我國木薯莖稈資源的能源利用

楊琴　鄭華

摘 要 通過介紹生物質(zhì)能源在我國的利用情況以及木薯莖稈的基本特性，探討了生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)形式以及木薯莖桿的能源利用，并以實際數(shù)據(jù)對照分析其經(jīng)濟效益。結(jié)果表明，通過生物質(zhì)聯(lián)產(chǎn)方式能實現(xiàn)木薯莖稈的能源利用，保障聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)高效能。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)能源；木薯莖稈；能源利用

中圖分類號：S533 文獻標(biāo)志碼：C 文章編號：1673-890X（2014）10--2

生物質(zhì)能源主要是指以在土地上種植的能源植物作為能源生產(chǎn)的原材料。在世界物質(zhì)能源缺口日益增大的國際化背景下，研究生物質(zhì)能源利用方式可以在一定程度上緩解能源危機。木薯莖稈是一種優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)能源，作為產(chǎn)熱原料，可釋放出大量的熱能。有學(xué)者在以木薯稈熱值開發(fā)的基點研究中，利用木薯稈厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，效果顯著[1]。國外關(guān)于木薯莖桿的應(yīng)用可以追溯到20世紀(jì)30年代，成熟的“木屑顆粒機”便是木薯莖稈的利用方式之一[2]。在我國南方地區(qū)如廣西、海南等地，木薯被廣泛種植。其憑借生命力強、成長快、易于繁殖等優(yōu)勢，已成為許多當(dāng)?shù)鼐用裱a充體內(nèi)能量的主要來源。因此，對我國木薯莖稈資源的能源利用進行深入研究，具備明顯的社會效益和重大的經(jīng)濟效益。

1 生物質(zhì)能源在我國的利用情況

中國生物質(zhì)能源的發(fā)展始于農(nóng)村家用沼氣，出現(xiàn)時間可以追溯到20世紀(jì)中期。沼氣使用主要以秸稈為原材料進行生物質(zhì)產(chǎn)熱。這些年來，我國陸續(xù)施工了許多沼氣工程。至2006年，有近4 000個大中型沼氣池建成，每年有大約3億m?的沼氣生產(chǎn)能力，到2007年，有大約2 000萬農(nóng)戶利用了沼氣池，有近90億m?的沼氣年產(chǎn)量，這為約8 000萬農(nóng)民提供了便利[3]。

在生物質(zhì)應(yīng)用的過程中，人們開始關(guān)心哪些生物原料能產(chǎn)生較好的能效轉(zhuǎn)化效果，而木薯莖桿開始吸引使用者和研究者的眼球。

2 木薯莖稈能源利用的特點

2.1 木薯莖桿燃料的特點

木薯莖桿燃料有高效應(yīng)用價值。盡管它的平均熱值略低于軟木的燃料，但與埃及能源作物灰草相當(dāng)，熔點也與灰草接近。高灰熔點體現(xiàn)著低風(fēng)險的結(jié)渣。與傳統(tǒng)玉米秸稈相比，木薯莖桿的灰分含量略高。

一般情況下，木薯莖桿和別的燃料的燃燒特性有很大的不同，其有較高的鉀、鈣含量與較低的硅含量[4]，這使它具備優(yōu)質(zhì)燃料的條件，但燃燒機理不同于其他生物燃料。在燃燒系統(tǒng)需要專門的工藝來減少氮氧化物，如常用的煙氣凈化工藝，或者采用無火焰燃燒方式等可有效降低氮氧化物的排放量。木薯莖桿燃燒有害物質(zhì)的含量不是很高，但在一些地區(qū)也有出現(xiàn)含量高的情況，需要做進一步的處理。

2.2 原料堆放能改變其燃燒特性

木薯莖桿是一種很有前景的直燃燃料，具有較好的燃燒性能。木薯莖桿經(jīng)過長久地堆積后，燃料特性會有改變。其中，發(fā)熱量增加，使燃料的熱特性增強，減少了氯與硫的含量，能夠防止鍋爐結(jié)渣[5]。但灰分會變得多，使溫度有所下降，會增加結(jié)垢的幾率，加大氮在尾氣中的含量。木薯莖桿整株的疊加和捆綁的堆積密度為70 kg/m?左右，而莖條和粉末與莖條的堆積密度在120～140 kg/m?之間[6]。故木薯莖桿整株的疊加和捆綁的堆積密度要小于莖條和粉末與莖條的堆積密度，這說明的木薯莖桿的空隙率大，易于燃燒，其燃燒的熱能轉(zhuǎn)化率也高。堆放密度數(shù)據(jù)顯示木薯莖桿燃燒效果優(yōu)良，適合在產(chǎn)業(yè)鏈設(shè)計與生產(chǎn)管理中推廣。

2.3 生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)

國內(nèi)學(xué)者[7]為對比以往的發(fā)電方法與生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)方式，以木薯為原料，設(shè)計了木薯稈40萬t（年消耗50%的水含量），生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)、熱電聯(lián)產(chǎn)、單一發(fā)電的三種生產(chǎn)方式。在單一的方式中，許多能量損失在冷卻塔的冷卻與煙氣中，燃料的能量轉(zhuǎn)化比電能少很多。在熱電聯(lián)產(chǎn)里，使用的是低溫加熱裝置代替，該裝置使年發(fā)電量減少了許多。但每年采暖熱得到大幅地增加，能源利用效率上升至90%，在生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)里，鍋爐內(nèi)干物質(zhì)含水量約為10%[8]。這種生產(chǎn)方式的效率可以通過加入蒸汽干燥或優(yōu)化加熱裝置來提高。在此前提下，還能增加熱負(fù)荷，這可能是一個木器廠、米面廠或別的類似工廠。每個工廠電耗小于30 W。這三種方式的年產(chǎn)量相比，產(chǎn)出最大的是生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)方式。

