生物质燃料长期堆储理化特性研究及应用

李定青，符 艳

（广东粤电湛江生物质发电有限公司，广东 湛江 524300）

0 引言

国内外学者对生物质燃料储存过程中的理化特性变化规律开展了相关研究和现场试验工作。张中波等［1］在北方地区对玉米秸秆和木质燃料颗粒进行袋装、半封闭、露天3 种储存方式开展储藏试验，结果表明2 种颗粒在3 种储存方式下机械耐久性都保持在94.46%以上，生物质颗粒燃料未出现发霉现象，全水分和堆积密度变化规律受气候变化规律相吻合，灰分和挥发分保持则稳定状态初始状态，这为生物质颗粒燃料的安全储存提供理论依据。刘建辉等［2］开展农作物秸秆在遮雨通风条件下的储存研究，结果表明在四川省2009 年至2011 年的正常年份下，小麦、玉米、油菜和棉花这4 种秸秆捆在遮雨通风的自然环境中均可安全储存并作燃料，唯有水稻秸秆捆储存期间发生霉变，不适合做燃料。田宜水等［3］开展储存方式对生物质燃料玉米秸秆的储存特性的影响研究，针对整株、打捆、粉碎3 种预处理方式，且分别储存在露天、覆盖、密封条件下的秸秆进行为期5 个月试验研究，结果表明生物质燃料玉米秸秆的发热量与全水分呈负相关变化，与整株和打捆秸秆相比，粉碎秸秆发热量下降约1 000 kJ／kg，研究建议秸秆长期储存时，应优先选择整株或打捆秸秆，露天和覆盖储存则需要进一步研究确定。苏俊林等［4］对生物质颗粒燃料灰行为研究现状进行综述，指出生物质燃料灰行为问题的解决有助于生物质燃料成为未来新能源的重要组成部分。霍丽丽等［5］对不同季节供应的生物质燃料的物理和热化学特性变化进行研究，研究结果建议在生物质原料储藏、运输、压缩成型等设备的设计过程中，应充分考虑不同种类原料堆积密度、流动特性等物理特性的差异，而生物质原料的燃烧过程，不仅涉及不同种类原料的差异，还应考虑不同季节造成的影响。杨佩旋［6］对湛江地区生物质直燃发电相关问题进行分析，提出推进湛江地区生物质直燃发电产业快速有序发展的合理化建议。廖艳芬等［7］对我国南方典型生物质燃料进行热解和燃烧实验研究，结果表明草本类燃料由于组成结构简单，脱挥和着火过程性能较好，木质类燃料因组成成分不同导致燃烧特性有较大差异。张迪茜［8］对生物质能源研究进展和应用前景进行综述，建议对非粮生物质资源、农林废弃物重点发展，加强对生物质电厂建设前期调研和科学布局规划。谢祖琪等［9］对遮雨通风自然环境和相对湿度恒定环境的两种储存条件的小麦秸秆进行试验研究，结果表明无论是正常年份，还是相对湿度较大的特殊年份，麦秸捆储存期间芯部温度均没有超出安全水平线，储存前后绝干热值没有明显影响，麦秸捆均可安全储存并作能源利用。国内其他研究学者［10－12］开展了生物质能利用相关的试验和研究工作。

1 试验燃料及方法

1.1 试验燃料

选取湛江地区产量最多的桉树皮作为试验研究的生物质燃料，燃料特性分析见表1 和表2，热值为5 295 kJ/kg，试验期间通过测量料堆内部温度，记录温度变化趋势，通过定期采样、化验分析试验燃料的水分和热值的变化趋势。

表1 燃料（桉树皮）元素分析 %

表2 燃料（桉树皮）工业分析

1.2 试验方法

1.2.1 试验环境

本试验建立不同的生物质燃料堆储试验环境，试验分为室内和露天（自然环境下）进行。

1.2.2 试验时间

颈椎按摩操主要是通过主动活动锻炼，达到疏通血脉和调畅气机的目的，配合其他治疗重新恢复颈椎的活动调节功能，从而达到消除缓解颈椎病的临床症状，在治疗康复颈椎病上有其应用的理论依据。颈椎按摩操同时具有护士易于指导督促患者正确练习的特点，且易学易练，是值得推广的康复锻炼方法。

