不同配方生物質燃料物理特性與燃燒特性研究

茍文濤，王曉劍，鐘俊周，郭鴻雁，李茂軍，文國宇，陳建軍，鄧世媛*

(1.華南農業大學煙草研究室，廣東廣州 510642；2.廣東煙草韶關市有限公司，廣東韶關 512000；3.廣東煙草韶關市有限公司始興縣公司，廣東韶關 512500)

21世紀以來，隨著煤、石油、天然氣等石化燃料的日益枯竭，生物質能日益凸顯出其潛在的價值[1]。煙葉生產中的烘烤環節是一個大量耗能的過程[2]，雖然我國的煙葉烤房已經從普通烤房改進成了密集型烤房，在一定程度上達到了節能的目的，但在全國各煙區，煙葉烘烤的熱量來源仍然以煤炭為主，隨著能源的日趨緊張，尋找煙葉烘烤能源替代途徑已成為當前烤煙生產中亟待解決的問題[3]。農作物秸稈是地球上最豐富的固體可再生資源之一，也是唯一可運輸與儲存的清潔能源[4]，作為農業大國，我國的生物質產量高居世界首位[5]，但目前的利用途徑多為就地焚燒，不僅造成大量資源浪費，而且帶來諸多環境問題。

當前，生物質顆粒燃料的成型技術已經趨于成熟，近年來研究者們也開展了一定的研究，但主要集中在生物質燃料的成型和制備技術等方面[6-9]。前人研究表明，生物質壓塊燃料具有清潔環保、著火點低、升溫快、可控性強、熱效高、燃燒性好的特點，在煙葉烘烤的各階段，都可以充分調控烘烤工藝條件，從而提高烤后煙葉質量[10-11]。我國煙草行業提出：要發展可持續、社會友好型煙草農業，因此，利用生物質能源逐步替代煤炭成為解決煙葉烘烤環節能耗問題的有效途徑。筆者采用高效生物質顆粒成型設備壓制不同配方的生物質顆粒燃料，通過比較分析不同配方生物質燃料物理特性和燃燒特性的相關指標，以期篩選出符合煙葉烘烤工藝要求的生物質燃料配方，為生物質燃料作為煙葉烘烤替代能源及其進一步的應用提供理論和技術參考。

1 材料與方法

1.1材料試驗于2015—2016年進行，選用廣東省韶關市始興縣木材加工廠提供的木屑、廣東煙草韶關市有限公司始興縣公司馬市煙站提供的煙稈和廣東省韶關市煙葉復烤廠提供的煙梗作為生物質成型顆粒的原材料，利用廣東省韶關市海粵生物科技有限公生產的HCK045A型高效生物質顆粒成型機壓制成不同配方的生物質顆粒燃料，各取2 kg樣品帶回華南農業大學進行燃燒特性相關指標的測定。

1.2處理該試驗設置9個生物質顆粒燃料配方，同時以廣東煙草韶關市有限公司始興縣公司馬市煙站提供的優質無煙煤粉為對照(CK)，共10個處理(表1)。

表1 生物質顆粒燃料配方

1.3測定項目與方法

1.3.1生物組分的測定。參照GB/T 2677.10—1995[12]的方法對生物質燃料中的木質素、纖維素和半纖維素等生物組分進行測定。

1.3.2工業分析及熱值測定。該項目在華南農業大學工程學院農業機械化與產品加工機械實驗室(熱能工程分析室)進行。測定方法：參照國標GB/T 212—2008煤樣的工業分析方法[13]，使用長沙有欣儀器制造有限公司生產的YX-GYFX7701全自動工業分析儀進行工業分析；參照國標GB/T 213—2003[14]的要求，使用長沙有欣儀器制造有限公司生產的YX-ZR天鷹自動熱量儀進行熱值測定。

1.3.3煤灰成分及灰熔點測定。灰分的測定在華南農業大學測試中心進行。測定方法：根據國標GB/T 21923—2008《固體生物質燃料檢驗通則》[15]，并參照歐盟標準“DD CEN/TS15290：2006 Solid Biofuels-Determination of major elements”[16]，采用HF-HClO4分解不同處理燃燒后的灰樣，并用原子吸收法測定Fe2O3、CaO、MgO、K2O、Na2O55項測定指標。SiO2、Al2O32項指標采用GB/T 1574《煤灰成分分析》[17]中的半微量分析法進行測定。

