樣品

圖3 干燥后的樣品

首先以兩個鄉鎮棉稈為實驗樣品，進行試驗。

2.2水分

稱取一定量的樣品，置于鼓風干燥箱內(105～110 ℃)，空氣流干燥，到質量恒定，干燥后如圖3所示。根據稈樣的質量損失計算水的質量分數：

(1)

式中:m1為干燥后質量;m為樣品原質量。

原質量為21.1 224 g、21.0 349 g，干燥后為19.9 804 g、19.9 083 g，計算得水分為8.75%、7.21%。

2.3揮發分

將一定量的樣品放在帶蓋的瓷坩堝中，在(900±10)℃馬沸爐下，隔絕空氣加熱7 min。以減少的質量占原質量的分數，減去該棉稈樣的水分就得到揮發分。揮發分計算式：

(2)

試驗結果，揮發分為78.17%、76.31%。

2.4灰分

稱取一定量稈樣，放入馬弗爐中，以一定的速度加熱到(815±10)℃，灰化并灼燒到質量恒定。以殘留物的質量占原樣質量的質量分數作為棉稈樣的灰分。

(3)

試驗結果，灰分為3.34%、4.43%。

2.5固定碳

FCat=100-(Aad+Mad+Vad)%

(3)

式中：Mad為水分的質量分數%；Vad為揮發分的質量分數%；Aad為灰分的質量分數%。

計算結果，固定碳為9.94%、12.05%。

2.6硫

在催化劑作用下，樣品在空氣流中燃燒分解，生成二氧化硫并被碘化鉀溶液吸收，電解碘化鉀溶液所產生碘，進行滴定，根據電解所消耗的電量計算硫的含量。

試驗結果，干基硫為0.141 3%、0.131 1%。

2.7發熱量及熱容量

將一定量的，在富氧條件下，試樣至于密封的氧彈中，完全燃燒，放出的熱量被內桶水所吸收，利用水的升溫與試樣燃燒放出的熱量成正比來計算。

試驗結果，熱容量為16.054 kJ/K、16.579 kJ/K；發熱量為17.054 MJ/kg、16.920 MJ/kg。

2.8灰熔融性

灰在一定高溫內融化的性質為灰的熔融性，并用灰的變形溫度DT、軟化溫度ST和流動溫度FT來表示[12]。將灰制成三角錐，在WS灰熔融性測試儀中加熱升溫，觀察灰錐的形態變化，觀測并記錄它的四個特征熔融溫度：變形溫度、軟化溫度、半球溫度和流動溫度(℃)。

試驗結果：

按照以上方法步驟，對烏蘇市地區兩個鄉鎮(九間鄉、皇宮鎮)的麥稈以及玉米稈的成分進行分析，并進行比對，具體結果如下。

2.9工業成分

九間鄉、皇宮鎮棉稈、麥稈以及玉米稈工業成分如圖4～6所示。

圖4 棉稈工業成分

圖5 麥稈工業成分

圖6 玉米稈工業成分

從圖4～6可以看出，棉稈和玉米稈的揮發分含量較高，而且灰分較少，相對小麥稈更適合作燃料。

2.9燃燒污染比對

燃燒產物二氧化硫與硫分是成正比的，硫分比對如圖7～8所示。

圖7 九間鄉生物質硫分對比

圖8 皇宮鎮生物質硫分對比

從圖7～8可以看出，麥稈的含硫量最小，玉米稈的含硫量最多，棉稈的居中，因此，麥稈燃燒對空氣污染最小。另外，九間鄉生物質硫分要比皇宮鎮的高一些，這可能與當地的土壤結構有一定關系，需要更進一步研究。

2.9發熱量和熱容量的比對

燃燒放熱的多少與發熱量和熱容量是成一定的關系，如圖9～12所示。

圖9 九間鄉生物質熱容量對比

圖10 皇宮鎮生物質熱容量對比

圖11 九間鄉生物質發熱量對比

圖12 皇宮鎮生物質熱發熱對比

由圖9～12可見，麥稈的熱容量最高，玉米的最低，棉稈的在中間。麥稈的發熱量相對較低，玉米稈和棉稈的相對較高。

2.10灰熔融性的比對

圖13 棉稈熔融性

圖14 麥稈熔融性

圖15 玉米稈熔融性

從圖13～15可以看出，麥稈熔點最低，其次是棉稈，再就是玉米稈，在生物質發電廠，熔點越低，越容易積灰結渣，因此，從安全經濟生產角度來看，玉米稈比較合適。

3 結 論

文中對烏蘇市地區兩個鄉鎮(九間鄉、皇宮鎮)的棉稈、麥稈以及玉米稈進行了試驗研究，包括工業成分分析，元素分析，并從發熱量、污染以及灰熔融性等方面進行了比對，具體結論如下：

(1)麥稈的熱容量最高，玉米的最低，棉稈的在中間；麥稈的發熱量相對較低，玉米稈和棉稈的相對較高。

(2)麥稈熔點最低，其次是棉稈，再就是玉米稈，麥稈燃燒容易積灰結渣。

(3)麥稈的含硫量最小，玉米稈的含硫量最多，棉稈的居中，麥稈燃燒對空氣污染最小。

另外，九間鄉生物質硫分要比皇宮鎮的高一些，這可能與當地的生態環境有一定關系，需要更進一步研究。

綜上所述，研究得到的結論會對生物質發電工程實際具有一定的指導意義。

致謝：

國家自然科學基金項目：“分層液膜沿非均勻受熱斜面流動傳熱特性分析(51106132)”，新疆教育廳項目(XJEDU2012S05)，新疆大學項目(XJU-SRT-13128)。

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ExperimentalStudyandAnalysisofBiomassEnergyinXinjiangWusuCity

WANG Liang, GONG Xiao-chao, GONG Wen-jie, WANG Xin, GAO Qiang, YIN Wen-jun

(1.UrumqiPowerCompany,StateGridXinjiangElectricPowerCompany,Urumuqi830000,China;2.CollegeofElectricalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830047,China)

The wheat straw and cotton stalk of corn stalk were studied in the area of Jiujian and Huanggong Town，Wusu city, Xinjiang. The industrial analysis, element analysis, and the heat, pollution and ash fusibility and other aspects of the comparison were studied. And there is a certain guiding significance to the actual biomass power generation project.

Biomass energy; Experimental study; Thermal power

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.003.013

2013-12-21

：2014-02-25

國家自然科學基金項目；分層液膜沿非均勻受熱斜面流動傳熱特性分析(51106132)；新疆教育廳項目(XJEDU2012S05)；新疆大學項目(XJU-SRT-13128)。

王 亮，男，主要從事供熱系統，換熱站調節裝置研究。

TK262;O1-8

：A

：1009-3230(2014)03-0050-05