西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)秸稈熱特性分析

譚瑞虹，郭康權(quán)，2，胡國(guó)田，熊秀芳，楊立魁，薛金儒

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a機(jī)械與電子工程學(xué)院，b水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100；2 陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100)

生物質(zhì)能是補(bǔ)充替代石化能源的可再生能源[1]。我國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)產(chǎn)量十分豐富且分布較廣，2012年全國(guó)農(nóng)作物秸稈資源總量達(dá)84 860萬(wàn)t[2]，其中水稻、小麥、玉米秸稈產(chǎn)量最多，而棉花、油菜[3]秸稈則較為集中。雖然農(nóng)作物秸稈的利用率在逐年提高，但利用方法還不盡合理，燃燒和廢棄所占比重偏多，用作飼料、工業(yè)加工原料、可再生能源開(kāi)發(fā)利用的比重偏少[4]，原因之一是對(duì)秸稈的各種特性，包括熱特性掌握還不夠系統(tǒng)和全面。

秸稈熱特性主要用于分析和模擬秸稈及其材料在傳熱過(guò)程中的熱量傳遞及分布，其熱傳導(dǎo)率、比熱容、熱擴(kuò)散率等技術(shù)參數(shù)既是生物質(zhì)熱能利用的重要基礎(chǔ)性指標(biāo)[5]，又是秸稈氣化、熱解、直接燃燒等能源化利用的重要技術(shù)參數(shù)[6-8]，也是秸稈粉碎熱壓成型、飼料加工等資源化利用的重要基礎(chǔ)參數(shù)[9-10]。國(guó)外對(duì)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的熱特性已進(jìn)行了深入研究，擁有較完善的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)基礎(chǔ)特性數(shù)據(jù)共享平臺(tái)[11-13]。國(guó)內(nèi)對(duì)秸稈資源的研發(fā)利用在近年來(lái)才逐漸成為熱點(diǎn)，雖然已對(duì)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)基礎(chǔ)特性參數(shù)的化學(xué)組成、物理特性、機(jī)械特性等進(jìn)行了[14-16]較為系統(tǒng)的研究，但熱特性的研究仍不夠全面，特別是對(duì)秸稈種類(lèi)和地域等因素的影響研究尚存在明顯不足，關(guān)于西北6省(區(qū))農(nóng)作物秸稈熱特性的分析尚屬空白。

大多數(shù)生物質(zhì)秸稈需要粉碎預(yù)處理成顆粒材料后再轉(zhuǎn)化利用，不同種類(lèi)粉碎秸稈的堆積密度、粒度分布等物理特性差異較大[17]，加之顆粒材料的復(fù)雜多樣性，其熱特性主要通過(guò)實(shí)測(cè)獲取。KD2 Pro熱物性分析儀依據(jù)瞬態(tài)熱線法原理，能簡(jiǎn)便、快捷地同時(shí)測(cè)定多個(gè)熱特性參數(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于顆粒材料熱特性參數(shù)的測(cè)定。本研究采用該方法測(cè)試了西北6省(區(qū))5種秸稈的熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和比熱容等熱特性值，采用Tukey HSD法比較了不同種類(lèi)、不同省份秸稈熱特性的差異,采用ARCGIS 10.1軟件分析了西北6省(區(qū))農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率的區(qū)域分布特點(diǎn)和規(guī)律，以期為完善我國(guó)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)[18]及開(kāi)發(fā)新型轉(zhuǎn)化技術(shù)提供相關(guān)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

依據(jù)農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1701-2009，針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、農(nóng)作物播種面積、主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和分布情況，選取適宜當(dāng)?shù)厣L(zhǎng)氣候并具有代表性的秸稈品種，采集了陜西、甘肅、寧夏、青海、西藏、新疆等西北6省(區(qū))97個(gè)縣(市、區(qū))的小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種成熟作物秸稈樣品共計(jì)252個(gè)，樣品采集數(shù)量及地域分布分別見(jiàn)表1和圖1。將秸稈樣品分別晾曬至充分干燥，經(jīng)切碎、粉碎、過(guò)篩、烘干稱(chēng)恒質(zhì)量后，分別封裝于自封袋中并編號(hào)置室內(nèi)常溫保存。試樣粒徑均小于1 mm。

