生物質(zhì)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(zhì)發(fā)電有限公司，廣東 湛江 524300）

0 引言

國內(nèi)外學者對生物質(zhì)燃料儲存過程中的理化特性變化規(guī)律開展了相關研究和現(xiàn)場試驗工作。張中波等［1］在北方地區(qū)對玉米秸稈和木質(zhì)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(zhì)顆粒燃料未出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象，全水分和堆積密度變化規(guī)律受氣候變化規(guī)律相吻合，灰分和揮發(fā)分保持則穩(wěn)定狀態(tài)初始狀態(tài)，這為生物質(zhì)顆粒燃料的安全儲存提供理論依據(jù)。劉建輝等［2］開展農(nóng)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(huán)境中均可安全儲存并作燃料，唯有水稻秸稈捆儲存期間發(fā)生霉變，不適合做燃料。田宜水等［3］開展儲存方式對生物質(zhì)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(zhì)燃料玉米秸稈的發(fā)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(fā)熱量下降約1 000 kJ／kg，研究建議秸稈長期儲存時，應優(yōu)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(zhì)顆粒燃料灰行為研究現(xiàn)狀進行綜述，指出生物質(zhì)燃料灰行為問題的解決有助于生物質(zhì)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(jié)供應的生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jié)造成的影響。楊佩旋［6］對湛江地區(qū)生物質(zhì)直燃發(fā)電相關問題進行分析，提出推進湛江地區(qū)生物質(zhì)直燃發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速有序發(fā)展的合理化建議。廖艷芬等［7］對我國南方典型生物質(zhì)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(zhì)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(zhì)能源研究進展和應用前景進行綜述，建議對非糧生物質(zhì)資源、農(nóng)林廢棄物重點發(fā)展，加強對生物質(zhì)電廠建設前期調(diào)研和科學布局規(guī)劃。謝祖琪等［9］對遮雨通風自然環(huán)境和相對濕度恒定環(huán)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(nèi)其他研究學者［10－12］開展了生物質(zhì)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(qū)產(chǎn)量最多的桉樹皮作為試驗研究的生物質(zhì)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(nèi)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(yè)分析

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗環(huán)境

本試驗建立不同的生物質(zhì)燃料堆儲試驗環(huán)境，試驗分為室內(nèi)和露天（自然環(huán)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(diào)暢氣機的目的，配合其他治療重新恢復頸椎的活動調(diào)節(jié)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(jù)。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(qū)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(zhì)（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(nèi)和露天環(huán)境，分別按15 m×10 m×9 m 規(guī)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(jù)燃料堆垛規(guī)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(wǎng)格測量法，分別在燃料堆垛的上、中、下層進行網(wǎng)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(nèi)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(zhì)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(zhì)量恒重，水分修正后計算全水分。燃料熱值采用彈筒發(fā)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(fā)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(xiàn)發(fā)黑、腐爛的現(xiàn)象較嚴重。

室內(nèi)試驗燃料表面顏色加深，未出現(xiàn)發(fā)霉或腐爛現(xiàn)象。

2.2 溫度變化

不同堆儲環(huán)境下試驗燃料內(nèi)部溫度變化規(guī)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(qū)，在試驗時間段內(nèi)，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(nèi)堆儲燃料內(nèi)部溫度都出現(xiàn)了上升的趨勢，可能是生物質(zhì)燃料在受生物降解或生化降解產(chǎn)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(nèi)部溫度隨著時間增長，溫度逐漸上升，堆儲大概91 天料堆內(nèi)部溫度達到80 ℃。而室內(nèi)堆儲燃料內(nèi)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(nèi)部溫度達到了80 ℃。

不同堆儲環(huán)境下，堆儲燃料內(nèi)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(nèi)堆儲燃料自然通風條件相對較差，主要靠料堆內(nèi)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(huán)境下試驗燃料全水分（空干基）變化規(guī)律見圖3 所示。隨著燃料堆儲時間延長，不同堆儲環(huán)境的燃料全水分變化具有明顯的區(qū)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?？紤]到試驗期間電廠所在地區(qū)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(tài)。

圖3 試驗燃料水分變化

室內(nèi)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(nèi)燃料堆儲大概84 天后，全水分減少較緩慢，可認為室內(nèi)燃料基本達到自然烘干的平衡狀態(tài)。

2.4 熱值變化

不同堆儲環(huán)境下試驗燃料熱值（低位發(fā)熱量）變化規(guī)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(huán)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(zhì)和熱量損失也是造成燃料熱值下降的另一主要原因。

室內(nèi)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(nèi)堆儲大概85 天后，燃料熱值基本保持不變。室內(nèi)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(nèi)燃料在自然烘干過程中生物降解造成的干物質(zhì)和熱值損失逐漸減少，對室內(nèi)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(zhì)燃料堆儲過程的熱值損失一是由于生物質(zhì)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(zhì)燃料堆儲過程的水分和熱值進行了測定，考慮利用試驗數(shù)據(jù)對不同堆儲環(huán)境下的生物質(zhì)燃料的降解損耗進行評估。門捷列夫經(jīng)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(zhì)燃料堆儲降解損耗差異值時利用門捷列夫經(jīng)驗公式來估算生物質(zhì)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(zhì)量分數(shù)，%；ρH為應用基氫質(zhì)量分數(shù)，%；ρO為應用基氧質(zhì)量分數(shù)，%；ρS為應用基硫質(zhì)量分數(shù)，%；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(jīng)驗公式（1）、式（2）對室內(nèi)、室外堆儲生物質(zhì)燃料的降解損耗差異進行估算，變化規(guī)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(nèi)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(jù)圖5 估算數(shù)據(jù)進行統(tǒng)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(nèi)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(shù)。

對降解損耗差值變化數(shù)據(jù)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(shù)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(huán)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(zhì)燃料堆儲經(jīng)濟性具有重要的參考和指導意義。

3 結論

生物質(zhì)燃料堆儲過程中，不同的堆儲環(huán)境會引起燃料的理化特性發(fā)生變化，從而對生物質(zhì)燃料的使用安全性和經(jīng)濟性產(chǎn)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(zhì)燃料全水分增加3.82 個百分點，而室內(nèi)堆儲的生物質(zhì)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?qū)儆诙嘤瓿睗竦貐^(qū)的生物質(zhì)燃料不適合露天長期堆儲。

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

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

4）通過試驗數(shù)據(jù)測試及統(tǒng)計分析，利用不同堆儲環(huán)境的試驗燃料的水分、熱值變化預測室內(nèi)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(zhì)燃料堆儲經(jīng)濟性具有重要的參考和指導意義。

綜上所述，考慮生物質(zhì)燃料使用安全性和經(jīng)濟性，電廠對長期堆儲的生物質(zhì)燃料采取室內(nèi)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(guī)定，燃料堆儲時間最長不超過90天，一旦燃料內(nèi)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(fā)電效益提升，同時有效避免了生物質(zhì)燃料自燃發(fā)生火災事故。