灰熔點的測定在中國科學院廣州能源研究所進行。測定方法參照GB/T 219—2008灰熔點測定的方法[18]，使用ZRC2000智能灰熔點測定儀測定不同處理的灰熔點。

1.3.4物理特性的測定。參照GB/T 217—2008煤的真相對密度測定方法[19]進行。

1.3.4.1真相對密度。計算公式如下：

D=m/(V-V0)

式中，D為生物質成型燃料的密度(g/cm3)；m為試樣的質量(g)；V為加入試樣后量筒水面讀數(cm3)；V0為加入試樣前量筒水面讀數(cm3)。

1.3.4.2抗碎強度。成型燃料跌落后殘存的質量百分數(總質量與損失量的差值除以總質量)反映了其抗跌碎能力的大小。參考煤的抗碎強度測定方法(GB/T 15459—1995)[20]進行測定。

1.3.4.3抗滲水性。目前生物質成型燃料抗滲水性能的測試方法和評價指標還無統一的標準。該次試驗參照目前常用的方法[21]，即將成型燃料樣品置于27 ℃水面下25 mm處，連續觀察成型燃料的形態直至成型燃料完全剝落分解為止，以成型燃料在水中保持完整形態的時間作為評價成型燃料抗滲水性的技術指標，每個處理記錄5次，取平均值。

1.3.5燃燒特性的測定。

1.3.5.1點火特性。用秒表記錄自燃燒器啟動至點火成功持續的時間。

1.3.5.2持續明火時間。用秒表記錄燃料從開始燃燒到燃燒明火熄滅所持續的時間。

1.3.5.3燃盡時間。用秒表記錄燃料從開始燃燒到燃料燃燒成灰燼所持續的時間。

1.3.5.4底灰結渣率測定及計算方法[22]。分別取不同處理的生物質成型燃料(20±0.5)g，在燃燒器內燃燒，進料量、進風量等其他條件一致，待燃燒器停止后，冷卻，將底灰全部取出，稱質量記為m1，篩出灰渣中粒度大于6 mm的渣塊，稱質量記為m2。計算方法：粒度大于6 mm的渣塊占灰渣總質量的百分數，即為該試樣的底灰結渣率C，C=m2/m1×100%。

1.4數據分析采用Microsoft Excel 2003和SPSS 22.0進行數據處理、繪圖和統計分析。

2 結果與分析

2.1不同配方生物質燃料的結構組成分析生物質主要是由纖維素、半纖維素和木質素組成的高聚物，單一生物質的熱解或燃燒行為可以認為是這3種主要組分的綜合表現[23]。生物質中纖維素含量越高，揮發分的析出越多，燃燒越劇烈；木質素含量越高，焦炭燃燒反應越劇烈；半纖維素的燃燒以揮發分燃燒為主，其含量越高，越促進揮發分和焦炭的燃燒，但影響程度低于纖維素或木質素的影響[24]。對不同配方生物質顆粒燃料生物結構組成的分析(因CK處理為100%煤粉，因此未進行此項分析)結果如表2所示，處理②(100%木屑)的纖維素、木質素和半纖維素等生物組分含量最高，其次是處理⑥(50%木屑+50%煙稈)和處理④(100%煙稈)，與其他各生物質配方處理相比均達到顯著水平。

表2 不同配方生物質燃料的結構組成

注：表中同列數據后的不同字母表示在0.05水平差異顯著，相同字母表示在0.05水平差異不顯著

Note：Different letters after data in the same column represent 0.05 significant differences.The same letters represent 0.05 insignificant differences

2.2不同配方生物質燃料的工業分析及熱值比較表3顯示，不同配方生物質顆粒燃料的工業分析與CK(100%煤粉)相比存在較大的差異。從含水量來看，最低的是CK，僅為2.71%；最高的是處理⑤(50%木屑+50%煙梗),達18.18%;含有煙梗的生物質配方(處理③、⑦、⑨)含水量明顯高于其他處理。揮發分仍然以CK最低(10.94%)，含有木屑和煙稈配方的揮發分含量也較高，且所有含有生物質配方處理的揮發分都顯著高于CK。灰分分析結果差異顯著，CK處理顯著高于所有的生物質配方處理，從各生物質配方處理間的比較來看，含有煙梗的配方(處理③、⑤、⑦、⑨)較高，而含有木屑和煙稈的處理較低，尤以處理②(100%木屑)最低。固定碳含量顯示，CK處理(達46.47%)遠遠高于所有生物質配方處理，從生物質配方處理間的比較看，煙稈在3個生物質材料中固定碳含量是最高的，因此其他各配方只要有煙稈，固定碳含量就較高，而含有煙梗的配方則較低。