1.2 設(shè)備與儀器

試驗(yàn)儀器主要有9Z-4.5A型秸稈切碎機(jī)(河南豫之譯機(jī)械設(shè)備有限公司)、FLB-100型萬(wàn)能高速粉碎機(jī)(上海菲力博食品機(jī)械有限公司)、標(biāo)準(zhǔn)樣品分級(jí)篩(方孔，篩孔尺寸為1.0 mm)、ZXF030電熱真空干燥箱(上海儀器廠有限公司 )、KD2 Pro熱特性分析儀(傳感器SH-1型，美國(guó)Decagon公司)、PTT-A1000電子天平(精度0.01 g，福州華志科學(xué)儀器有限公司)、臺(tái)式掃描電子顯微鏡(TM3030，日立)及測(cè)量容器等。

表1 西北6省(區(qū))小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種農(nóng)作物秸稈樣品的分布Table 1 Distribution of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw samples from 6 provinces (regions) in Northwest,China

圖1 西北6省(區(qū))農(nóng)作物秸稈樣品采集點(diǎn)的分布Fig.1 Distribution of straw samples from 6 provinces (regions) in Northwest,China

1.3 測(cè)試方法

KD2 Pro熱特性分析儀測(cè)試裝置如圖2所示。

圖2 KD2 Pro熱特性分析儀測(cè)試裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of testing device of KD2 Pro thermal characteristic analyzer

其SH-1傳感器為雙針型，探針長(zhǎng)30 mm，直徑2.4 mm。其中1個(gè)探針在測(cè)試時(shí)釋放瞬時(shí)熱脈沖，另1個(gè)探針作為溫度傳感器測(cè)量溫度，通過(guò)監(jiān)測(cè)樣品中給定某一電壓的線性探針的熱耗散和溫度，采用非線性最小二乘法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行指數(shù)積分函數(shù)擬合，計(jì)算樣品的熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和比熱容。

試驗(yàn)樣品用藥匙均勻撒入并裝至與容器口齊平，將SH-1型傳感器探針插入容器中心位置并保持豎直，容器內(nèi)壁和探針在各個(gè)方向上至少相距15 mm，每15 min測(cè)試1個(gè)秸稈樣品，測(cè)試環(huán)境溫度為(17±1) ℃。

1.4 秸稈微觀顆粒特征的電鏡觀察

選取小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種秸稈樣品，用臺(tái)式電鏡(TM3030，日立)放大50倍，觀察并記錄秸稈顆粒的微觀形貌特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類(lèi)秸稈的熱特性

熱傳導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率、比熱容分別反映物質(zhì)傳導(dǎo)熱量、使溫度趨于均勻一致、吸熱或散熱的能力，變異系數(shù)反映平均值的離散程度。西北6省(區(qū))各種類(lèi)秸稈樣品熱特性測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表2所示。

表2 小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種農(nóng)作物秸稈樣品熱特性的統(tǒng)計(jì)與分析Table 2 Statistics of thermal characteristics of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw samples

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同種類(lèi)同省份秸稈間差異顯著(P<0.05)；CV<5%為弱變異，5%≤CV≤10%為中等變異，CV>10%為強(qiáng)變異[19]，下同。

Note:Different letters indicate significant difference (P<0.05) among types in same provinces.Coefficient of variation (CV)<5% indicates weak variation,5%≤CV≤10% indicates moderate variation,andCV>10% indicates strong variation[20].

由表2可以看出，陜西、甘肅和新疆3個(gè)省(區(qū))棉花秸稈的熱傳導(dǎo)率平均值分別為0.132,0.129和0.129 W/(m·K)，比熱容平均值分別為0.677，0.706和0.710 MJ/(m3·K)，熱擴(kuò)散率平均值分別為0.190，0.182和0.183 mm2/s，棉花秸稈的熱傳導(dǎo)率、比熱容平均值均較其他4種秸稈高，而熱擴(kuò)散率平均值均低于其他4種秸稈，且棉花秸稈的熱傳導(dǎo)率、比熱容和熱擴(kuò)散率與其他4種秸稈熱傳導(dǎo)率、比熱容、熱擴(kuò)散率差異顯著。另外，寧夏、青海小麥、玉米、水稻和油菜類(lèi)秸稈熱特性之間均無(wú)顯著差異，西藏油菜、小麥和玉米秸稈的熱傳導(dǎo)率無(wú)顯著差異，而比熱容和熱擴(kuò)散率差異顯著。

