農(nóng)林生物質(zhì)原料熱值比較及煙桿-玉米桿生物質(zhì)燃料優(yōu)化配方研究

?溫麗娜，陶 瓊，歐陽進(jìn)，高福宏，楊正權(quán)，陳 靜，徐 云

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；2.云南省煙草公司昆明市公司，云南 昆明 650051）

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農(nóng)林生物質(zhì)原料熱值比較及煙桿-玉米桿生物質(zhì)燃料優(yōu)化配方研究

溫麗娜1，陶 瓊1，歐陽進(jìn)2，高福宏2，楊正權(quán)2，陳 靜1，徐 云1

（1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所，云南 昆明 650205；2.云南省煙草公司昆明市公司，云南 昆明 650051）

摘 要：以干質(zhì)量熱值測(cè)定為基礎(chǔ)，對(duì)云南省農(nóng)林常見廢棄物進(jìn)行了生物質(zhì)原料篩選，對(duì)煙桿-玉米桿生物質(zhì)成型燃料不同配比進(jìn)行了熱值測(cè)定，并對(duì)不同配比的煙桿-玉米桿生物質(zhì)顆粒燃料成品的燃燒性能進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：木質(zhì)類樣品的干質(zhì)量熱值普遍較高，其次是草本類；秸稈類樣品中以煙桿、玉米桿、麥秸的干質(zhì)量熱值較高。綜合篩選結(jié)果，認(rèn)為煙桿、玉米桿、麥秸可作為生物質(zhì)成型燃料加工制作的理想原料。將煙桿與玉米桿按照不同含量進(jìn)行配比，其中煙桿∶玉米桿＝7∶3處理樣品熱值最高，同時(shí)該含量配比的煙桿-玉米桿生物質(zhì)顆粒燃料成品的綜合燃燒性能最好，可作為煙桿-玉米桿生物質(zhì)成型燃料加工制作的較優(yōu)配比組合。

關(guān)鍵詞：干質(zhì)量熱值；生物質(zhì)；篩選；煙桿；玉米桿；配比

目前我國(guó)一次性能源消費(fèi)仍以煤炭為主，礦物燃料消耗比例過重、能源結(jié)構(gòu)不合理、煤炭高能耗低效率燃燒造成嚴(yán)重環(huán)境污染等問題日益突出[1-2]。生物質(zhì)能是植物葉綠體進(jìn)行光合作用后形成的可再生有機(jī)能源，儲(chǔ)量豐富，清潔環(huán)保，以生物質(zhì)能替代煤炭，是緩解能源緊缺、調(diào)整能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境的有效途徑[3]。我國(guó)生物質(zhì)能資源的開發(fā)利用以農(nóng)林廢棄物，特別是農(nóng)作物秸稈類為主要原料，利用生物質(zhì)成型技術(shù)，將原本松散細(xì)碎的農(nóng)作物秸稈加工轉(zhuǎn)化為質(zhì)地致密、形狀規(guī)則的高品質(zhì)能源燃料，其燃燒特性明顯改善，資源利用率及商品價(jià)值大幅提高，且干凈衛(wèi)生，貯存運(yùn)輸方便，可以替代煤炭和薪柴用于生活、生產(chǎn)領(lǐng)域[4-6]。

云南是農(nóng)業(yè)大省，生物質(zhì)能資源豐富，農(nóng)林作物種類繁多，以云南省重要的經(jīng)濟(jì)作物煙草為例，僅2010年，云南全省烤煙產(chǎn)量就達(dá)96萬t，根據(jù)作物田間秸稈產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量之比，即秸稈系數(shù)（Residue factor）[7]計(jì)算，相應(yīng)的煙稈產(chǎn)量達(dá)49.92萬t。目前，農(nóng)林廢棄物的能源化利用率不到40%，過剩的農(nóng)作物秸稈等被堆放在田間地頭，造成資源浪費(fèi)，特別是農(nóng)作物秸稈直接荒燒，造成嚴(yán)重的空氣污染[8]。對(duì)農(nóng)林廢棄物進(jìn)行原料篩選并擇優(yōu)利用，將其轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能源燃料，是對(duì)生物質(zhì)能資源特別是過剩農(nóng)作物秸稈有效利用最簡(jiǎn)單、最直接的途徑之一，對(duì)保護(hù)耕地資源、改善環(huán)境質(zhì)量、促進(jìn)農(nóng)林經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[9]。