考虑A 电厂每年3—7 月为燃料的堆储高峰期，该时间段电厂所在地区气温、湿度较高对堆储燃料的理化特性影响显著，具有较大的研究价值。

试验研究时间为120 天，试验期间每天对储存燃料进行1 次测温，每周对试验燃料进行1 次采样化验分析。

1.2.3 试验堆储设计

试验燃料为电厂从同一燃料供应商同一批次采购的燃料，燃料的品质（水分、热值）基本保持一致。燃料堆储按照试验方案设计分室内和露天环境，分别按15 m×10 m×9 m 规格进行堆垛，燃料堆垛模型见图1。

图1 储存燃料堆垛模型

1.2.4 试验测定方法

燃料测温采用热电偶测量仪，测量仪由测量棒和仪表组成，为可分离式，避免使用过程中损坏仪表。根据燃料堆垛规格，分别选取3 m 和7 m 长热电偶测量仪进行测量。燃料测温方法采用网格测量法，分别在燃料堆垛的上、中、下层进行网格测量，每层测量16 处温度点。

燃料取样按照堆垛的上、中、下层分别采取表层和内部样品，每个采样点取样不少于2 kg 燃料，所采集样品采用塑料储料袋进行封装，送至电厂燃料化验室进行化验分析。

燃料全水分按照GB／T 28733—2012《固体生物质燃料全水分测定方法》测量，在（105±2）℃的空气干燥流中，鼓风条件下，烘至样品质量恒重，水分修正后计算全水分。燃料热值采用弹筒发热量测定方法进行测定。

2 试验分析

2.1 表面观察

露天（自然条件下）试验燃料颜色加深，部分燃料发黑、轻微腐烂，尤其是料堆底层燃料受潮湿或雨水天气影响出现发黑、腐烂的现象较严重。

室内试验燃料表面颜色加深，未出现发霉或腐烂现象。

2.2 温度变化

不同堆储环境下试验燃料内部温度变化规律如图2 所示。可以看出，电厂所在地属于北回归线以南的低纬度地区，在试验时间段内，堆场气温基本维持在30 ℃，属于典型亚热带季风气候。

露天（自然条件下）和室内堆储燃料内部温度都出现了上升的趋势，可能是生物质燃料在受生物降解或生化降解产生热量引起的。

图2 试验燃料温度变化

露天（自然条件下）堆储燃料内部温度随着时间增长，温度逐渐上升，堆储大概91 天料堆内部温度达到80 ℃。而室内堆储燃料内部温度随着时间增长，温度逐渐上升且上升速度比露天（自然条件下）堆储燃料要快一些，大概86 天燃料内部温度达到了80 ℃。

不同堆储环境下，堆储燃料内部温度变化存在差异，主要是由料堆的通风形式不一致引起。露天（自然条件下）堆储燃料暴露在空气中，自然通风条件良好，料堆部分热量随着自然通风带走，温度降低。而室内堆储燃料自然通风条件相对较差，主要靠料堆内部和外表面的温度差形成对流带走部分热量。

2.3 水分变化

不同堆储环境下试验燃料全水分（空干基）变化规律见图3 所示。随着燃料堆储时间延长，不同堆储环境的燃料全水分变化具有明显的区别，露天（自然条件下）堆储燃料随着时间变化，燃料全水分从54.82%增长至58.64%，增加了3.82 个百分点。考虑到试验期间电厂所在地区湿度分布在60%～95%，共有9 天雨天，露天堆储燃料全水分增长主要受雨水和潮湿天气影响所致。燃料露天堆储大概86 天，全水分增长较缓慢，可认为燃料水分基本达到饱和状态。

图3 试验燃料水分变化

室内堆储燃料随着时间变化，燃料全水分从54.82%减少至46.2%，减少了8.62 个百分点。室内燃料堆储大概84 天后，全水分减少较缓慢，可认为室内燃料基本达到自然烘干的平衡状态。

2.4 热值变化

不同堆储环境下试验燃料热值（低位发热量）变化规律如图4 所示。可以看出，随着燃料堆储时间的变化，不同堆储环境的燃料热值变化趋势不同。露天（自然条件下）堆储燃料随着时间变化，燃料热值从5 358.76 J／g 下降至4 686.45 J／g，下降了12.54%。考虑到露天堆储燃料受雨水和潮湿天气影响，燃料全水分增加直接影响热值。此外，长期堆储的高水分燃料由于生物降解造成干物质和热量损失也是造成燃料热值下降的另一主要原因。

室内堆储燃料随着时间变化热值由5 358.76 J／g增加至7 281.56 J／g，增加了35.89%，室内堆储大概85 天后，燃料热值基本保持不变。室内堆储燃料热值增加主要受燃料全水分下降影响，此外，值得注意的是室内燃料在自然烘干过程中生物降解造成的干物质和热值损失逐渐减少，对室内储存燃料的影响相对较小。

