生物質作為城市能源的可行性初探

陳峻冬

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610017)

能源一直是人類社會的一項重大問題，煤、石油、天然氣等化石燃料，風能、太陽能、潮汐能、地熱能都是人類社會已經開發和利用的能源。生物質作為一種可再生循環的能源，在能源問題上發揮了重大作用。生物質生長時吸收二氧化碳，在燃燒時釋放出二氧化碳，因此，生物質燃燒利用時對環境幾乎沒有污染。生物質主要由纖維素、半纖維素及木質素組成[1]。與化石能源相比，生物質能源水分含量高、親水性強、能量密度低、堆積密度低的特點給后續的儲存、運輸帶來不便，增加了成本，使其不適用于大規模的能源化利用[2]。

生物質的烘焙預處理技術是將生物質加熱去除生物質中的水分和輕質揮發分的過程，是一種有效的熱化學預處理方法。在20世紀30年代，烘焙的木材首次用于氣化爐氣化[3]，直到20世紀80年代，人們期望用烘焙的木材替代木炭用在冶金過程中，法國建立了烘焙預處理的首個示范生產線[4-5]。另一方面生物質壓縮成型實際就是將生物質物料經過處理后，經過機械作用強制通過一個專門設計的孔口，以形成一定的形狀和狀態的產品[6]。通過模具連續成型，從而解決了生物質原料松散、密度較小、運輸和儲存不方便等問題，使得生物質轉換利用的熱效率得到了提高[7]。生物質固化成型燃料具有加工簡單、成本較低、便于儲存和運輸、易著火、燃燒性能好、熱效率高的優點，可作為炊事、供暖的燃料，也可以作為工業鍋爐和電廠的燃料[8]。

20世紀30年代，美國就開始研究生物質壓縮成型燃料技術，并研制了螺旋成型機[9]。日本于20世紀50年代從國外引進生物質成型技術并進行改造，通過對其中加工不同工況的改變，使生物質燃料更為實用化[10]。目前，生物質能已成為歐洲許多國家冬季采暖最主要的燃料，大部分都使用壓縮成型的顆粒燃料，瑞典擁有世界上最大的生物質顆粒燃料市場。瑞典、芬蘭和德國主要用于熱電聯產、小型區域供暖和家庭采暖，提供工業生產能源[11]。將烘焙的生物質壓縮成型，可以獲得能量密度在20～25 GJ/t的燃料。對于生物質資源豐富的國家來說，可以成為一種發展前景非常可觀的替代能源。

本文將經烘焙預處理和機械加壓致密后與烘焙預處理但無加壓致密的生物質的低位發熱量進行對比，來驗證烘焙預處理之后機械加壓密實對于生物質能源的重要性，并進一步說明其作為城市能源的可行性。低位發熱值可以衡量生物質本身作為能源的可行性。本次實驗將會把生物質機械致密為半徑1 cm厚度1 cm的紐扣狀。

1 實驗設計

1.1 實驗材料

本文實驗所用的生物質來自德國漢堡市哈堡區的公園綠地樹葉、樹枝以及少量泥土混合物。實驗依托于漢堡工業大學環境與經濟研究所。由于本次只需直接采取用量熱計測量生物質的低位發熱量，不再進行元素分析與工業分析。

1.2 實驗器材、樣品制備、實驗步驟

1.2.1 實驗器材

實驗器材采用的是IKA公司的C200量熱計，其中C200量熱計中需要用到的附件包括：C5012 防鹵素分解氧彈，C200.1 量杯2 000 ml,C21壓片機，C5030放氣站，C5015.5坩堝固定裝置，C4石英坩堝，C5212.3鉑點火線，C710.8棉線，C27引火線準備件，C248充氧泵。除此之外，還有IKA公司干燥箱、Arendo公司的Caffetiamo研磨機、干燥皿、電子天平。

1.2.2 樣品制備

在實驗正式開始之前，先對生物質進行預處理。從儲存罐里取出適量的生物質，分別等量放入10個100 ml的燒杯，并用電子天平記錄重量。將10個燒杯編號為1～10號樣品放入105℃干燥箱上層干燥12 h以上，讓水分盡量揮發。然后取出之后放入干燥皿，由于空氣中含有水分，所以將生物質分別快速取出測量其干燥后重量。重量的變化如表1。

表1 生物質在烘焙預處理前后的重量變化

注：1～5號為經過烘焙預處理并機械加壓致密；6～10號為經過烘焙預處理無機械加壓致密。表2同理。

本實驗研究機械加壓密實對生物質發熱量的影響，于是先將編號1～10號樣品放入研磨機研磨至粉末狀，再將編號1～5號的樣品分別從干燥皿取出放入C21壓片機，機械加壓至直徑為1 cm,厚度為1 cm的紐扣大小。機械加壓完畢之后將編號1～10號的樣品再放入105 ℃的干燥箱12 h以上，讓測量重量時所吸收的水分揮發。之后將所有樣品放入干燥皿備用。其中6～10號樣品作為對照組，并沒有進行機械加壓致密處理。

1.3 實驗步驟

(1)將制備好的樣品按編號1～10號樣品排列整齊，首先取出1號樣品與C4石英坩堝，先測量出石英坩堝的重量，再放入樣品測量重量，得到樣品重量。

(2)將樣品連同坩堝放C5012防鹵素分解氧彈，并用C5212.3鉑點火線、C710.8棉線、C27引火線準備件、C5015.5坩堝固定裝置將樣品與引火線充分接觸并放入氧彈固定。然后密閉氧彈，用C248充氧泵注入氧氣15 min，使彈內氣壓維持在30 MPa。

(3)將C200量熱計打開，注入水，并輸入樣品質量等參數，放入氧彈進行測量。

(4)等待計算完畢，記錄數據，將氧彈放入C5030放氣站，釋放氧氣，并取出石英坩堝與燃燒殘渣，清洗干凈，重復上述步驟。

2 實驗結果

實驗結果以單位質量發熱量為單位，實驗結果如表2。

表2 生物質經烘焙預處理以及機械加壓致密后的發熱量

表格中包含每個樣品所測質量以及其低位發熱量。

3 實驗結果分析

根據表1的實驗結果，可以發現生物質的含水率都維持在10 %～20 %之間。如果要將生物質作為城市能源，烘焙預處理便是一個比較重要的處理步驟。根據表2實驗結果，生物質經烘焙預處理后，機械加壓致密之前與之后的發熱量變化不大，介于15 000～20 000 J之間，符合生物質的低位發熱值數據[12]。所以機械加壓致密對于生物質作為能源燃燒并沒有影響。由于機械加壓致密后，使生物質的運輸更加方便，所占用空間更加少，便于推廣使用生物質能源，所以在考慮運輸和儲存生物質的成本時，應將機械加壓致密的成本計入。

4 結束語

生物質作為城市一種替代能源，本身對環境影響不大，但是由于其自身特質，使其在運輸以及儲存上具有相對大的缺點。但是，生物質經過烘焙預處理與機械加壓致密后，其低位發熱量并沒有損失，相反由于這兩項預處理，使得生物質能源利用率變大，并方便運輸與儲存，可作為能源大規模使用。歐洲國家已經在這方面有一定的經驗，要將生物質作為城市能源還需按各地區的情況進行更進一步的研究。