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田宜水1,2，徐亞云1,2,3，侯書林3，趙立欣1,2，姚宗路1,2，孟海波1,2
?。?.農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所，北京100125；2.農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125；3.中國農業大學工學院，北京100083）
摘要：為了解不同儲存方式對農作物秸稈理化特性變化規律的影響，該文針對整株、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個月的試驗研究。結果表明，粉碎秸稈的全水分、灰分較高，分別比整株與打捆秸稈高出約3.46%、3.83%與5.95%、4.62%；但揮發分較整株、打捆秸稈分別低5.81%、4.47%；密封儲存全水分、灰分較露天、覆蓋儲存高，揮發分較露天、覆蓋儲存低。秸稈儲存期間，溫度平均值變化不明顯，極差僅在3.24～3.71℃之間，溫度最高值可達50℃左右，故應保持良好的通風。發熱量與全水分呈負相關變化，與整株和打捆秸稈相比，粉碎秸稈發熱量下降約1000kJ/kg左右。秸稈長期儲存時，應優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。
0引言
農作物秸稈是一種具有多用途的可再生生物資源，每噸干物質秸稈的熱值相當于0.5t標準煤，其S含量卻遠低于煤，是一種清潔、可再生能源，具有廣闊的發展前景。根據統計，2013年全國秸稈理論可收集資源量為8.3億t，綜合利用率達77.1%，尚有1.9億t未得到有效利用[1-5]。
由于農業生產間斷性與工業連續性存在一定的矛盾，如何安全儲存秸稈是其規?；玫年P鍵問題。劉建輝等[3]對水稻、小麥、玉米、油菜和棉花5種秸稈在遮雨通風條件下試驗分析，得出其性能參數的變化規律。謝祖琪等[4]對小麥秸稈進行儲存研究，結果表明，儲存前后的芯部溫度均在安全范圍內，絕干熱值無明顯變化。張中波等[5]對玉米和木質顆粒成型燃料在露天、半封閉、袋裝條件下試驗研究，得出了顆粒燃料全水分、顆粒密度和機械耐久性等理化特性的長期儲存數據。WilliamASmith等[6]對玉米秸稈和高粱進行全水分和干物質損失的測試分析，得出合適的堆垛形狀、方向和儲存方式能夠有效保持原料水分和干物質的結論。KevinLKenney等[7]對生物質原料的灰分、碳水化合物、水分等進行分析討論，為提高原料質量、減少可變性提供了依據和方法。上述研究雖然對秸稈的儲存和理化特性進行了初步研究，但是對玉米秸稈在不同預處理、不同儲存方式的研究較少，缺少秸稈安全儲存的試驗數據。
本文通過采取3種不同的儲存方式（露天、覆蓋、密封），針對整株、打捆、粉碎等預處理方式的玉米秸稈進行長期儲存試驗，每月中旬取樣并測量全水分、熱值、灰分等理化特性，分析各指標的變化規律，以及不同預處理和儲存方式對秸稈自身特性的影響，以期為秸稈的安全儲存提供理論依據和基礎數據。
1材料與方法
1.1試驗材料
選取山東省肥城市2013年秋季所產玉米秸稈。
1.2試驗設備
