南方薪炭林树种选择及其木质颗粒燃烧特性研究

李际平，陈喜龙，朱宁华，谭跃辉，严永林，高自成，张亚男

（中南林业科技大学林学院，湖南长沙410004）

南方薪炭林树种选择及其木质颗粒燃烧特性研究

李际平，陈喜龙，朱宁华，谭跃辉，严永林，高自成，张亚男

（中南林业科技大学林学院，湖南长沙410004）

根据南方主要薪炭树种的生物量、热值进行聚类分析，并结合生物生态学特性及种植推广情况进行综合评价，然后筛选出杨树、柳树、马尾松、杉木、湿地松等5种生长快、产量高、热值高、种植广泛、适合南方发展的优良薪炭能源树种。根据瑞典的生物质颗粒分类标准(SS187120)对5种薪炭林树种制成的木质颗粒燃料进行燃烧特性分析，结果发现对应的木质颗粒在水分、热值、净密度等特性方面已达到国际水平，但是5种木质颗粒燃料燃烧后，灰分值均高于SS187120的参考值，除杉木外其他颗粒均属于可熔性灰，因此在燃烧过程中容易结渣。

中国南方薪炭林；树种选择；木质颗粒；燃烧特性

工业化发展所带来的不可再生性石化能源的枯竭问题已经成了全世界共同面临的难题。因此开发可再生的生物质能源替代石化能源是解决能源危机的必然出路。薪炭林作为生物质能源利用的一个主要途径，已经受到国内外的高度重视[1]。

美国[2-3]、瑞典[4-6]、芬兰[7]、丹麦[8]等西方国家较早开始了薪炭能源树种的研究，已经筛选出了柳树、桉树、刺槐、美国梧桐、火炬树、冷杉、梓树等大量薪炭能源树种。韩国[9]早在20世纪60～70年代，就以油松、刺槐、赤杨作为主要薪炭林树种。国内有关薪炭能源树种的开发利用研究起步较晚，目前对于薪炭林的研究主要涉及桉树、柳树、刺槐、杨树、马尾松等树种[10-11]。长期以来国内对薪炭林能源树种缺乏足够的了解，极大地限制生物能源资源的开发，因此，笔者通过对南方的植物资源进行全面调查，针对南方主要薪炭树种的生物量、热值进行聚类分析，结合生物生态学特性及种植推广情况对南方主要薪炭林树种进行综合评价，然后筛选出适合南方发展的优良薪炭能源树种，为南方大面积发展薪炭林和开发生物质能源提供科学依据。

近几年来，在生物质能源转化利用方面，国外有些发达国家（如瑞典等）已经相当成熟，我国的研究还刚刚起步[12-13]。本研究根据瑞典的生物质颗粒分类标准(SS187120)[14]对所选薪炭林树种制成的木质颗粒燃料进行燃烧特性分析，为我国生物质能源的开发利用提供理论参考。

1 研究方法

1.1 南方主要薪炭林树种选择

采用实地调查和资料收集相结合的研究方法，对南方主要薪炭树种进行调查研究，最终确定紫穗槐、胡枝子、柳树、刺槐、白松、杉木、木麻黄、黑荆、杨树、桉树、石栎、梨树、黎蒴栲、马尾松、湿地松、火炬松、樟子松、臭椿、榆树、南酸枣、凹叶厚朴等21个参选树种。

根据薪炭林的树种要求特点，经过分析研究，我们将树种的年生物量、热值等特性作为树种选择的主要特性，同时综合考虑树种生态学特性及种植推广程度，以选取5种生长快、产量高、热值高、种植广泛的、最适合做木质颗粒燃料的树种。

(1)生物量调查

针对南方薪炭林树种的分布利用情况，对初步选定的薪炭林树种进行野外样地调查，用标准木法对所选研究对象的纯林成熟林开展生物量调查，筛选出年生物量≥400 kg的树种。

(2)热值分析

对备选树种通过标准木和标准枝条胡取样，采用适当干燥处理，利用ZDHW-5B型微机全自动量热仪测得含水量在25%时的热值，选择热值≥ 12 MJ/kg的树种。

(3)生态学特性及种植推广程度分析

以薪炭林为目的来培养的树种，必须具备生长快、萌发力强、适应性广、产柴量高、含水率低、火力旺、耐烧、无毒、烟少，又具有柴、材兼用的特点。因此，备选树种的生物生态特性主要从土壤适应性、生长速度、抗逆性这几方面进行分析。同时，结合种植推广程度分析，选择出具有优良品质的，且种植广泛的树种。