生物質燃料是由多種可燃質、不可燃的無機礦物質及水分組成的，生物質燃料揮發分產率通常高于固定碳產率，煤的揮發分與固定碳的產率之比通常小于1.0，而生物質通常大于4.0。由表3結果計算出處理①～⑨的揮發分與固定碳產率比依次為1∶5.0、4.9∶1、5.1∶1、4.3∶1、4.8∶1、4.7∶1、5.0∶1、3.1∶1、3.3∶1、3.4∶1。結果顯示，生物質顆粒燃料的揮發分與固定碳的產率比較高，均在3：1以上，而CK處理僅為1∶5。可見，與煤粉相比，生物質顆粒燃料的揮發分與固定碳產率比較高，因此燃燒更容易進行，反應更劇烈[25]。

表3不同配方生物質燃料的工業分析

Table3Theindustrialanalysisofdifferentformulabiomassfuels%

注：表中同列數據后的不同字母表示在0.05水平差異顯著，相同字母表示在0.05水平差異不顯著

Note：Different letters after data in the same column represent 0.05 significant differences.The same letters represent 0.05 insignificant differences

熱值分析結果見表4，CK處理(100%煤粉)的熱值最高，發熱量達24.03 MJ/kg，顯著高于其他生物質配方處理。從各生物質配方之間的比較來看，由于煙梗的發熱量最低，因此凡含有木屑和煙稈配方處理的發熱量都要高于含有煙梗配方的處理，表明木屑和煙稈在燃燒過程中的熱值要高于煙梗。

2.3不同配方生物質燃料的煤灰成分及灰熔點比較秸稈類生物質在生長過程中會吸收一定量的堿金屬元素，這些元素以鹽或氧化物等形式存在于生物質機體內，這些物質的熔點相對較低，大部分700～900 ℃。當秸稈類生物質固體成型燃料在鍋爐內燃燒時，爐內溫度遠高于堿金屬化合物的熔點，導致爐排上的秸稈灰在800～900 ℃時就開始發生軟化，溫度過高時灰分會全部或者部分發生熔化，形成玻璃狀堅硬爐渣，難以清除；另外，煙氣中夾帶著熔化或半溶化的堿金屬硅酸鹽，在接觸到鍋爐內壁面時凝結，不斷積聚，最終產生嚴重的積灰、結渣等問題[26-28]，影響燃燒。

表4不同配方生物質燃料的熱值比較

Table4ComparisonofheatvalueofdifferentformulabiomassfuelsMJ/kg

注：表中同列數據后的不同字母表示在0.05水平差異顯著，相同字母表示在0.05水平差異不顯著

Note：Different letters after data in the same column represent 0.05 significant differences.The same letters represent 0.05 insignificant differences

圖1顯示了不同處理燃料的底灰成分及其與結渣率的關系。從底灰成分來看，CK(100%煤粉)中Na、K、Ca、Mg的含量均低于生物質顆粒燃料，而Al和Si的含量則相對較高。比較各生物質配方燃料中的底灰成分發現，Na、Mg、Fe含量以煙稈和木屑配方的處理較高，而煙梗則較低，但含有煙梗配方的生物質燃料中K和Ca含量較高。底灰結渣率以處理⑨(10%煤+90%煙梗)最高，達50%以上；其次是處理③、⑧、⑩，而處理②(100%木屑)和處理⑥(50%木屑+50%煙稈)的底灰結渣率比CK低。

表5的灰熔融性分析結果表明，燃燒過程中，CK(100%煤粉)處理的變形溫度、軟化溫度、半球溫度和流動溫度等均高于各生物質配方處理。各生物質配方處理之間的比較結果顯示，加了10%煤粉的配方(處理⑧、⑨、⑩)灰熔點溫度相對較高，較為接近CK處理，其他未添加煤粉的生物質配方中則以處理⑥(50%木屑+50%煙稈)較高，100%木屑和100%煙稈較低，其中，含有煙梗配方的處理(③、⑤、⑦)則未能觀測到灰熔點溫度，原因是在溫度升到900 ℃之前，這3個處理的灰錐已經坍塌，因此無法讀取數據。

