生物質燃料長期堆儲理化特性研究及應用

李定青，符 艷

（廣東粵電湛江生物質發電有限公司，廣東 湛江 524300）

0 引言

國內外學者對生物質燃料儲存過程中的理化特性變化規律開展了相關研究和現場試驗工作。張中波等［1］在北方地區對玉米秸稈和木質燃料顆粒進行袋裝、半封閉、露天3 種儲存方式開展儲藏試驗，結果表明2 種顆粒在3 種儲存方式下機械耐久性都保持在94.46%以上，生物質顆粒燃料未出現發霉現象，全水分和堆積密度變化規律受氣候變化規律相吻合，灰分和揮發分保持則穩定狀態初始狀態，這為生物質顆粒燃料的安全儲存提供理論依據。劉建輝等［2］開展農作物秸稈在遮雨通風條件下的儲存研究，結果表明在四川省2009 年至2011 年的正常年份下，小麥、玉米、油菜和棉花這4 種秸稈捆在遮雨通風的自然環境中均可安全儲存并作燃料，唯有水稻秸稈捆儲存期間發生霉變，不適合做燃料。田宜水等［3］開展儲存方式對生物質燃料玉米秸稈的儲存特性的影響研究，針對整株、打捆、粉碎3 種預處理方式，且分別儲存在露天、覆蓋、密封條件下的秸稈進行為期5 個月試驗研究，結果表明生物質燃料玉米秸稈的發熱量與全水分呈負相關變化，與整株和打捆秸稈相比，粉碎秸稈發熱量下降約1 000 kJ／kg，研究建議秸稈長期儲存時，應優先選擇整株或打捆秸稈，露天和覆蓋儲存則需要進一步研究確定。蘇俊林等［4］對生物質顆粒燃料灰行為研究現狀進行綜述，指出生物質燃料灰行為問題的解決有助于生物質燃料成為未來新能源的重要組成部分。霍麗麗等［5］對不同季節供應的生物質燃料的物理和熱化學特性變化進行研究，研究結果建議在生物質原料儲藏、運輸、壓縮成型等設備的設計過程中，應充分考慮不同種類原料堆積密度、流動特性等物理特性的差異，而生物質原料的燃燒過程，不僅涉及不同種類原料的差異，還應考慮不同季節造成的影響。楊佩旋［6］對湛江地區生物質直燃發電相關問題進行分析，提出推進湛江地區生物質直燃發電產業快速有序發展的合理化建議。廖艷芬等［7］對我國南方典型生物質燃料進行熱解和燃燒實驗研究，結果表明草本類燃料由于組成結構簡單，脫揮和著火過程性能較好，木質類燃料因組成成分不同導致燃燒特性有較大差異。張迪茜［8］對生物質能源研究進展和應用前景進行綜述，建議對非糧生物質資源、農林廢棄物重點發展，加強對生物質電廠建設前期調研和科學布局規劃。謝祖琪等［9］對遮雨通風自然環境和相對濕度恒定環境的兩種儲存條件的小麥秸稈進行試驗研究，結果表明無論是正常年份，還是相對濕度較大的特殊年份，麥秸捆儲存期間芯部溫度均沒有超出安全水平線，儲存前后絕干熱值沒有明顯影響，麥秸捆均可安全儲存并作能源利用。國內其他研究學者［10－12］開展了生物質能利用相關的試驗和研究工作。

1 試驗燃料及方法

1.1 試驗燃料

選取湛江地區產量最多的桉樹皮作為試驗研究的生物質燃料，燃料特性分析見表1 和表2，熱值為5 295 kJ/kg，試驗期間通過測量料堆內部溫度，記錄溫度變化趨勢，通過定期采樣、化驗分析試驗燃料的水分和熱值的變化趨勢。

表1 燃料（桉樹皮）元素分析 %

表2 燃料（桉樹皮）工業分析

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗環境

本試驗建立不同的生物質燃料堆儲試驗環境，試驗分為室內和露天（自然環境下）進行。

1.2.2 試驗時間

頸椎按摩操主要是通過主動活動鍛煉，達到疏通血脈和調暢氣機的目的，配合其他治療重新恢復頸椎的活動調節功能，從而達到消除緩解頸椎病的臨床癥狀，在治療康復頸椎病上有其應用的理論依據。頸椎按摩操同時具有護士易于指導督促患者正確練習的特點，且易學易練，是值得推廣的康復鍛煉方法。