本試驗儀器主要包括：KZR70A型溫度記錄儀和Pt100溫度傳感器（北京昆侖中大工控技術發展有限公司），測試精度為±0.2%F.S；RT-34靜音碾磨式粉碎機（北京環亞天元機械技術有限公司）；XL-1箱型高溫爐（河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）；101-3A電熱鼓風干燥箱（鶴壁市華維科力煤質儀器有限公司）；ZDHW-5型微機全自動量熱儀（河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）。
1.3試驗方法
1.3.1試驗時間
中國華北平原地區，玉米秸稈普遍11月份開始收集，然后進行儲存，次年5、6月份小麥秸稈可收集、儲存并利用。玉米秸稈收集后，初始全水分含量很高，需一段時間風干處理，因此試驗時間為2014年1月份至5月份。
1.3.2存儲方式的選擇
試驗地點為山東省肥城市王莊鎮，試驗環境為室外。把所選試驗原料分為整株、打捆、粉碎3種形式，分別在露天（自然環境下直接儲存）、覆蓋（防水布遮住頂部）、密封（先塑料包裹，再用防水布全部遮蓋）條件下儲存，儲存地面為未經過處理的土地。
整株秸稈：選用3組約1t經風干后的整株玉米秸稈進行堆垛，長、寬、高尺寸約為：2400mm×2300mm×2160mm。
打捆秸稈：選擇3組約2.5t經HB3060型打捆機處理的玉米秸稈捆進行堆垛，長、寬、高尺寸約為：2400mm×2300mm×2160mm。選取600mm×460mm×360mm的秸稈捆120捆，每層20捆，共堆積6層。
粉碎秸稈：選擇3組約1.5t經9ZR-14型鍘揉機處理的粉碎玉米秸稈進行堆垛，半徑、高度約為：1500mm×2000mm。
1.3.3試驗方法
全水分：整株和粉碎秸稈，由上而下分3層取樣；打捆秸稈則分4層取樣。樣品制備完成后，按照NY/T1881.2-2010進行測試。
工業分析、發熱量：取樣后，使用密封袋保存并進行編號，按照《NY/T1881.1-2010～1881.8-2010生物質固體成型燃料試驗方法》制樣和測試。
溫度：整株秸稈分3層，每層安裝3個Pt100溫度傳感器；打捆秸稈分4層，每層安裝3個傳感器；粉碎秸稈分3層，頂層安裝一個傳感器，中間和底層分別安裝3個傳感器。具體安裝位置見圖1。
2試驗結果與分析
山東省肥城市屬暖溫帶溫潤性季風氣候，冬季寒冷少雪，春季較干多風，全年平均氣溫13℃，年平均降水量700～800mm，風向一般為東南風。為分析環境溫度和濕度對試驗的影響，從2014年1月開始每8h記錄1次空氣溫濕度，每天記錄3組數據，儲存期間月環境平均溫濕度數值見圖2，其中1月7日、31日小雨；2月5日、16日、17日、26日雨夾雪；3月11日、18日號小雨；4月15日、18日、20日小雨，25日中雨；5月10日中大雨。環境溫度總體呈上升趨勢，僅2月份因降雪平均溫度最低為0，5月份上升到20℃；環境濕度與降雨有關，一般在45%～65%之間，3月份進入春季，因季節變化平均濕度最低達46%。
2.1表觀觀察
秸稈長期儲存時，表面顏色均逐漸變深，說明秸稈表層可能發生氧化，整株和粉碎秸稈料堆逐漸變矮，有坍塌趨勢。整株和打捆狀態下，露天、覆蓋儲存的秸稈相對干燥，密封則較潮濕；粉碎秸稈露天儲存10d左右時，出現白煙，表明秸稈此時自身生理作用強，產生的水蒸氣遇冷空氣后冷凝。粉碎狀態下，密封秸稈外部最潮濕，腐爛現象嚴重。
2.2全水分變化分析
圖3為3種預處理（整株、打捆、粉碎）秸稈分別以露天、覆蓋、密封形式儲存時整垛全水分的變化規律。從整體來看，存儲方式比預處理對全水分影響更為顯著。同一預處理方式時，密封儲存時玉米秸稈全水分變動幅度最大，以整株秸稈為例，密封條件下儲存，玉米秸稈全水分標準差達9.024%，分別比露天和覆蓋條件高4.7%和2%；同一儲存方式時，粉碎秸稈變化最大，以露天儲存為例，儲存期間，粉碎秸稈全水分標準差達6.839%，比整株和打捆秸稈高2.5%和1.6%，具體統計數據見表1。