植物干質(zhì)量熱值（GCV）是指1 g植物干物質(zhì)在恒容條件下完全燃燒后所釋放出的熱量值，是判斷以植物干物質(zhì)為原料的生物質(zhì)成型燃料燃燒特性的重要指標(biāo)。以干質(zhì)量熱值測(cè)定為基礎(chǔ)，對(duì)云南省農(nóng)林常見廢棄物進(jìn)行了生物質(zhì)原料篩選，在此基礎(chǔ)上，探索以煙桿為主要原料的生物質(zhì)成型燃料制作工藝，選用玉米桿作為輔助原料，室內(nèi)進(jìn)行了煙桿-玉米桿生物質(zhì)成型燃料制作配比熱值研究，并對(duì)不同配比的煙桿-玉米桿生物質(zhì)顆粒燃料成品的燃燒性能進(jìn)行了測(cè)試，以期為工業(yè)生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

1.1.1 農(nóng)林廢棄物原料 供試樣品主要來源于昆明、騰沖、尋甸、嵩明和功山，原料類別如表1所示。

1.1.2 煙桿-玉米桿生物質(zhì)成型燃料材料 煙桿、玉米桿采集自尋甸縣煙草科技試驗(yàn)基地，均為2015年度成熟后采收的帶根莖株，除去泥土等雜質(zhì)，充分曬干。

1.1.3 煙桿-玉米桿生物質(zhì)顆粒燃料 由尋甸縣煙草科技試驗(yàn)基地加工制作，顆粒直徑8 mm，平均長(zhǎng)度4 cm，試驗(yàn)樣品中純煙桿、純玉米桿、煙桿與玉米桿的含量比分別為9∶1、8∶2、7∶3，另以純煙桿、純玉米桿作為對(duì)照，共5個(gè)含量配比的生物質(zhì)顆粒燃料成品。

1.1.4 全自動(dòng)量熱儀 微機(jī)全自動(dòng)量熱儀（永心ZDHW-6H型，鶴壁市永心電子科技有限公司）和生物質(zhì)新型烘烤機(jī)（KM-9，云南名澤煙草機(jī)械有限公司）。

1.2 方 法

1.2.1 農(nóng)林廢棄物原料篩選熱值測(cè)定 所有樣品采集后充分曬干，用大功率粉碎機(jī)將其充分粉碎呈粉末狀，并于干燥條件下分別裝袋。用電子天平（精確到0.001 g）稱取每個(gè)樣品1 g左右進(jìn)行熱值測(cè)定。每次測(cè)定前，用質(zhì)量范圍在0.95～1.05 g的苯甲酸片對(duì)量熱儀進(jìn)行標(biāo)定，環(huán)境溫度25℃左右。按照微機(jī)全自動(dòng)量熱儀使用方法及操作流程，人工充氧、放氣，量熱儀自動(dòng)進(jìn)行各種計(jì)算，得到被測(cè)樣品的彈筒發(fā)熱量值，即樣品的干質(zhì)量熱值（GCV）。每個(gè)樣品5次重復(fù)稱樣測(cè)定，去除結(jié)果中的最大值及最小值，取中間3次熱值結(jié)果的平均值。