图4 试验燃料热值变化

2.5 降解损耗差异变化

生物质燃料堆储过程的热值损失一是由于生物质燃料全水分变化，二是由于堆储过程中生物降解造成。试验已对生物质燃料堆储过程的水分和热值进行了测定，考虑利用试验数据对不同堆储环境下的生物质燃料的降解损耗进行评估。门捷列夫经验公式［13］估算固体或液体燃料热值适用性广，结果较为准确，因此在分析生物质燃料堆储降解损耗差异值时利用门捷列夫经验公式来估算生物质燃料降解损耗差异值：

式中：Q0为未考虑降解损耗的燃料低位热值，J／g；ρC为应用基含碳量质量分数，%；ρH为应用基氢质量分数，%；ρO为应用基氧质量分数，%；ρS为应用基硫质量分数，%；ρW为应用基水分，%；Q1为生物降解损耗热值，J／g；Q2为考虑生物降解损耗的燃料低位热值，J／g。

综合门捷列夫经验公式（1）、式（2）对室内、室外堆储生物质燃料的降解损耗差异进行估算，变化规律如图5 所示。

图5 试验燃料降解差值变化

由图5 可以看出，随着燃料堆储时间变化，室外与室内堆储燃料的生物降解损耗差值逐渐增大，增大速率逐渐变缓。根据图5 估算数据进行统计分析，试验燃料生物降解损耗差值与时间具有正相关性，利用Origin 软件对降解损耗差值变化采取二元回归方法进行曲线拟合，设立二元回归方程式：

式中：ΔQ1为室内外堆储燃料生物降解损耗差值；t为试验时间；a、b、c 为二元回归方程常数。

对降解损耗差值变化数据进行曲线拟合，结果如图5（红色曲线）所示，拟合结果曲线方程为

其中，曲线拟合相关系数R＝0.993 94，R 绝对值接近1，说明相关性较高。

结果表明，利用不同堆储环境的试验燃料的水分、热值变化预测燃料的降解损耗差异值是可行的，降解损耗差异值是逐渐增大，但增大速率逐渐变缓，该预测结果对为生物质燃料堆储经济性具有重要的参考和指导意义。

3 结论

生物质燃料堆储过程中，不同的堆储环境会引起燃料的理化特性发生变化，从而对生物质燃料的使用安全性和经济性产生较大的影响，通过试验研究得出以下结论：

1）露天堆储的生物质燃料全水分增加3.82 个百分点，而室内堆储的生物质全水分随着时间变化下降8.62 个百分点，试验结果表明气候属于多雨潮湿地区的生物质燃料不适合露天长期堆储。

2）露天堆储的生物质燃料热值下降12.54%，室内堆储的生物质燃料热值增加35.89%，试验结果表明生物质燃料在室内堆储过程中自然烘干效应明显，热值增加，有利于提高生物质燃料的使用效率，而露天堆储的生物质燃料受雨水潮湿天气影响，热值降低，且高水分生物质燃料堆储过程受生物降解效应明显，干物质和热值损失也不容忽视。

3）露天（自然条件下）和室内堆储生物质燃料内部温度都出现了上升的趋势，且室内堆储环境下的生物质燃料内部温度上升更快。露天堆储超过91 天燃料内部温度上升超过80 ℃，室内堆储超过86 天燃料内部温度上升超过80 ℃。试验结果表明，生物质燃料长期堆储过程中受生物降解和通风形式影响，燃料内部温度升高，露天和室内堆储超过86 天燃料内部温度都超过了80 ℃，应及时使用避免燃料自燃发生火灾事故。

4）通过试验数据测试及统计分析，利用不同堆储环境的试验燃料的水分、热值变化预测室内外堆储燃料的降解损耗差异值是可行的，结果表明，降解损耗差异值是逐渐增大，但增大速率逐渐变缓，该预测结果对为生物质燃料堆储经济性具有重要的参考和指导意义。

综上所述，考虑生物质燃料使用安全性和经济性，电厂对长期堆储的生物质燃料采取室内堆储方式，建立燃料存放使用台账，坚持每日测温和燃料定期轮换使用规定，燃料堆储时间最长不超过90天，一旦燃料内部温度超过80 ℃立即置换使用，通过采取以上措施后电厂燃料堆储损耗下降，发电效益提升，同时有效避免了生物质燃料自燃发生火灾事故。