農作物秸稈成型過程中，玉米秸稈的最佳成型水分為15%[8]。由表1知：整株狀態下，秸稈露天儲存時，全水分平均值為14.5%，臨近最佳成型水分，其次為露天和密封儲存。打捆狀態下，同上，露天儲存時秸稈最利于成型，密封儲存因全水分含量較高，不便作為成型燃料使用。粉碎狀態下，覆蓋秸稈全水分含量為16.8%，較易于成型，而露天和密封儲存全水分含量均高出5%左右，不利于成型。因此，玉米秸稈作為成型燃料使用時，應該選擇整株或者打捆狀態，并在露天條件下儲存。
在露天條件下，玉米秸稈料堆（除底部外）與外部環境完全接觸，降雨（雪）將直接落到料堆頂部并滲透至料堆中，受環境影響最大。整體上，整株、打捆、粉碎秸稈全水分隨溫度、濕度上升而呈上升趨勢。整株和打捆秸稈全水分分別從初始的11.73%和12.08%，增加至5月份最高點，為21.12%和26.95%；3月份時整株秸稈全水分最低，為9.74%，原因在于3月份空氣較為干燥，相對濕度為46%；打捆秸稈變化則不明顯，說明打捆秸稈較為密實，水分擴散速率較慢。粉碎秸稈全水分整體偏高，最高達30.86%，與其他相比明顯存在滯后性，原因在于秸稈粉碎后，比表面積增加，且破壞了其表皮覆蓋的蠟質層結構，吸水性較好。
在覆蓋條件下，玉米秸稈料堆（除頂部、底部外）與外部環境完全接觸，受環境影響較大。另外，受防雨布遮擋，降雨（雪）無法滲透，可能形成局部積水現象。整體上，整株和打捆秸稈全水分基本相同，與環境濕度變化一致，3月份時最低，分別為10.89%和11.04%，4月份比2月份全水分含量分別降低了3.7%和2%，可能因為達到平衡含水率后，溫度越高，分子活性越大，全水分降低。粉碎秸稈全水分最高，3月份達到峰值28.06%，原因可能是秸稈表層遭到破壞后，2月末吸收大量水分，散失較慢。
在密封條件下，玉米秸稈料堆幾乎與外界隔離，受環境影響最小，另外，受密封布遮擋，降雨（雪）無法滲透，會導致秸稈自身產生的水分無法順利排出。整體上，三者處理方式秸稈全水分變化一致，分別從初始的11.73%、12.08%和8.62%，增加至3月份最高點，即32.76%、23.49%和33.52%，最后下降到5月份的11.08%、11.36%和19.62%。變化趨勢與其他儲存方式相比，存在明顯的滯后性，其中，整株和粉碎秸稈因密度小，全水分較高，打捆秸稈則偏低。
由以上分析可知，粉碎秸稈全水分含量高且變化幅度較大，本文以粉碎秸稈為例，分析每層全水分的變化規律，如圖4。
露天儲存時，第1層受環境影響最明顯，4月份時全水分最低為12.28%。第2層受環境影響較小，全水分處于第1、3層之間，從初始含水率8.62%上升至2月份的24.5%后，幾乎不再發生變化。第3層全水分從初始8.62%升高到3月份的29.44%后，一直保持在25%以上，原因可能是受到地表溫度、水分的影響。覆蓋儲存時，秸稈堆只有側面接觸環境，第1層3月份后全水分持續降低，可能受覆蓋影響，外界降水無法滲入。第2、3層全水分變化與環境濕度相比，略有滯后，可能因為秸稈組織受到破碎后，散失水分較慢導致。密封儲存時，3層秸稈全水分變化趨勢基本一致。其中，第1層含量最高，因為密封后，蒸發水分，可能停留在密封布下表面。
2.3溫度變化分析