1.2.2 煙桿-玉米桿生物質(zhì)成型燃料制作配比熱值測(cè)定 用大功率粉碎機(jī)將煙桿、玉米桿充分粉碎呈粉末狀，并于干燥條件下分別裝袋。按照煙桿粉末與玉米桿粉末的不同含量比（9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5 和4∶6）將相應(yīng)樣品充分混勻，以此作為該研究的6個(gè)處理，另外以純煙桿粉末、純玉米桿粉末作為對(duì)照，共計(jì)8個(gè)處理。稱樣及熱值測(cè)定方法同1.2.1。根據(jù)熱值測(cè)量結(jié)果，分析對(duì)比上述8個(gè)處理樣品的熱值大小，確定最佳配比。

1.2.3 煙桿-玉米桿生物質(zhì)顆粒燃料成品燃燒性能測(cè)試 分別稱取5個(gè)含量配比的生物質(zhì)顆粒燃料成品，每個(gè)配比2 kg。利用生物質(zhì)新型烘烤機(jī)（KM-9，云南名澤煙草機(jī)械有限公司），對(duì)各個(gè)配比成品的燃燒性能進(jìn)行測(cè)試（見表3）。觀察并記錄：點(diǎn)火時(shí)間、達(dá)到最高燃燒溫度耗時(shí)、最高燃燒溫度、持續(xù)燃燒時(shí)間、充分燃燒后的灰分重量以及結(jié)焦重量。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)林廢棄物原料篩選結(jié)果

由表1可知：供試樣品的干質(zhì)量熱值由高到低依次為樹枝（尋甸）>鋸末（昆明）>煙桿（嵩明）>松球（騰沖）>核桃殼（昆明）>鋸末（騰沖）>飛機(jī)草（尋甸）>玉米桿（嵩明）>樹枝（嵩明）>羅勒（嵩明）>麥秸（騰沖）>檸檬草（嵩明）>鋸末（尋甸）>煙桿（功山）>煙桿（尋甸）>豆桿（昆明）>油菜桿（騰沖）>玉米芯（尋甸）>玉米桿（尋甸）>玉米芯（嵩明）。所有供試樣品中，以木質(zhì)類樹枝（尋甸）的干質(zhì)量熱值最高，達(dá)18 247 J/g；秸稈類玉米芯（嵩明）的干質(zhì)量熱值最低，為15 165 J/g。

表1　供試樣品及其熱值測(cè)定結(jié)果

由上述熱值測(cè)定結(jié)果可以看出：木質(zhì)類農(nóng)林廢棄物的干質(zhì)量熱值普遍較高，供試的7個(gè)木質(zhì)類樣品，其干質(zhì)量熱值由高到低依次為樹枝（尋甸）>鋸末（昆明）>松球（騰沖）>核桃殼（昆明）>鋸末（騰沖）>樹枝（嵩明）>鋸末（尋甸）；草本類農(nóng)林廢棄物的干質(zhì)量熱值較木質(zhì)類稍低，供試的3個(gè)草本類樣品，其干質(zhì)量熱值由高到低依次為飛機(jī)草（尋甸）>羅勒（嵩明）>檸檬草（嵩明）；秸稈類農(nóng)林廢棄物中，煙桿（嵩明）、玉米桿（嵩明）、麥秸（騰沖）的干質(zhì)量熱值分別高于飛機(jī)草（尋甸）、羅勒（嵩明）和檸檬草（嵩明），其余秸稈類樣品的干質(zhì)量熱值均較草本類低。

由表1還可以看出，因采集來源不同，供試3個(gè)鋸末樣品的干質(zhì)量熱值相差264～1 080 J/g，2個(gè)樹枝樣品干質(zhì)量熱值相差741 J/g，2個(gè)玉米芯樣品干質(zhì)量熱值相差1 038 J/g，2個(gè)玉米桿樣品干質(zhì)量熱值相差1 541 J/g，3個(gè)煙桿樣品的干質(zhì)量熱值相差80～1 168 J/g。不同地點(diǎn)同種樣品間干質(zhì)量熱值的差異，可能與樣品采集地的氣候環(huán)境、種植條件、土壤養(yǎng)分和植物本身的生長(zhǎng)狀況等因素有關(guān)。