2.4 木薯莖桿粉末燃燒特性

木薯莖桿可用作蒸汽干燥與蒸汽發(fā)電的顆粒材料，木薯稈粉燃燒被認(rèn)為是最節(jié)省費用的。有效的功率調(diào)整與高性能的粉末燃燒過程與整合良好的功率調(diào)整能夠證明上述說法。40 kg木薯稈在機械作用下被粉碎成粒徑小于1 mm，并用專門的實驗裝置對木薯稈粉末燃燒進行了實驗[8]。據(jù)測試，木薯稈氮含量很高，其燃燒時，煙氣中一氧化碳含量少，表明燃料燃燒充分。其鍋爐底灰松軟，很容易將其從鍋爐內(nèi)清除，不會引起機械故障。飛灰的含量比別的生物質(zhì)燃料要高，粉塵排放高，因此，未來安裝的設(shè)備需考慮清潔，而干的煙塵，能夠通過目前的過濾技術(shù)解決。燃燒的實驗表明，在蒸汽鍋爐冷卻部分積累有大量的粉塵，這和木薯稈粉組成成分有聯(lián)系，這些粉塵很軟，易于被清理。

2.5 木薯莖桿壓制顆粒性狀及燃燒特性

通常木薯稈顆粒樣品粉碎使用6 mm篩錘式粉碎機，采用生產(chǎn)能力300 kg/h的小環(huán)模壓輥式顆粒制粒機壓制木薯稈顆粒，把少量蒸汽經(jīng)由專門設(shè)備加進磨碎的木薯稈里，并進行壓模。木薯莖桿含水率是一個非常重要的參數(shù)，造粒過程中，木薯莖桿含水率確定在10%～15%之間[9]。

為了讓住宅或其他小型燃燒裝置也能夠使用木薯桿顆粒燃料，專門用兩種顆粒燃燒爐進行了試驗。第一，燃燒爐裝進低灰燃料后，在較短的燃燒時間內(nèi)，燃燒器很快充滿灰，與空氣分開。第二，應(yīng)用生物技術(shù)研制的高灰顆粒燃燒器，把木薯稈用兩種家用顆粒燃燒爐燃燒，爐內(nèi)溫度高達千度以上，無明顯結(jié)焦出現(xiàn)。兩種燃燒爐只出現(xiàn)小渣顆粒，但易消碎，不堅硬。沒有燃燒的顆粒被引入鍋爐底部繼續(xù)燃燒，在底部的空氣相對較少。要使木薯稈顆粒燃燒充分，需從燃燒爐與木薯稈顆粒性質(zhì)兩方面來考慮改進。endprint

3 木薯莖桿作為生物質(zhì)能源的經(jīng)濟效益分析

作為具有良好經(jīng)濟效益的生物質(zhì)能源，木薯稈的成本低廉，帶來的效益逐年上升?；谄渌镔|(zhì)原料價格分析和目前的木薯莖桿按成本為零的無用物來估計，其市場價為250元/t。在國內(nèi)大部分地區(qū)，生物質(zhì)能源價格=生產(chǎn)價格+政府補貼。國內(nèi)大部分地區(qū)的商業(yè)用電價格為1元/（千瓦小時）其輔助能源消耗的功率較大，約為丹麥1倍。根據(jù)中國顆粒燃料市場現(xiàn)狀與煤顆粒所替代的情況，假定800元/t的顆粒價格，再加上政府補貼，總額為900元/t[10]。大部分地區(qū)木薯稈顆粒與煤的熱值相當(dāng)，但熱效率高出至少50%。除了各種生態(tài)效益，每年的維修成本大約為設(shè)備總金額的10%，而丹麥不到6%。一個生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)廠的總費用大約為4億元，8 000 h的年運營量，可生產(chǎn)16萬t左右的固體顆粒，其總能效大于95%。

在制備顆粒燃料時，當(dāng)達到近20%的年生產(chǎn)能力時，基本可保證成本。對于生物質(zhì)能聯(lián)產(chǎn)，當(dāng)達到近40%的年生產(chǎn)能力時，投資回收期約為5～6年，會有一定收益。目前，在國內(nèi)用顆粒燃料代替煤的情況比較少，但今后的燃料顆粒的發(fā)展空間很大。中國政府對此非常重視，并采取有效的辦法來促進對其的利用，計劃在2020年時，顆粒燃料要達到5千萬t的年產(chǎn)量。隨著一系列有利于可再生能源發(fā)展的稅收措施的出臺，顆粒燃料的價格一定會有所降低。

4 結(jié)語

木薯莖桿作為農(nóng)副產(chǎn)品其可利用價值較高且具備良好的燃燒特性，是我國高質(zhì)量的生物質(zhì)能源之一。通過對國內(nèi)外生物能聯(lián)產(chǎn)的方式探討，表明木薯莖桿在該領(lǐng)域的應(yīng)用所能獲得的總能效超過95%，具有可觀的經(jīng)濟前景。

參考文獻

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（責(zé)任編輯：劉昀）endprint