羅娟等[22]研究表明，生物質燃料的灰熔融特性對其結渣率的影響較大，同時生物質燃料的結渣趨勢與 Si、堿金屬和堿土金屬含量有關。對大多數生物質燃料來說，軟化溫度越高，結渣率越低，Si和堿金屬含量越大，越易于結渣，堿土金屬含量越大，越抗結渣。結合圖1和表5的結果分析發現，生物質顆粒燃料的底灰結渣率不僅與灰分中礦質元素含量有關，而且綜合結果表明，處理⑥(50%木屑+50%煙稈)由于堿金屬(Na、K)含量較低，而堿土金屬(Ca、Mg)和Fe含量較高，同時其灰熔點溫度較高，因此底灰結渣率較低。

圖1 不同處理底灰元素與結渣率Fig.1 Chemical components and clinkering rate of bottom ash in different treatments

注：處理③、⑤、⑦在溫度升到900 ℃之前灰錐已經坍塌，無法讀出灰熔點溫度

Note：Ash piles of treatments ③，⑤，and ⑦ had collapsed before the temperature reached 900 ℃.Their ash fusion temperatures could not be read

2.4不同配方生物質燃料的物理特性生物質顆粒燃料除燃燒特性外，其物理特性也是重要的檢測指標，直接影響到生物質燃料的使用、運輸和貯存，其中松弛密度和耐久性就是衡量物理品質特性的2個重要指標[29-30]。有人將耐久性又具體細化為抗變形性、抗跌碎性、抗滾碎性、抗滲水性和抗吸濕性等幾項指標，通過不同的試驗方法檢驗生物質燃料的黏結強度，并采用不同的指標來表示各項性能[31]。表6的試驗結果表明，含水量為8%～16%的生物質原材料采用HCK045A型高效生物質顆粒成型機熱壓成型并放置一段時間后，各配方顆粒燃料的真相對密度、抗碎強度、平均粒長和抗滲水性顯示出一定差異。生物質原料壓塊成型后的顆粒真相對密度以含有10%煤粉的處理(⑧、⑨、⑩)較大，其次是含有煙稈配方處理較大，含有木屑配方處理(②、⑤)的真相對密度明顯較低。從抗碎強度來看，100%的生物質配方處理以煙梗最強、木屑最低，而不同生物質混合配方則以50%煙梗+50%煙稈最大，生物質與煤粉的混合配方中，仍然以煤粉+煙梗最高。成型顆粒長度顯示為，處理③(100%煙稈)、⑦(50%煙梗+50%煙稈)、⑨(10%煤+90%煙梗)平均粒長較大，顯著高于其他處理，100%木屑配方的平均粒長最小，說明木屑成型性稍差。吸水性會嚴重影響生物質顆粒燃料的貯存和運輸，表6結果顯示，以木屑為原材料的配方(處理②)抗滲水性最低，浸在水中僅3.82 min即剝落分解，最高的則是處理⑩(10%煤+90%煙稈)，其次為處理⑨、⑦、⑥。總體來看，凡是含有木屑配方的生物質顆粒燃料抗滲水性都較低，含有煙稈和煙梗的配方則具有較高的抗滲水性。

表6 不同配方生物質燃料的物理性狀

注：表中同列數據后的不同字母表示在0.05水平差異顯著，相同字母表示在0.05水平差異不顯著

Note：Different letters after data in the same column represent 0.05 significant differences.The same letters represent 0.05 insignificant differences

2.5不同配方生物質燃料的燃燒特性研究有研究表明，生物質顆粒燃料揮發分越高、含水率越低，點火時間越短[28]。從表7可以看到，CK處理(100%煤粉)的點火時間和燃盡時間最長，均顯著大于其他處理，生物質顆粒燃料的點火時間較混煤成型顆粒要短，但混煤成型顆粒的燃盡時間較長。處理⑥(50%木屑+50%煙稈)、⑤(50%木屑+50%煙梗)的點火時間最短，顯著低于其他處理，說明木屑較其他生物質更容易點火，而混有煤粉配方的處理(⑧、⑨、⑩)點火時間較長。CK處理(100%煤粉)的明火持續時間最短，顯著低于各生物質配方處理，而生物質配方中以處理⑥的明火持續時間最長，其次是處理③，而含有煙梗的生物質顆粒燃料(處理③和⑤)明火持續時間較短。從整體燃燒持續時間來看，CK(100%煤粉)的燃盡時間最長，但由于其揮發分含量較低其點火時間也最長，其他生物質配方則以處理②、⑧、⑩、④的燃盡時間較長，顯著高于其他處理，而處理③(100%煙梗)和處理⑤(50%木屑+50%煙梗)的燃盡時間較短，表明煙梗的燃燒持續性較低。