1.2 木质颗粒燃烧特性分析

将薪炭林转换为木质颗粒燃料，不仅节约资源，还能保护环境，具有经济和社会双重效益。其中，工业分析组分（水分和灰分)、热值、灰熔融特性是衡量木质颗粒燃料品质的重要指标。本研究在完成南方主要薪炭林树种的选取以后，采用中南林业科技大学生物质能源研究所的中试线，生产出5个树种的颗粒，利用FA/JA型系列电子天平，SFY系列快速水分测定仪、ZDHW-5B型微机全自动量热仪，HTGF-3000型自动工业分析仪、HR-4A微机灰熔点测试仪等实验仪器，根据瑞典的生物质颗粒分类标准(SS187120)对所选5种木质颗粒燃料进行水分、热值、灰分、灰熔点等燃烧特性的分析。

2 结果分析

2.1 南方主要薪炭林树种的选择

(1)备选树种生物量调查

通过实地调查及资料收集，得到南方主要薪炭林树种生物量见表1。

表1 南方主要薪炭林树种的生物量Table 1 Biomasses of main fuel-wood tree species in South China

从表1中可以看到，21个备选树种中，除白松、木麻黄、黑荆、樟子松、凹叶厚朴、臭椿的生物量比较低外，其他树种的生物量大小顺序为杉木（453.8.）＞杨树（421.3）＞梨树（420.6）＞紫穗槐（416.4）＞桉树（415.8）＞刺槐（414.3）＞柳树（413.6）＞南酸枣（411.2）＞马尾松（409.5）＞胡枝子（409.5）＞石栎（406.8）＞湿地松（403.5）＞梨蒴栲（402.3）＞火炬松（401.8）＞榆树（396.4）。根据本研究的技术指标规定，选取的优良薪炭林树种，要求年生物量≥400 kg，故杉木、杨树、梨树、紫穗槐、桉树、刺槐、柳树、南酸枣、马尾松、胡枝子、石栎、湿地松、梨蒴栲、火炬松、榆树皆满足要求。

(2)备选树种热值分析

从表2中可以看到，备选树种中，除柳树、白松、杉木、杨树、马尾松、湿地松、凹叶厚朴的热值显著比较高外，其余的树种的热值的差异皆不是很大。根据本研究的技术指标规定，选取的薪炭林树种要求热值≥12 MJ/kg（含水率为25%时）。故柳树、白松、杉木、杨树、马尾松、湿地松、凹叶厚朴这几种树种在考虑热值方面应该是最佳备选树种。

表2 南方主要薪炭林树种的低位热值（MJ/kg）Table 2 Low calorific values of main fuel-wood tree species in South China (MJ/kg)

(3)树种生物生态学特性及种植推广程度分析

通过资料收集及调查分析，21个备选树种中除杉木、凹叶厚朴、桉树喜疏松、湿润土壤外其余树种对土壤要求均不严格；除白松、石栎生长较为缓慢外，其他树种均为速生树种；耐旱能力较强的树种有紫穗槐、胡枝子、刺槐 、白松、木麻黄、黑荆、桉树、石栎、马尾松、湿地松、火炬松、樟子松、臭椿、榆树；耐寒能力较强树种有紫穗槐、胡枝子、樟子松、榆树、白松、杉木；耐瘠薄树种 胡枝子，刺槐、白松、木麻黄、黑荆、石栎、梨蒴栲、马尾松、湿地松、火炬松、樟子松、榆树；除白松、樟子松多种植于北方外，其余树种南方各省均有种植；凹叶厚朴为国家二级保护树种不适宜作为备选树种；

(4)树种选定

以备选薪炭林树种生物量、热值研究分析结果为主要依据，作聚类分析[15]。将热值≥12 MJ/Kg的树种聚为一类，结合年生物量≥400 kg的要求，以及生物生态学特性和种植推广情况，确定柳树，杉木，杨树，马尾松，湿地松为终选树种。

