菊芋、玉米和大豆秸稈顆粒狀燃料的燃燒性能比較

常子磐　李來武　嚴經天等

摘要：菊芋發酵生產生物乙醇的研究報道較多，但是迄今還沒有被研究用于生產生物質固體燃料的報道。比較了菊芋、玉米和大豆秸稈加工成的生物質固體燃料的化學組成以及燃燒特性，結果表明：菊芋秸稈加工的生物質固體燃料的燃點和灰分均低于玉米秸稈和大豆秸稈所生產的生物質固體燃料，但其放熱量要高于后兩者，揮發分高于常規固體燃料加工原料玉米秸稈。菊芋秸稈加工的生物質固體燃料燃燒所釋放的酸性氣體量極低，燃燒性能明顯優于玉米、大豆秸稈等加工的大眾固體燃料，因此它是一種有前景、可替代化石能源的新型固體燃料。

關鍵詞：菊芋；玉米；大豆；生物質秸稈；燃燒性能；固體成型燃料

中圖分類號： S216.2 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）03-0308-03

我國是能源生產大國和消費大國，其中煤炭消耗量占全球煤炭消耗總量的48.2%[1]。同時，我國也是化石能源非常短缺的國家。開發利用新的能源成為緩解資源緊張和保護環境的迫切任務。我國是農業大國，每年農業廢棄物的生產量高達7億t，這些生物質原料多數未被有效利用，每年可作生物質燃料利用的有3億～4億t，其中有相當一部分是被直接燒掉，這不僅浪費了資源而且破壞了環境[2]。以玉米、大豆、麻風樹等較為經濟的農作物為原料，經過加工產生塊狀燃料[3-5]，不僅使這些廢棄的生物質作為一種可再生資源加以利用，而且起著保護和改善生態環境的重要作用。菊芋（Helianthus tuberosus L.）是一種菊科向日葵屬宿根性草本植物[6]，原產于北美洲的溫帶地區，自17世紀一直生長在歐洲[7]，現在也被廣泛種植在我國山西、黑龍江、山東、江蘇以及土壤貧瘠的地區[8-11]。菊芋以其優異的經濟、環保、能源開發價值越來越受到國內外能源專家的重視[12]。本研究以能源植物菊芋、玉米、大豆等秸桿為原料，采用比較研究的方法，探討不同農業秸桿固體成型燃料的燃燒性能，為研究開發出燃燒性能好、環保標準高的新型生物質固體成型燃料提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器設備

試驗采用山東宇龍機械有限公司生產的SG50型秸稈粉碎機、沙克龍和SKJ300秸稈顆粒機、LSJ190螺旋提升機；鶴壁鑫泰高科儀器制造有限公司生產的ZDHW-2010B型微機壓縮制冷全自動量熱儀、 XTRD-5型燃點測試儀和JXL-620型智能馬弗爐；德國RBR公司生產的J2KN型煙氣分析儀；德國賽多利斯公司生產的BSSA224S型電子天平。

1.2 試驗場地概況

試驗在南京農業大學灘涂農業試驗站（江蘇大豐）固體成型燃料中試生產車間進行。固體成型燃料中試生產車間位于江蘇省鹽城市海洋生物產業園。

1.3 供驗材料及工藝流程

收集試驗站內菊芋、玉米、大豆等農作物秸稈，并在固體成型燃料中試生產車間，分批次將農作物秸桿粉碎、過篩，調整秸稈粉末濕度，經SKJ300秸稈顆粒機將秸稈粉末壓縮成型，獲得不同農作物秸桿加工而成的固體成型燃料樣品（圖1）。經上述工藝流程加工處理出的試驗產品見圖2。

將固體成型燃料樣品帶回南京農業大學江蘇省海洋生物學重點實驗室分析。選取菊芋、玉米、大豆等固體成型燃料樣品各3份，每份質量200 g，作為分析測試樣品，分析時各設置2次平行。生物質固體燃料化學成分分析結果見表1。

1.2.3 分析檢測方法

采用ZDHW-2010B型微機壓縮制冷全自動量熱儀和XTRD-5型燃點測試儀聯機測定固體成型燃料放熱量和燃點，煙氣分析儀（德國）分析固體成型燃料煙氣成分。灰分的測定：在溫度（550±10） ℃下，通過計算樣品在空氣中加熱后剩余物的質量占樣品總質量的百分比來測定灰分[13]。揮發分的測定：試驗樣品在隔絕空氣的環境中（900±10） ℃加熱 7 min，通過去除水分質量損失后， 試驗樣質量損失占樣品質量的百分數來計算揮發分[14]。