圖5為整株、打捆、粉碎秸稈分別在露天、覆蓋、密封條件下儲存時的日平均溫度變化情況。整體略高于環境溫度，變化規律與環境溫度基本保持一致。其中，僅在第25天時低于環境溫度，可能是因為季節變化或者全水分較低導致。說明秸稈長期儲存時，溫度隨時間變化規律主要受外界環境影響。
整株狀態下，露天儲存時秸稈溫度變化最小，標準差為3.498%，覆蓋、密封儲存秸稈略高，分別為3.573%和3.646%。其中，密封秸稈溫度平均值最高，且在測試最后1天達到峰值，為26.68℃，高出環境溫度5℃左右，可能因為氣候變暖，太陽輻射增強，自身理化作用釋放能量。打捆狀態下，玉米秸稈以露天、覆蓋、密封形式儲存時，溫度變化最相近，標準差分別為3.536%、3.364%和3.337%。同整株狀態，密封秸稈仍在測試最后1天日平均溫度最高，達24.80℃，略高于環境溫度，略低于上述整株狀態。粉碎狀態下，露天儲存秸稈溫度變化最大，標準差為3.71%，覆蓋和密封儲存較小，標準差分別為3.43%、3.24%。相比整株和打捆狀態，密封秸稈溫度平均值仍為3種儲存方式中最高，但在第20天達到最高為23.88℃。
為研究24h內秸稈垛芯部溫度變化情況，選擇整株秸稈進行分析討論（圖6），試驗當天環境溫度在16～30℃之間，由于太陽直射關系，環境溫度一般在早上8:00左右上升，晚上8:00左右下降。3種儲存方式的全水分平均值分別為13.12%、11.46%和11.08%。
露天儲存時，秸稈料堆與外部環境完全接觸，受環境溫度影響最大。0～8h幾乎維持平衡，溫度變化曲線在露天和密封儲存曲線之間，8～12h從19.9℃增加至34.5℃后無明顯變化，然后在20h左右下降到28℃?？梢灾溃w變化趨勢與環境溫度變化相同，只是數值略有升高，原因可能是經太陽直射后，外界熱量傳入秸稈垛。
覆蓋儲存時，由于遮雨布遮蓋，受環境溫度影響較小。與另外2種方式比較，溫度曲線在1～8h最高，8～15h從20.4℃緩慢增加至27.6℃后無明顯變化，最后在20h左右下降到24.8℃。試驗期間，溫度變化最小，且最接近環境溫度。原因可能是覆蓋秸稈密度大、受太陽直射影響小，內、外部溫度達到平衡。
密封儲存時，由于密封布影響，溫度變化與環境溫度變化相差最大。與另外2種方式比較，溫度曲線在第1～8小時最低，第8～14小時從18.5℃迅速升高至44.5℃，第14～18小時下降至33.5℃后達到動態平衡，最高溫度相比外界環境升高了17℃。可能因為密封條件下分子活性大、微生物活性強，放熱多。
可以知道，露天和覆蓋條件下儲存的秸稈，溫度波動較??；密封條件下儲存的秸稈，峰值最大達45℃左右，且變化迅速，因此儲存時應該注意通風散熱，避免自燃。
2.4發熱量變化分析
發熱量是生物質原料能源化利用的重要評價指標之一[5-9]。由表2可見，整體來看，玉米秸稈收到基低位發熱量隨時間呈下降趨勢，2月份下降較為明顯，且與全水分呈負相關變化，可能因為秸稈全水分較大導致。以整株秸稈為例，分別露天、覆蓋、密封儲存時，1～5月份Qar降低了1512、1608、1612kJ/kg；其中，密封儲存秸稈發熱量平均值最低，僅11547kJ/kg，分別較露天、覆蓋儲存下降661、642kJ/kg。
如果扣除水分影響，以干燥基為基準進行分析，整株狀態下，露天儲存秸稈發熱量在12109～14333kJ/kg之間，1－2月份下降趨勢明顯，降低了686kJ/kg，可能因為全水分較大，受軟腐菌、霉菌等侵入，導致腐敗，有機物被微生物分解為CO2和H2O；3－4月份則略有提高，可能因為季節、氣候變化，全水分含量降低，秸稈中纖維素、木質素等消耗減少導致；覆蓋儲存秸稈發熱量在11619～14252kJ/kg之間，其中1－2月份比整株儲存略低，3～5月份略高300kJ/kg左右；密封儲存秸稈發熱量明顯降低，發熱量在10003～13779kJ/kg之間，原因在于缺乏雨水沖刷[6-7]。