木質(zhì)類農(nóng)林廢棄物如鋸末、樹枝等，雖然熱值較高，但多是以木材為原料，經(jīng)機(jī)械或化學(xué)方法加工后的剩余物。我國(guó)森林資源有限，大量利用木質(zhì)材料加工制作生物質(zhì)燃料的可行性不強(qiáng)；松球、核桃殼等原料來源易受生產(chǎn)區(qū)域限制，而草本類原料因用途窄，產(chǎn)量低，也不適合用作生物質(zhì)燃料加工。供試樣品中，煙桿、玉米桿、麥秸3種秸稈類原料熱值中等，并且烤煙是云南省重要的經(jīng)濟(jì)作物，玉米、小麥?zhǔn)窃颇鲜≈髟赞r(nóng)作物，煙桿、玉米桿、麥秸資源豐富，便于就地取材，生產(chǎn)、運(yùn)輸、應(yīng)用成本較低，可作為生物質(zhì)成型燃料加工制作的理想原料。

2.2 煙桿-玉米桿生物質(zhì)成型燃料制作配比熱值測(cè)定結(jié)果

由表2可知，純煙桿熱值較純玉米桿熱值高，其原因可能是煙桿中木質(zhì)素、揮發(fā)分含量相對(duì)較高，且所含焦油有一定的助燃作用，而玉米桿中Si元素含量較高，造成其灰分較多，可燃成分相對(duì)較少。

表2　煙桿-玉米桿不同配比熱值

將煙桿與玉米桿按照不同含量配比混合后的樣品熱值較純煙桿樣品熱值高，其原因可能是添加適當(dāng)比例的玉米桿后，樣品整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部空隙率優(yōu)化，進(jìn)而提高了混合樣品顆粒在燃燒過程中的動(dòng)力學(xué)特性。矯振偉等[10]研究發(fā)現(xiàn)，混合生物質(zhì)顆粒具有易著火和單峰值熱解特性，可改善單一成分生物質(zhì)燃料的燃燒性能，測(cè)試結(jié)果與其結(jié)論一致。

不同含量配比中，以煙桿∶玉米桿＝7∶3處理樣品熱值最高，達(dá)17 866 J/g。因此，可將煙桿與玉米桿含量比為7∶3作為煙桿-玉米桿生物質(zhì)成型燃料制作的較優(yōu)配比組合。

2.3 煙桿-玉米桿生物質(zhì)顆粒燃料成品燃燒性能測(cè)試結(jié)果

由表3可知，供試5個(gè)含量配比的生物質(zhì)顆粒燃料成品，點(diǎn)火時(shí)間均在5 s之內(nèi)；達(dá)到最高燃燒溫度耗時(shí)以煙桿∶玉米桿＝8∶2配比最慢，需26 min，純煙桿配比最快，僅需15 min；純煙桿配比的最高燃燒溫度可達(dá)450℃，其次為煙桿∶玉米桿＝7∶3配比；各個(gè)含量配比的生物質(zhì)顆粒燃料成品（2 kg）以煙桿∶玉米桿＝7∶3配比的持續(xù)燃燒時(shí)間最長(zhǎng)，為46 min，與純玉米桿配比的持續(xù)燃燒時(shí)間相當(dāng)，且較其他含量配比的持續(xù)燃燒時(shí)間延長(zhǎng)10 min左右；從各個(gè)含量配比的生物質(zhì)顆粒燃料成品（2 kg）燃燒后的結(jié)焦情況來看，煙桿∶玉米桿＝7∶3和煙桿∶玉米桿＝8∶2兩個(gè)配比的燃燒較為充分，結(jié)焦量均為0，但煙桿∶玉米桿＝8∶2配比的生物質(zhì)顆粒燃料成品燃燒后灰分較多。