2.2 薪炭林木质成型颗粒的燃烧特性分析

本研究采用中南林业科技大学生物质能源研究所的中试线，生产出5个树种的木质颗粒并对其进行燃烧特性分析，试验结果如表3～表7所示。

表3 木质颗粒的含水率分析Table 3 Moisture content analysis of wood pellets

表 4 木质颗粒的低位热值分析Table 4 Low calorific value analysis of wood pellets

表5 木质颗粒的净密度分析Table 5 Net density analysis of wood pellets

表6 木质颗粒的灰分分析Table 6 Ash analysis of wood pellets

表7 木质颗粒的灰熔融特性分析Table 7 Ash melting characteristics analysis of wood pellets

5种木质颗粒的含水率在4.13%～6.13%之间，远低于瑞典生物质颗粒燃料的标准（SS187120）要求（见表3）；5种木质颗粒的发热量在18.42 MJ/kg～20.38 MJ/kg之间，高于 SS187120的参考值（见表4）；木质颗粒燃料的颗粒密度能够影响堆积密度和燃烧特性，颗粒密度越大，燃烧持续时间越长。5种木质颗粒燃料的密度在1.23 g/cm3～ 1.31 g/cm3， 均 在 标 准 SS187120 的1.0 g/cm3以上（见表 5）。

5种木质颗粒燃料中除杉木的灰熔点较高（1 350 e）能够达到难熔性以外，其他的颗粒燃料灰熔点在 1 205 ～ 1 240 e，属于可熔性灰，因此在燃烧过程中容易结渣，而且灰分也较高，最低的杉木0.65%也高于SS187120参考值（见表6、表7）。

3 结 论

本研究通过实地调查和资料收集， 结合大量的试验研究得到以下结论：

（1）对年生物量数值及热值进行聚类分析，结合备选树种的生物生态学特性及种植推广程度，选择杨树、柳树、马尾松、杉木、湿地松5种树种作为本研究的试验材料，它们满足生长迅速，年生物量≥400 kg、热值≥12 MJ/kg（含水率为25%时）的要求，适合南方推广。

（2）5种木质颗粒燃料水分含量低，热值高，净密度高，达到国际水平。

（3）5中木质颗粒燃料燃烧后，灰分值均高于SS187120的参考值，除杉木外其他颗粒均属于可熔性灰，因此在燃烧过程中容易结渣。

（4）生物能源技术的研究与开发已成为世界重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。我国生物质资源的开发利用尚处于起步阶段，有些方面与国际标准还存在差距，有待进一步的研究探讨。

[1] 康文星,田 徵,何介南.我国能源利用现状的初步分析[J].中南林业科技大学学报，2010,30(12)∶127-133.

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[4] 蒋剑春.生物质能应用研究现状和发展前景[J].林产化学与工业 ,2002,22(1)∶ 25-29.

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Study on selection of main fuel-wood forest tree species in South China and combustion characteristics of wood pellets of fuel-wood trees

LΙ Ji-ping, CHEN Xi-long, ZHU Ning-hua, TAN Yue-Hui,YAN Yong-lin, GAO Zi-cheng, ZHANG Ya-nan
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

According to the biomasses and calorif i c values of main fuel-wood tree species in South China, the trees were clustered by type, and comprehensively evaluated by taking into account their biological and ecological characteristics and planting and extending status. Then f i ve kinds of excellent fuel-wood and energy tree species, which grew fast, yielded highly, had calorif i c values, planted widely and was suitable for planting in South China, were selected as the preferential kinds to plant for the fuel forest in the South china, such as poplar, willow, masson pine, Cunninghamia lanceolata, slash pine. The combustion characteristics of the wood pellet fuels made of 5 kinds of selected trees were analyzed according to Swedish Biofuel Standards (SS187120). The results show that the characteristics of 5 kinds of wood pellets (moisture content, calorif i c value and net density etc. have reached international level. However, after burned, the ash contents of 5 kinds of wood pellets were all higher than that of the reference values of Swedish Biofuel Standards (SS187120), excepting Chinese f i r pellets other trees’ pellets all are fusibility ash, so other wood pellets are ease of slagging during combustion.

fuel-wood forest in South China; selection of tree species; wood pellets; combustion behavior

S759.4；S78

A

1673-923X(2013)12-0126-04

2013-07-12

国家林业公益性行业科研专项“南方主要薪炭林颗粒燃烧成型及燃烧技术研究”（200904027）

李际平（1957-），男，湖南醴陵人，博士，教授，博士研究生导师，研究方向：林业系统工程、生物质能源木质颗粒应用研究

[本文编校：邱德勇]