生物质燃料自加热、自燃及其防范综述

范朋慧，张辉，盛昌栋

（东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096）

生物质燃料自加热、自燃及其防范综述

范朋慧，张辉，盛昌栋*

（东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096）

基于国外在生物质燃料自加热及自燃方面的研究和工程实践现状，对生物质自加热的机理、主要影响因素、可能的危害和防范措施及经验进行了系统综述，以期为国内生物质燃烧电厂等生物质大规模利用企业在燃料储存时自加热、自燃及火灾的防范提供参考。

生物质燃料；自加热；自燃；防范措施

生物质燃料资源种类多、分布广、总量丰富，作为可再生能源，在国内外被广泛应用于热能、电力和液体燃料等的生产［1］。由于生物质能量密度低、体积大，且大多数还具有明显的区域性和季节性，为保证长年运行，燃料的大量储存是其大规模利用过程的重要环节［2－3］。生物质燃料的特性决定了其在储存时不仅会有不同程度的干物质损失［4－5］，还可能出现一些涉及生产安全和人员健康的问题，包括自加热、有害气体释放和生物有害物质感染等［6－7］，其中，自加热特别是其发展成自燃导致的火灾可能造成严重的财产甚至生命损失［8］，因而是储存时最重要的安全问题之一。人类对生物质的自加热及自燃现象很早就有认识，国外从18世纪起就对牧草及其它农业剩余物储存时的自加热问题开展了科学研究［9］。近年来，随着生物质燃料利用规模和用量的日益增加、商品燃料如木丸等国际贸易的显著扩大，储存过程中安全和火灾事故时有发生，损失和影响都很大［9］，因此，欧美国家普遍对生产、储存及运输过程中的自加热问题及其安全防范非常重视，并进行了大量的基础和应用研究［10－11］，积累了丰富的防范经验。近年来，随着我国对生物质能源大规模利用特别是发电利用的日益重视，新建了大量的生物质特别是秸秆燃烧电厂。由于燃料需求量大，且秸秆等燃料生产具有显著的季节性，这些电厂均建有或附属有大型的储运系统，其中自加热导致燃料质量、热量的大量损失，而自燃也时有发生，成为困扰电厂及储存系统运行的重要安全问题［12］。对于生物质燃料自加热及自燃问题，我国也开展了一些研究工作［13］，但与国外相比，研究内容还不系统，尚未建立相应的规范体系。作者主要基于国外在生物质燃料自加热及自燃方面的研究现状，对自加热及自燃机理、影响因素、危害性和防范措施等进行系统的综述，以期为国内生物质大规模利用企业在燃料储存时自加热、自燃及火灾的防范提供参考。

1 自加热及自燃机理

生物质在一定的环境温度下堆积储存时，因多种反应而产热，由于其导热性能一般较差，当堆内的热量难以向环境扩散时，堆内温度会逐渐升高即发生自加热，在一定条件下自加热过程可能加速，直至燃料的着火温度而自燃。该过程一般包括内部温度逐渐升高的自加热、温度快速升高的自加热加速和发生阴燃或产生火焰的自燃3个阶段［14］。目前，对这一过程和现象的定性认识已较一致，但由于其涉及到的产热机理多而复杂，影响因素也多，加之生物质种类多且特性差异大，已有的研究对这些机理的认识仍有限。因此，对自加热及自燃过程进行理论和定量的描述仍然是困难的。

生物质自加热及自燃涉及多种放热过程，包括生物过程（主要是真菌、细菌等微生物的活动及新鲜生物质的呼吸作用）、化学过程（氧化反应、水解、热分解、挥发性成分的氧化等）和物理过程（水分的吸附、凝结和润湿）［15］。这3种机理过程可独立发生，也可同时发生［9］，而何种机理起控制作用则取决于温度、湿度等条件和燃料特性。

图1所示为生物质燃料的自加热过程。微生物活动导致的温度升高主要在0～70℃，其中以20～60℃范围内的贡献最为重要［15］。温度低于20℃时主要是嗜冷微生物活动产热；20～50℃范围内以嗜温微生物活动产热为主，约在40℃达到峰值；40～70℃以嗜热微生物活动产热为主，约在60℃达到峰值。当温度高于70℃时，大多数微生物将死亡，微生物活动显著减少，产热也明显下降［16］。因此，微生物活动产热所能达到的温度很少超过70℃，远低于生物质燃料的着火温度，而此后的温度升高直至着火自燃由化学氧化放热所主导。