表3　不同含量配比煙桿-玉米桿生物質(zhì)顆粒燃料燃燒性能

綜合以上觀察指標(biāo)，煙桿∶玉米桿＝7∶3含量配比的生物質(zhì)顆粒燃料成品燃燒性能最優(yōu)。

3 小結(jié)與討論

研究表明，木材中木質(zhì)素含量為27%～32%，禾苗類植物木質(zhì)素含量為14%～25%[11]。木質(zhì)素含量的多少，與植物干物質(zhì)的燃燒特性密切相關(guān)。對(duì)秸稈類生物質(zhì)而言，揮發(fā)分和固定碳含量與其熱值呈極顯著正相關(guān)，而灰分含量與其熱值呈極顯著負(fù)相關(guān)[12]。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)類農(nóng)林廢棄物的干質(zhì)量熱值較草本類高，且煙桿熱值較玉米桿熱值高，兩項(xiàng)測(cè)定結(jié)果與上述結(jié)論一致。

通過對(duì)煙桿進(jìn)行化學(xué)分析可知，煙桿成分組成與木材相似，主要是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等[13]。煙桿中碳含量達(dá)40%以上，因此將煙桿或煙桿與其他秸稈混合后的生物質(zhì)原料壓縮成型后，密度可達(dá)0.8～1.3 kg/m3，能量與中值煤相當(dāng)。熱值測(cè)定結(jié)果表明，將煙桿與玉米桿以含量比7∶3進(jìn)行配比，其熱值高達(dá)17 866 J/g，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)原煤的61%（我國(guó)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)原煤的熱值為29 309 kJ/kg），理論上講，1.64 t該燃料相當(dāng)于1 t標(biāo)準(zhǔn)原煤。由此可見，煙桿-玉米桿生物質(zhì)成型燃料的應(yīng)用前景十分廣闊。

測(cè)試供試樣品的熱值均以干質(zhì)量熱值表示，未考慮樣品本身灰分含量的影響。下一步的深入研究將以去灰分熱值（AFCV）為重點(diǎn)，探討樣品灰分含量對(duì)煙桿-玉米桿生物質(zhì)成型燃料熱值的干擾作用。

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（責(zé)任編輯：肖彥資）

Comparison of Calorific Value of Agro-forestry Biomass and Optimal Formula of Tobacco Stem-Cornstalk? Briquette

WEN Li-na1，TAO Qiong1，OUYANG Jin2，GAO Fu-hong2，YANG Zheng-quan2，CHEN Jing1，XU Yun1（1. Institute of Agricultural Environment and Resources, Yunnan Academy of Agricultural Sciences, Kunming 650205, PRC, 2.Kunming Municipal Company of Yunnan Province Tobacco Company, Kunming 650051, PRC）

Abstract：Based on gross caloric value, several common agro-forestry residues in Yunnan were screened for raw material of biomass, and then, the calorific value and combustion characteristics of different formulas of tobacco stem-cornstalk briquette were determined. Results showed that the gross caloric value of wooden material was higher than that of herbal material generally and the gross caloric values of tobacco stem, cornstalk and wheat-residue were higher than those of other straw materials. Synthesizing the results of screening, it argued that tobacco stem, cornstalk and wheat-residue were ideal materials for briquette making. Among several formulas of tobacco stemcornstalk, the 7∶3 treatment had the highest calorific value and the best combustion characteristics, so it could be a better fit formula for tobacco stem-cornstalk briquette making.

Key?words：gross caloric value; biomass; screen; tobacco stem; cornstalk; formula

通訊作者：徐 云

作者簡(jiǎn)介：溫麗娜（1983-），女，河南許昌市人，助理研究員，主要從事煙葉生產(chǎn)新技術(shù)研究與推廣工作。

基金項(xiàng)目：云南省煙草公司資助項(xiàng)目（2014YN19）

收稿日期：2015-11-09

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.01.014

中圖分類號(hào)：S216.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-060X（2016）01-0043-04