考慮A 電廠每年3—7 月為燃料的堆儲高峰期，該時間段電廠所在地區氣溫、濕度較高對堆儲燃料的理化特性影響顯著，具有較大的研究價值。

試驗研究時間為120 天，試驗期間每天對儲存燃料進行1 次測溫，每周對試驗燃料進行1 次采樣化驗分析。

1.2.3 試驗堆儲設計

試驗燃料為電廠從同一燃料供應商同一批次采購的燃料，燃料的品質（水分、熱值）基本保持一致。燃料堆儲按照試驗方案設計分室內和露天環境，分別按15 m×10 m×9 m 規格進行堆垛，燃料堆垛模型見圖1。

圖1 儲存燃料堆垛模型

1.2.4 試驗測定方法

燃料測溫采用熱電偶測量儀，測量儀由測量棒和儀表組成，為可分離式，避免使用過程中損壞儀表。根據燃料堆垛規格，分別選取3 m 和7 m 長熱電偶測量儀進行測量。燃料測溫方法采用網格測量法，分別在燃料堆垛的上、中、下層進行網格測量，每層測量16 處溫度點。

燃料取樣按照堆垛的上、中、下層分別采取表層和內部樣品，每個采樣點取樣不少于2 kg 燃料，所采集樣品采用塑料儲料袋進行封裝，送至電廠燃料化驗室進行化驗分析。

燃料全水分按照GB／T 28733—2012《固體生物質燃料全水分測定方法》測量，在（105±2）℃的空氣干燥流中，鼓風條件下，烘至樣品質量恒重，水分修正后計算全水分。燃料熱值采用彈筒發熱量測定方法進行測定。

2 試驗分析

2.1 表面觀察

露天（自然條件下）試驗燃料顏色加深，部分燃料發黑、輕微腐爛，尤其是料堆底層燃料受潮濕或雨水天氣影響出現發黑、腐爛的現象較嚴重。

室內試驗燃料表面顏色加深，未出現發霉或腐爛現象。

2.2 溫度變化

不同堆儲環境下試驗燃料內部溫度變化規律如圖2 所示。可以看出，電廠所在地屬于北回歸線以南的低緯度地區，在試驗時間段內，堆場氣溫基本維持在30 ℃，屬于典型亞熱帶季風氣候。

露天（自然條件下）和室內堆儲燃料內部溫度都出現了上升的趨勢，可能是生物質燃料在受生物降解或生化降解產生熱量引起的。

圖2 試驗燃料溫度變化

露天（自然條件下）堆儲燃料內部溫度隨著時間增長，溫度逐漸上升，堆儲大概91 天料堆內部溫度達到80 ℃。而室內堆儲燃料內部溫度隨著時間增長，溫度逐漸上升且上升速度比露天（自然條件下）堆儲燃料要快一些，大概86 天燃料內部溫度達到了80 ℃。

不同堆儲環境下，堆儲燃料內部溫度變化存在差異，主要是由料堆的通風形式不一致引起。露天（自然條件下）堆儲燃料暴露在空氣中，自然通風條件良好，料堆部分熱量隨著自然通風帶走，溫度降低。而室內堆儲燃料自然通風條件相對較差，主要靠料堆內部和外表面的溫度差形成對流帶走部分熱量。

2.3 水分變化

不同堆儲環境下試驗燃料全水分（空干基）變化規律見圖3 所示。隨著燃料堆儲時間延長，不同堆儲環境的燃料全水分變化具有明顯的區別，露天（自然條件下）堆儲燃料隨著時間變化，燃料全水分從54.82%增長至58.64%，增加了3.82 個百分點。考慮到試驗期間電廠所在地區濕度分布在60%～95%，共有9 天雨天，露天堆儲燃料全水分增長主要受雨水和潮濕天氣影響所致。燃料露天堆儲大概86 天，全水分增長較緩慢，可認為燃料水分基本達到飽和狀態。

圖3 試驗燃料水分變化

室內堆儲燃料隨著時間變化，燃料全水分從54.82%減少至46.2%，減少了8.62 個百分點。室內燃料堆儲大概84 天后，全水分減少較緩慢，可認為室內燃料基本達到自然烘干的平衡狀態。

2.4 熱值變化

不同堆儲環境下試驗燃料熱值（低位發熱量）變化規律如圖4 所示。可以看出，隨著燃料堆儲時間的變化，不同堆儲環境的燃料熱值變化趨勢不同。露天（自然條件下）堆儲燃料隨著時間變化，燃料熱值從5 358.76 J／g 下降至4 686.45 J／g，下降了12.54%。考慮到露天堆儲燃料受雨水和潮濕天氣影響，燃料全水分增加直接影響熱值。此外，長期堆儲的高水分燃料由于生物降解造成干物質和熱量損失也是造成燃料熱值下降的另一主要原因。

室內堆儲燃料隨著時間變化熱值由5 358.76 J／g增加至7 281.56 J／g，增加了35.89%，室內堆儲大概85 天后，燃料熱值基本保持不變。室內堆儲燃料熱值增加主要受燃料全水分下降影響，此外，值得注意的是室內燃料在自然烘干過程中生物降解造成的干物質和熱值損失逐漸減少，對室內儲存燃料的影響相對較小。