打捆狀態下，發熱量總體比整株狀態略高，在10076～15060kJ/kg之間，分別以露天、覆蓋、密封方式儲存時，變化規律與整株秸稈相似，可能因為打捆預處理后，秸稈密度大且溫度略低，微生物活性較低所致。
粉碎狀態下，發熱量最低，在9521～12904kJ/kg之間，原因可能是秸稈粉碎后，表皮及蠟質層受到破壞，更易受軟腐菌、霉菌等侵入。
3種狀態下，粉碎秸稈發熱量最低不便使用，打捆秸稈略高可優先選擇；3種儲存條件下，密封儲存發熱量最低，不適于燃燒利用，應合理根據成本等影響因素選擇露天或覆蓋儲存方式。
2.5工業分析
工業分析包括一般樣品水分、灰分、揮發分和固定碳，其中，灰分和揮發分對原料利用影響較大，故本試驗主要分析灰分和揮發分的變化規律，試驗數據以干燥基為基準。
2.5.1灰分
表3數據顯示：隨秸稈儲存時間延長，灰分含量先迅速上升再略微降低，3－4月份分別降低了3.1%、1.5%、6.1%，可能因為降雨增多，沖刷掉一部分灰分，符合本文對發熱量變化的分析。3種秸稈狀態下，整株和打捆秸稈灰分含量較低且隨時間變化小，粉碎秸稈灰分含量高，最高達24%，可能是在秸稈粉碎處理過程中，混入其他雜質所致。
2.5.2揮發分
表4數據顯示：秸稈1－2月份下降趨勢明顯，如整株秸稈分別降低了9.15%、7.4%、8.4%，3個月后變化較小，原因可能受微生物分解作用影響。3種秸稈狀態下，整株和打捆秸稈揮發分含量相近且較高，達72%左右，粉碎秸稈明顯降低，數值僅68%左右。
3結論
1）秸稈儲存過程中，儲存條件比預處理方式對全水分影響大。粉碎秸稈平均全水分含率最高達19.16%，整株和打捆秸稈較低，分別為15.71%和15.34%。由于環境濕度和自身理化作用影響，露天和密封儲存時的全水分含量較覆蓋儲存高。同一秸稈垛比較時，每層全水分含量變化規律相同，但數值有明顯區別，可能因為預處理時秸稈組織發生破壞，吸水或散失水的能力不同。
2）秸稈長期儲存時，平均溫度普遍比環境溫度高。秸稈溫度變化與外界環境、全水分含量密切相關，3種不同預處理方式的秸稈，日平均溫度變化不明顯，極差僅在3.24～3.71℃之間。整株秸稈在露天、覆蓋、密封條件下儲存時溫度最高值分別為40.8、35.4、44.7℃，打捆秸稈上述數據為32.7、30.3、35.8℃，粉碎秸稈為40.5、39.3、43.7℃，打捆秸稈易于安全儲存，整株、粉碎秸稈儲存量多時，應該保持環境通風良好。
3）以干燥基為基準時，整株和打捆秸稈發熱量相近，平均值在14000kJ/kg左右，粉碎秸稈較低在13000kJ/kg左右，且密封儲存較露天和覆蓋儲存低，長期儲存時，受微生物和雨水沖刷影響。以收到基為基準時，發熱量明顯降低，發熱量與全水分呈負相關變化。整體來說，秸稈灰分隨時間升高，1～5月份增加了3%左右；揮發分降低，1～5月份降低了約6%，其中，粉碎秸稈灰分含量最高，揮發分最低，且在不同儲存條件下無明顯變化。
4）從秸稈高效利用角度考慮：粉碎秸稈因發熱量和揮發分低、含水率和灰分高，不利于能源利用，打捆秸稈比整株秸稈易儲存，但成本較高；3種儲存條件下，密封儲存不建議使用，露天和覆蓋儲存因各參數指標變化不一致，需要進一步研究。
[參考文獻]
[1]崔明，趙立欣，田宜水，等.中國主要農作物秸稈資源能源化利用分析評價[J].農業工程學報，2008，24(12)：291－296.