表7不同配方生物質燃料的燃燒特性

Table7Thecombustioncharacteristicsofdifferentformulabiomassfuels

處理Treat-ment點火時間Ignition times持續明火時間Flaming durationmin燃盡時間Burnout timemin①(CK)954.67±5.78 f244.33±11.92 a134.11±7.23 f②477.34±6.94 bc418.36±6.93 fg87.33±4.33 de③452.36±8.98 b286.67±6.94 b51.67±2.03 a④497.68±7.27 cd386.34±3.84 ef88.11±4.04 e⑤421.67±10.17 a270.23±11.55 ab54.57±2.03 ab⑥411.12±7.00 a441.27±14.72 g71.79±2.07 cd⑦459.23±7.22 b349.43±10.97 cd68.35±1.73 bc⑧557.73±10.11 e365.57±13.57 de93.78±1.53 e⑨513.54±9.45 d328.46±10.39 c77.67±3.18 cde⑩524.37±5.78 d386.67±4.91 ef87.35±1.45 de

注：表中同列數據后的不同字母表示在0.05水平差異顯著，相同字母表示在0.05水平差異不顯著

Note：Different letters after data in the same column represent 0.05 significant differences.The same letters represent 0.05 insignificant differences

3 結論與討論

近年來，可再生能源因其可再生性、取之不竭等特點成為社會各界關注的焦點，并被廣泛應用于各項耗能產業。因此，深入探討可再生能源在我國煙葉烘烤中的發展現狀及應用前景，不僅有利于降低烤煙生產成本，緩解能源危機，而且有利于我國烤煙生產的可持續發展[32]。該試驗研究表明，生物質顆粒燃料除具有優良的物理特性，還具備揮發分含量高、點火時間短、持續明火時間長、結渣率低等燃燒特性，這與王漢文等[11]的研究結果基本一致。此外，前人已采用生物質氣化發生裝置將各類農作物秸稈、廢棄煙桿、煙梗通過燃氣發生爐進行控氧燃燒使其熱解出由一氧化碳、氫氣、甲烷等組成的可燃氣體，經管網送往各烤房實現自動控制烘烤煙葉，通過試驗得出生物質能源煙葉烘烤系統與傳統煙葉烘烤系統從操作、烘烤工藝控制、煙葉品質、干煙成本和節能減排等方面均較優越[3]。譚方利等[10]也曾對生物質壓塊燃料與煤炭進行對比研究，得出生物質壓塊用于煙葉烘烤可以充分調控煙葉烘烤工藝，能降低煙葉烘烤成本，節能減耗，提高煙葉質量。該試驗旨在篩選出適合煙葉烘烤的最佳生物質燃料配方，為生物質燃料在煙葉烘烤上的應用提供理論依據，以期達到替代煤炭、節能環保、降本減工的目的。同時該試驗得出以下結論：木屑和煙稈配方的生物質顆粒燃料的纖維素、木質素等生物組分含量較高，以此為原料制成的生物質顆粒燃料揮發分高，熱值也較高，同時由于含水量和灰分較低，因此燃燒時點火時間短但燃燒持續時間卻較長，尤以50%木屑+50%煙稈處理較優。

燃料的灰熔融性與結渣率相關，軟化溫度越高、結渣率越低。與煤相比，生物質顆粒燃料的軟化溫度較低，但從各生物質材料之間的比較來看，以50%木屑+50%煙稈混合制成的顆粒燃料軟化溫度較為接近煤，因此結渣率與煤相差不大，但大大低于其他生物質配方。從底灰元素來看，Al和K的含量對生物質燃料結渣率有較大的影響，此2種元素含量越高，生物質燃料結渣越嚴重。

制粒長度、抗碎強度、抗滲水性等物理特性對生物質燃料的貯藏和運輸有重要影響，以煙稈和煙梗為原料制成的生物質顆粒燃料相對密度較大，平均粒長較長，抗碎強度和抗滲水性均較高。

從熱值、燃燒性能是否符合煙葉烘烤工藝要求，并結合貯藏和運輸環節綜合考慮，該試驗認為50%木屑+50%煙稈是較為理想的可替代煤炭的生物質燃料配方，雖然混合10%煤粉能一定程度上增加熱值，但在制粒過程加入煤粉對生物質成型設備的機械磨損較大，不利于設備的養護，且在混合過程中需要增加人力，也不利于生產成本的降低。