化学氧化放热发生在相对较高的温度，与微生物活动明显不同。一般在80℃以上可检测出氧化反应［17］，但在有水分催化作用下氧化反应可在更低的温度下进行［18］。有研究认为化学氧化放热甚至可能开始于40℃，60～70℃时其作用可超过微生物活动产热。与微生物活动产热一样，氧化反应产热机理也十分复杂，如Walker等［19］发现，80℃时纤维素即可与O2反应，148～173℃时纤维素缓慢分解，热解产物与O2反应放热，182℃时纤维素不稳定，达到着火点。如果储存的生物质内部温度超过80～ 90℃，则氧化反应作用加强导致放热显著增加而有发生自燃的风险。

图1 生物代谢反应和化学放热反应作用下的生物质自加热过程示意图［15］Fig.1 Contributions of biological metabolic reactions andchemicalexothermicreactiontothe self-heating process of biomass

大量的实际观察［11，15，20－21］表明，除新鲜生物质的呼吸作用是最初氧消耗和产热的主要原因外，细菌、真菌等微生物活动产热导致温度快速升高至60～70℃并可维持数周，此后数月内温度可维持不变然后逐渐降低［20］（图1中实线）。或在一定条件下因缓慢氧化反应等复杂过程放热温度可逐渐升高，直至快速升高至着火［21］（图1中虚线）。发生自燃需要生物质的温度达到80～90℃以上［21］，此后的氧化放热足以加热生物质和驱动快速的热解、氧化反应直至自燃［16－17］。这些表明微生物活动和氧化反应放热机理在生物质燃料自加热过程中的重要性，即微生物反应提供初始温度升至足够高，直至能启动化学氧化过程以升温至着火点。

2 影响自加热及自燃的因素

实际过程中，生物质燃料本身的物理化学特性（水分含量、堆积尺寸和密度、颗粒尺寸、燃料种类和特性等）和其储存的环境条件（氧浓度、温度、湿度、通风条件）等因素都会不同程度地影响自加热及自燃过程。

2.1 水分含量

水分含量是生物质燃料自加热的最重要影响因素之一。通常，潮湿的生物质具有很强的自加热倾向，这是因为，自加热的最重要过程是在水分足够时的微生物生长和呼吸作用，而水分是微生物活动的3个必要条件之一（其它两个是O2和养分）［16］。微生物所需养分主要是水溶性碳水化合物成分，而只有这些成分浓度高于一定值时才能被微生物利用［22］，因此当水分低于某一临界值时微生物活动减少；当水分太高（＞65%）时，会因水的浸出作用导致养分流失［23］，还可能因微生物过度生长导致养分和O2相对缺乏［22］，从而抑制微生物活动而产热减少；而当水分含量在临界水分和50%～60%之间时，随水分增加，微生物活动呈指数增加［24］，自加热也显著加快。

除影响微生物活动外，水分还显著影响化学氧化反应及其产热和传热过程［11，17－18］。前文指出，水分可催化氧化反应在低温下进行，此外，生物质中的水分也影响热扩散系数和比热，水分蒸发带走汽化潜热，生物质吸湿放热产生吸附热，水分有利于生物质成分的水解反应，而水蒸气运动还有利于O2向内扩散等。

2.2 堆积尺寸和密度

生物质燃料堆积储存时自加热过程中的热量和堆内温度的变化取决于堆积尺寸，其中内部产热量正比于堆积体积，而向外传热量正比于堆积外表面积，因此自加热倾向取决于体积／表面积之比（V／A）。增加V／A会导致自燃的临界环境温度降低。当环境温度超过临界值时，内部反应放热超过向外散热，温度将持续升高，最终自燃。相比起来，堆的形状比堆的高度对温度的影响更大［20］。

堆积密度主要影响传热过程。堆积的生物质材料可看作多孔介质，其内部热量主要通过导热及孔隙内对流（气体包括水蒸气流动）形式向外扩散。如果燃料堆压实，那么其内部空气循环（对流传热）弱，因而热量不易向外扩散而易导致自燃［17］。

2.3 颗粒尺寸

颗粒尺寸对自加热过程的影响主要有两方面。小颗粒表面积大，可滋生更多的微生物而导致产热多［20］；颗粒小或小颗粒多则储存时堆积密实、渗透率低，影响热量的向外扩散，只有颗粒尺寸足够大（如对于木片，＞100 mm）时，才能提供足够的渗透率以通过自然对流的形式向外散热，因此，小颗粒意味着更高的温度和更多的微生物生长。此外，小颗粒也因表面积大而有利于氧化反应。当然，小颗粒导致的低渗透率一定程度上不利于O2向堆内扩散而降低微生物活动和氧化反应速度［17］。一般地，小颗粒储存时更易发生自加热，且自加热速度快，自燃风险也大［17，20］。