[2]王久臣，戴林，田宜水，等.中國生物質能產業發展現狀及趨勢分析[J].農業工程學報，2007，23(9)：276－282.
[3]劉建輝，謝祖琪，姚金霞，等.農作物秸稈在遮雨通風條件下的儲存研究[J].西南農業學報，2012，25(5)：1889－1894.
[4]謝祖琪，余滿江，庹洪章，等.小麥秸稈儲存機理研究[J].西南大學學報，2011，33(7)：130－136.
[5]張中波，田宜水，侯書林，等.生物質顆粒燃料的儲藏理化特性變化規律[J].農業工程學報，2013，29(1)：223－229.
[6]William A Smith, Ian J Bonner, Kevin L Kenney, et al.Practical considerations of moisture in baled biomass feedstock[J].Biofuels, 2013, 4(1): 95－110.
[7]Kevin L Kenney, William A Smith, Garold L Gresham, et al.Understanding biomass feedstock variability[J].Biofuels, 2013, 4(1): 111－127.
[8]霍麗麗，田宜水，趙立欣，等.生物質原料持續供應條件下理化特性研究[J].農業機械學報，2012，43(12)：107－113.
[9]霍麗麗，孟海波，田宜水，等.粉碎秸稈類生物質原料物理特性試驗[J].農業工程學報，2012，28(11)：189－195.
[10]田宜水，姚宗路，歐陽雙平，等.切碎農作物秸稈理化特性試驗[J].農業機械學報，2011，42(9)：124－145.
[11]樊蜂鳴，張百良，李保謙，等.大粒徑生物質成型燃料物理特性的研究[J].農業環境科學學報，2005，24(2): 398－402.
[12]田宜水，孟海波，孫麗英，等.秸稈能源化技術與工程[M].北京：人民郵電出版社，2010：129－133.
[13]熊昌國，謝祖琪，易文裕，等.農作物秸稈能源利用基本性能的研究[J].西南農業學報，2010(5)：1725－1732.
[14] Yuan J S, Wang X, Stewart Jr NS.Biomass feedstock：diversity as a solution[J].Biofuels, 2001, 2(5): 491－493.
[15]周晶，吳海濤，丁士軍，等.秸稈資源收獲季節性及其能源供應持續性分析[J].資源科學，2011，33(8)：177－183.
[16]霍麗麗，田宜水，趙立欣，等.農作物秸稈原料物理特性及測試方法研究[J].可再生能源，2011，29(6)：86－92.
[17] 周捍東，徐長妍，丁滬閩，等.木材散碎物料基本堆積特 性的研究[J].木材加工機械，2002，13(6)：7－17.
[18]Athanasios A Rentizelas, Athanasios J Tolis, Ilias PTatsiopoulos, et al.The Storage problem and the multi-biomass supply chain[J].Renewable Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(4).
[19]艾玉春，王煒，李鵬霞，等.甘蔗在貯藏期間營養與生理 變化研究[J].食品科學技術學報，2013，31(2)：37－42.
[20]庹洪章，劉建輝，謝祖琪，等.秸稈成型加工技術的試驗 研究[J].西南大學學報，2009(11)：133－139.
[21]趙麗華，莫放，余汝華，等.貯存時間對玉米秸稈營養物 質損失的影響[J].中國農學通報，2008，24(2)：4－7.
[22] Sokhansanj S, Turhollow A, Cushman J, et al.Engineering aspects of collecting corn stover for bioenergy[J].Biomass and Bioenergy, 2002, 23(5): 347－355.
[23] Ragland K W, Aerts D J.Properties of wood for combustion analysis[J].Bioresource Technology, 1991, 37(2): 161－168. |