圖4 試驗燃料熱值變化

2.5 降解損耗差異變化

生物質燃料堆儲過程的熱值損失一是由于生物質燃料全水分變化，二是由于堆儲過程中生物降解造成。試驗已對生物質燃料堆儲過程的水分和熱值進行了測定，考慮利用試驗數據對不同堆儲環境下的生物質燃料的降解損耗進行評估。門捷列夫經驗公式［13］估算固體或液體燃料熱值適用性廣，結果較為準確，因此在分析生物質燃料堆儲降解損耗差異值時利用門捷列夫經驗公式來估算生物質燃料降解損耗差異值：

式中：Q0為未考慮降解損耗的燃料低位熱值，J／g；ρC為應用基含碳量質量分數，%；ρH為應用基氫質量分數，%；ρO為應用基氧質量分數，%；ρS為應用基硫質量分數，%；ρW為應用基水分，%；Q1為生物降解損耗熱值，J／g；Q2為考慮生物降解損耗的燃料低位熱值，J／g。

綜合門捷列夫經驗公式（1）、式（2）對室內、室外堆儲生物質燃料的降解損耗差異進行估算，變化規律如圖5 所示。

圖5 試驗燃料降解差值變化

由圖5 可以看出，隨著燃料堆儲時間變化，室外與室內堆儲燃料的生物降解損耗差值逐漸增大，增大速率逐漸變緩。根據圖5 估算數據進行統計分析，試驗燃料生物降解損耗差值與時間具有正相關性，利用Origin 軟件對降解損耗差值變化采取二元回歸方法進行曲線擬合，設立二元回歸方程式：

式中：ΔQ1為室內外堆儲燃料生物降解損耗差值；t為試驗時間；a、b、c 為二元回歸方程常數。

對降解損耗差值變化數據進行曲線擬合，結果如圖5（紅色曲線）所示，擬合結果曲線方程為

其中，曲線擬合相關系數R＝0.993 94，R 絕對值接近1，說明相關性較高。

結果表明，利用不同堆儲環境的試驗燃料的水分、熱值變化預測燃料的降解損耗差異值是可行的，降解損耗差異值是逐漸增大，但增大速率逐漸變緩，該預測結果對為生物質燃料堆儲經濟性具有重要的參考和指導意義。

3 結論

生物質燃料堆儲過程中，不同的堆儲環境會引起燃料的理化特性發生變化，從而對生物質燃料的使用安全性和經濟性產生較大的影響，通過試驗研究得出以下結論：

1）露天堆儲的生物質燃料全水分增加3.82 個百分點，而室內堆儲的生物質全水分隨著時間變化下降8.62 個百分點，試驗結果表明氣候屬于多雨潮濕地區的生物質燃料不適合露天長期堆儲。

2）露天堆儲的生物質燃料熱值下降12.54%，室內堆儲的生物質燃料熱值增加35.89%，試驗結果表明生物質燃料在室內堆儲過程中自然烘干效應明顯，熱值增加，有利于提高生物質燃料的使用效率，而露天堆儲的生物質燃料受雨水潮濕天氣影響，熱值降低，且高水分生物質燃料堆儲過程受生物降解效應明顯，干物質和熱值損失也不容忽視。

3）露天（自然條件下）和室內堆儲生物質燃料內部溫度都出現了上升的趨勢，且室內堆儲環境下的生物質燃料內部溫度上升更快。露天堆儲超過91 天燃料內部溫度上升超過80 ℃，室內堆儲超過86 天燃料內部溫度上升超過80 ℃。試驗結果表明，生物質燃料長期堆儲過程中受生物降解和通風形式影響，燃料內部溫度升高，露天和室內堆儲超過86 天燃料內部溫度都超過了80 ℃，應及時使用避免燃料自燃發生火災事故。

4）通過試驗數據測試及統計分析，利用不同堆儲環境的試驗燃料的水分、熱值變化預測室內外堆儲燃料的降解損耗差異值是可行的，結果表明，降解損耗差異值是逐漸增大，但增大速率逐漸變緩，該預測結果對為生物質燃料堆儲經濟性具有重要的參考和指導意義。

綜上所述，考慮生物質燃料使用安全性和經濟性，電廠對長期堆儲的生物質燃料采取室內堆儲方式，建立燃料存放使用臺賬，堅持每日測溫和燃料定期輪換使用規定，燃料堆儲時間最長不超過90天，一旦燃料內部溫度超過80 ℃立即置換使用，通過采取以上措施后電廠燃料堆儲損耗下降，發電效益提升，同時有效避免了生物質燃料自燃發生火災事故。