2.4 燃料种类及其特性

微生物活动导致自加热的临界水分含量随生物质种类而变化［22］，这可能是因生物质组成和主导微生物种群不同导致的［17］。如稻草水分低于22%～29%、牧草水分低于25%～30%时几乎没有微生物活动［24］，甘蔗渣水分低于29%时微生物活动显著减弱，而约20%时则停止［21］。对于氧化反应放热过程，不同的生物质热分解特性一般不同，影响产物的氧化放热；一些易氧化成分如木质生物质的脂肪酸含量也不同，因而具有不同的氧化放热特性；此外不同的生物质着火温度不同，如木质生物质大致为250℃［25］，而草本生物质略低（如麦秸的着火温度为220℃）［26］。这些都意味着不同生物质燃料在自加热和自燃特性上的差异。

2.5 储存环境条件

氧浓度影响微生物的活动和氧化反应［16－17］。虽然有些细菌可在厌氧条件下生存，但降低氧浓度可抑制绝大多数微生物的活动；降低氧浓度也可以降低氧化反应及其放热速度［21］，因此采用覆盖的方式限制O2进入生物质堆可抑制自加热及自燃过程。

环境温度也会影响微生物的活动，如在冬季，微生物的活动及其产热会显著降低。对于氧化反应过程，一般只有在环境温度高于临界着火温度的条件下才能自燃。

环境湿度主要影响堆积燃料和环境空气之间的水分交换。湿度低有利于燃料的水分蒸发、自然干燥和冷却；而湿度高时，燃料易吸附水分而释放吸附热有利于自加热，因而较干燥的生物质在潮湿环境中吸湿过程的物理放热对自加热过程起重要作用［9］。

通风有利于燃料的干燥和堆积燃料与环境之间的对流换热，因此适当的通风措施是室内储存时防止自加热和自燃的主要技术措施之一。

2.6 金属

生物质燃料堆内部如果有金属块特别是铁块的存在则可能导致自燃。这是因为金属及其氧化物（如铁锈）对氧化反应有催化作用［17］，显著增加氧化放热速度而使自加热过程加速［27］。因此，储存生物质应避免其内部夹杂有金属。

3 自加热及自燃的危害

伴随着自加热过程的是各种导致产热的反应过程，如微生物降解、相对较高温度下氧化和热分解反应等，它们是生物质燃料储存时热量、质量损失的主要原因［4，5，8，20，28－29］。有报道指出，半年到一年的储存可导致热量损失10%～24%，干物质损失2%～17%。

自加热及自燃也会导致严重的健康和安全问题［9］。微生物生长特别是霉菌等对人体健康有害。自加热过程会释放窒息性气体（如CO）和刺激性气体（如醛、酮等）。自加热及自燃时的阴燃过程的热分解、燃烧会释放大量的有害、有毒和可燃气体，当燃料室内或封闭储存（如筒仓储存木丸燃料）时，可能有可燃气体和粉尘爆炸的危险［9］。

最严重的危害是因自燃导致的。由于自加热导致的自燃而引发火灾并不少见，自燃严重影响生物质燃料储存和利用过程的安全，产生巨大的能源浪费和经济损失，此外自燃释放的气体、颗粒物也会严重污染环境，因此控制燃料储存时自加热过程、防止自燃是生物质发电厂及其储运系统安全生产必须要解决的问题。

4 自加热及自燃的防范措施

基于大量的研究和工程实践，国外在生物质燃料储存时自加热及自燃的防范方面积累了丰富的经验，主要包括储存、监测和自燃火灾消防等，现简要综述如下。值得指出的是，国外公开文献中的经验主要是针对木质生物质燃料和木丸，而关于草本生物质的相对较少。

4.1 生物质燃料储存的一般原则

储存前尽可能干燥，储存时保持干燥。对于大多数生物质燃料，当水分低于20%时几乎没有微生物活动，因此，降低或抑制微生物活动和控制自加热的首选措施是干燥。例如刚收割的稻草水分一般在40%～75%，需要干燥至约18%以下再打捆［24］，并且存放在干燥的地方，做好雨、雪防潮准备。当在室内成堆储存新鲜生物质时，如果存在自然对流，则会降低燃料的含水量，同时也会降低干物质损失，因此加强通风也是防止自燃的一个有效措施。

在室外木质生物质储存时的经验（一般也适应于草本生物质）［9］包括：1）如果可能，储存干燥燃料（水分＜20%）避免微生物生长；2）限制同一堆内燃料水分的差异；3）不同种类、质量的燃料不应混合储存，而应分堆堆放；4）尽可能采用小堆，缩短储存期，遵循“先进先用”的原则；5）采用细长堆，长度方向沿主风向，堆底宽度为堆高的两倍；6）避免堆积过高（不同木质燃料的最大堆积高度见表1），避免长度方向高低不平；7）不要压实；8）避免堆内有金属物体。