同地域不同種類(lèi)秸稈的熱特性之間存在顯著性差異，可能是由不同種類(lèi)秸稈的化學(xué)組成和構(gòu)造不同所致。小麥、玉米、水稻、油菜和棉花秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成。西北地區(qū)小麥、水稻和玉米秸稈以纖維素>半纖維素>木質(zhì)素，油菜和棉花秸稈則以纖維素>木質(zhì)素>半纖維素[20]；與其他4種秸稈相比，棉花秸稈的木質(zhì)素含量最高[21]。本研究對(duì)小麥、玉米、水稻、油菜、棉花5種秸稈顆粒微觀結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果如圖3所示。圖3顯示，小麥、水稻秸稈均為空心莖，粉碎后的顆粒形狀均為長(zhǎng)條形薄皮，粒徑大小分布不均；玉米、油菜秸稈由外皮和結(jié)構(gòu)疏松的髓組成，外皮的體積比小于髓，粉碎后的顆粒由長(zhǎng)條形的薄皮和大小不一的髓組成，顆粒幾何形狀復(fù)雜多樣；棉花秸稈是由少量外皮和大量木質(zhì)化程度較高的髓構(gòu)成的硬莖桿，皮粉碎成為細(xì)長(zhǎng)纖維，髓為均勻的粒狀顆粒。秸稈的化學(xué)組成和構(gòu)造影響秸稈粉碎的顆粒形狀、粒徑分布和孔隙率等物理特性，對(duì)于多孔顆粒介質(zhì)，顆粒表面特征是影響顆粒集合傳熱的重要參數(shù)[22]，因此棉花秸稈的熱物性顯著不同于其他4種秸稈。

2.2 不同地域秸稈的熱特性

不同省份同種類(lèi)農(nóng)作物秸稈的熱特性統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，在研究區(qū)域內(nèi)，陜西小麥秸稈分別與甘肅、青海、新疆和西藏小麥秸稈的熱傳導(dǎo)率差異顯著，并與其他5省(區(qū))小麥秸稈的比熱容差異顯著；西藏玉米秸稈分別與陜西、甘肅兩省份玉米秸稈的熱擴(kuò)散率差異顯著；陜西油菜秸稈與西藏油菜秸稈的比熱容有顯著性差異；各省(區(qū))水稻、棉花秸稈的熱特性無(wú)顯著差異。陜西、甘肅和新疆3省棉花秸稈熱傳導(dǎo)率的變異系數(shù)均為弱變異，說(shuō)明其受地理位置和氣候等因素影響較小。同種類(lèi)不同省份的農(nóng)作物秸稈相比，因品種、生態(tài)環(huán)境和氣候條件等因素對(duì)秸稈的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響[23-24]，導(dǎo)致其熱特性出現(xiàn)了差異。

表3 西北地區(qū)小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種農(nóng)作物秸稈熱特性的統(tǒng)計(jì)與分析Table 3 Statistics of thermal characteristics of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw samples in Northwest,China

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同省份同類(lèi)秸稈間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters indicate significant difference (P<0.05) among provinces for same straw.

2.3 西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)秸稈熱傳導(dǎo)率的空間分布

由表2可知，西北6省(區(qū))棉花秸稈的熱特性與其他4種秸稈熱特性差異顯著，且部分省份小麥、玉米、水稻、油菜4種秸稈的熱擴(kuò)散率、比熱容之間也有顯著差異，而熱傳導(dǎo)率在所研究區(qū)域間無(wú)顯著差異。因此，本研究采用ArcGI S10.1軟件的空間插值法，根據(jù)232個(gè)小麥、玉米、水稻和油菜秸稈樣品的地理分布信息及其熱特性測(cè)試結(jié)果，獲取樣本目標(biāo)地點(diǎn)之外地區(qū)的熱特性空間區(qū)域分布信息，從宏觀上研究西北地區(qū)農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率的區(qū)域分布特征。