1.3 數據統計分析

試驗數據經Excel處理后，經SPSS 18.0軟件進行多重比較和差異性顯著分析。

2 結果與分析

2.1 菊芋、玉米、大豆秸桿固體成型燃料燃燒參數

由表2可知，菊芋固體成型燃料的燃點明顯低于大豆、玉米秸稈固體成型燃料，分別降低了45.1、16.6 ℃，表明菊芋秸稈固體成型燃料在相同條件下更容易點燃。放熱量由大到小依次為菊芋秸稈固體成型燃料>大豆秸稈固體成型燃料>玉米秸稈固體成型燃料，且差異顯著（P<0.05），說明菊芋秸稈加工的固體成型燃料燃燒產生的熱值更高。菊芋、大豆、玉米秸稈加工的3種生物質固體成型燃料均已達到了二類煙煤的發熱量標準（>15 490～19 080 J/g）[15]。此外，3種不同生物質固體燃料的揮發分所占比例較高，菊芋和玉米秸稈生物質固體燃料的揮發分含量70%以上，與大豆秸稈生物質固體燃料差異顯著（P<0.05），而菊芋秸稈生物質固體燃料的燃點明顯優于玉米和大豆秸稈生物質固體燃料；菊芋秸稈固體成型燃料的灰分最低，單位質量的燃料中灰燼會更少，可燃成分更多。因此，通過燃點、放熱量和揮發分的比較可見，菊芋秸稈生物質固體燃料是一種新型的優質固體成型燃料。

2.2 固體成型燃料煙氣成分分析

將3類生物質秸稈加工的固體成型燃料于馬弗爐內 900 ℃ 充分燃燒，并于排氣口接收煙氣監測，煙氣分析儀測定結果（表3）表明，3類秸稈所形成的煙氣成分中氮氧酸性氣體化合物含量極低。由于是在馬弗爐內高溫充分燃燒，生物質秸稈中的碳元素被充分燃燒成二氧化碳氣體，生成的一氧化碳和其他碳氫化合物較少。3類秸稈加工的固體成型燃料燃燒后產生的二氧化碳的量幾近相同，并遠遠低于單位質量煤炭所產生的二氧化碳的量。大豆秸稈和玉米秸稈所產生的二氧化氮、二氧化硫氣體稍多于菊芋秸稈燃燒后所產生的量。就整體氣體排放來看，菊芋秸稈固體燃料釋放的煙氣少于玉米、大豆秸稈等大眾固體成型燃料，且完全符合環保要求[19]。endprint

3 討論與結論

3.1 秸稈固體成型燃料的燃點與放熱量

菊芋固體燃料放熱量高主要是因為灰分含量低、可燃成分的比例高。在可燃物系統內，不同組成成分發生化學反應可以自動加速而達到自然著火的最低溫度。不同的生物質之間著火溫度相差明顯，單位質量放熱量也有明顯差別，這估計是由它們之間的纖維素、半纖維素和木質素含量不同造成的。

3.2 秸稈固體成型燃料的灰分與揮發分

生物質秸稈的揮發分含量占到60%左右，遠高于普通褐煤（31%～45%揮發分），也高于普通煙煤（40%～44%揮發分）[16]。生物質固體燃料的灰分所占比例較低，低于褐煤（10%～50%灰分）、普通煙煤（9%～15%灰分）[17]。在3種不同的生物質固體燃料中菊芋秸稈固體燃料的揮發分稍高于玉米秸稈和大豆秸稈，而灰分含量低于玉米秸稈和大豆秸稈。

3.3 秸桿固體成型燃料的煙氣組成

生物質中所含主要化學元素是C、H、O和少量的N、S等，由于C的含量低于煤[18]，而H、O含量都高于煤，因此生物質有更高的揮發分含量、較少的灰分含量。秸稈的碳元素含量低于煤，氫、氧元素含量高于煤，從而使生物質秸稈有高于煤的H/C、O/C，因此生物質秸稈有更高的揮發分含量，但含碳量低導致生物質秸稈的放熱量會低于煤炭。生物質秸稈所含氮、硫元素極低，從煙氣成分分析可以看出燃燒所產生的的煙氣成分中氮、硫氧化氣體極少[19]，符合環境保護的要求。

綜上所述，菊芋秸稈是生產加工生物質固體燃料的優良原料，菊芋秸稈用于加工固體燃料存在較大空間和可行性。

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