草类生物质储存的一般经验［8］包括：1）打捆的水分要求＜20%，捆的密度越大、尺寸越大，需要越干；2）因干、湿草交界处易自燃，应避免，不得已则鲜、湿草堆放在外部而非中间，非常鲜、湿草则不堆；3）小的方捆堆每层之间应留一些空气通道，室内储存时保证良好的通风；4）实时进行温度监测。

表1 不同木质燃料的最大堆积高度［9］Table 1 Maximum storage heights for different types of wood fuelsm

4.2 自加热及自燃的检测与监控

自燃开始通常以阴燃的形式出现在生物质堆内部。如果通过气体检测，则一般是在燃烧较强烈而产生气体如CO较多时才能检测出来，这个过程需要很长时间。但是自燃前都有一些迹象，因而一般可通过定期检测温度来监测［30］。例如草类在储存两周到两个月时间内都可能发生自燃，因此在储存开始两天之内就需要开始温度检测，并在10天到两周时间内进行日常的温度监测，监测可持续两个月，这取决于储存条件和草的水分；当温度接近70℃，至少每天检查温度以监测温度的变化趋势；当温度在70～80℃时，应考虑翻堆干燥和冷却；80～90℃时，应进行防火预警和停止通风以减少氧气供应；如果温度＞100℃时则要求消防到场，但应避免翻动草垛，防止遇空气着火。

当在室内储存生物质时，应同时监测温度和气体组分。由于生物质自加热会形成醛、羧酸和CO、CO2、CH4等气体，可能会因其浓度过高形成剧毒环境，对进入的人员造成伤害，因此可以采用温度探头测量燃料表面或靠近表面的温度，并且使用CO气体分析仪或基于气体传感器的更先进的火灾探测系统综合地监测储存堆。目前国外的生物质燃料室内储存系统一般还包括强制通风和除湿系统，用于控制储存燃料的热状况和水分含量［9］。

4.3 自燃的消防

生物质燃料自燃的消防与其它大多数产品的处理方式不同，一般不宜用水灭火和降低堆的温度［20］，因而限制了灭火剂的选择。目前国内外常用消防泡沫灭火，泡沫为颗粒表面提供一个持久的覆盖面，可降低表面热辐射和火势快速蔓延的风险。只有在较大明火或有增强火势的尘埃云出现时才采用水来尽快地抑制火焰和灭火［9］。

5 结论

生物质燃料储存时的自加热不仅导致热量、质量损失，而且会释放大量有害、有毒和污染性气体，严重时还会导致自燃和火灾，是影响生物质大规模应用过程安全、经济性的重要问题。随着生物质大规模利用技术在我国的快速发展和大量生物质燃烧电厂及其储运系统的建立，自加热及自燃的有效防范显得十分重要。目前，我国生物质电厂大量燃用秸秆等草本生物质，这类燃料的自加热及自燃问题较为突出，而国外较多的研究特别是防范经验主要是针对木质燃料，关于草本生物质燃料储存的公开经验相对较少。尽管如此，国外已有的研究成果和经验仍可作为我国生物质燃烧电厂等生物质大规模利用企业燃料储存时自加热及自燃防范的参考。考虑到草本生物质在特性、储存方式上与木质燃料有一定的差异，在我国开展和加强生物质特别是草本生物质燃料自加热及自燃防范方面的研究是十分重要和必要的。

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Review on Self-heating and Spontaneous Combustion of Biomass Fuels and Their Prevention

FAN Peng-hui，ZHANG Hui，SHENG Chang-dong
（School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Based on the overseas researches and experiences of engineering practices，the mechanisms of biomass self-heating，the critical influencing factors，the potential hazards，the protective measures and experience were systematically reviewed.The purpose is suggested for biomass fired power plants as well as other large-scale biomass users to prevent self-heating，spontaneous combustion and fire during fuel storage.

Biomass fuels；Self-heating；Spontaneous Combustion；Preventive measures

TQ35

A

1673-5854（2014）04-0051-06

10.3969／j.issn.1673-5854.2014.04.010

2014-03-28

范朋慧（1988—），女，河南濮阳人，硕士生，从事生物质焦低温下动力学特性研究；E-mail：ff＿0621＠163.com

*通讯作者：盛昌栋（1967—），男，安徽繁昌人，教授，博士，从事煤粉和生物质燃烧及其污染防治研究工作；E-mail：c.d.sheng＠seu.edu.cn。