由空間插值可得西北地區(qū)小麥、玉米、水稻和油菜秸稈4種農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率的區(qū)域分布如圖4所示。由圖4可以看出，在陜西省，農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率以中南部為中心向全省周邊呈規(guī)律性漸變，熱傳導(dǎo)率逐漸增加，西安市秸稈熱傳導(dǎo)率值最低，為0.083 W/(m·K)，榆林地區(qū)秸稈的熱傳導(dǎo)率值最高，為0.113 W/(m·K)。甘肅農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率在慶陽(yáng)、平?jīng)鼋唤绲臇|部出現(xiàn)最小值，為0.101 W/(m·K)，在酒泉和省內(nèi)東南部的部分區(qū)域有最大值，為0.116 W/(m·K)，從整體上看，甘肅省秸稈熱特性變化無(wú)明顯規(guī)律性。在寧夏，秸稈熱傳導(dǎo)率的空間分布具有明顯規(guī)律性，從南部到北部農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率逐漸減小，熱傳導(dǎo)率為0.107～0.119 W/(m·K)。青海的8個(gè)行政區(qū)中，大部分地區(qū)為牧區(qū)[25]，在農(nóng)作物種植區(qū)西寧和海東，秸稈的熱傳導(dǎo)率為0.107～0.119 W/(m·K)。新疆農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率為0.104～0.119 W/(m·K)，其中新疆西北部農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率的空間分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即從伊寧、哈密兩地區(qū)向塔城方向逐漸減小。西藏主要農(nóng)作物小麥、油菜多分布在藏南，其品種品質(zhì)等性狀變化較小[26]，導(dǎo)致秸稈熱傳導(dǎo)率空間分布較為穩(wěn)定，熱特性變化較小。

圖4 西北地區(qū)小麥、玉米、水稻和油菜秸稈熱傳導(dǎo)率的區(qū)域分布Fig.4 Regional distribution of thermal conductivity of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw in Northwest,China

綜上可知，西北6省(區(qū))秸稈熱特性空間分布的總體特征表現(xiàn)為：熱傳導(dǎo)率從西北的新疆到東南部的陜西呈逐漸減小趨勢(shì)，其值為0.083～0.122 W/(m·K)。

3 結(jié) 論

1)西北6省(區(qū))小麥、玉米、水稻、油菜和棉花5種秸稈熱特性指標(biāo)的平均值分別為：熱傳導(dǎo)率0.103～0.132 W/(m·K)，熱擴(kuò)散率0.182～0.232 mm2/s，比熱容0.473～0.710 MJ/(m3·K)。對(duì)同一研究區(qū)域而言，陜西、甘肅和新疆棉花秸稈的熱特性與其他4種秸稈的熱特性有顯著差異；寧夏、青海的小麥、玉米和油菜秸稈的熱特性之間均無(wú)顯著差異；西藏油菜、小麥和玉米秸稈熱傳導(dǎo)率無(wú)顯著差異，但比熱容和熱擴(kuò)散率差異顯著。對(duì)同一種類(lèi)秸稈而言，小麥、玉米、油菜秸稈的熱特性在部分省份差異顯著，而水稻、棉花秸稈熱特性在所研究區(qū)域內(nèi)均無(wú)顯著差異。

2)不同種類(lèi)農(nóng)作物秸稈的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致棉花與小麥、玉米、水稻、油菜4種秸稈熱特性值有明顯差異；對(duì)不同地域同種類(lèi)農(nóng)作物秸稈而言，如小麥、玉米、油菜秸稈，因秸稈品種、種植環(huán)境、氣候條件等不同，其熱特性存在明顯差異。

3)各省(區(qū))秸稈熱特性的空間分布特點(diǎn)為：陜西省農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率以中南部為中心向全省周邊逐漸增大；甘肅省農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率無(wú)明顯規(guī)律性；寧夏農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率從區(qū)內(nèi)南部至北部逐漸減??；青海東部秸稈熱傳導(dǎo)率空間分布變化不大；新疆西北部秸稈熱傳導(dǎo)率的空間分布呈現(xiàn)明顯規(guī)律性；西藏秸稈熱傳導(dǎo)率空間分布穩(wěn)定，變化較小?？偟膩?lái)看，西北6省(區(qū))農(nóng)作物秸稈熱特性的空間分布從西北至東南部呈逐漸減小趨勢(shì)。

4)在新疆、青海和西藏地區(qū)，因采樣條件、采樣時(shí)間、種植制度等因素的限制，本研究未能獲取足夠的成熟秸稈樣品，致使新疆、青海和西藏的采樣點(diǎn)較少，且采樣數(shù)量上略顯不足，對(duì)該地區(qū)的熱傳導(dǎo)率空間結(jié)構(gòu)特征研究帶來(lái)一定的影響，但仍能從局部反映出新疆西北部、青海東部和西藏南部農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的熱特性特點(diǎn)。