|
田宜水，張中波，趙立欣，姚宗路，孟海波
(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗室，北京100125)
摘要：中國不同地區(qū)氣候不同，溫濕度差異較大，生物質(zhì)顆粒燃料在儲藏過程中，會引起顆粒燃料的特性發(fā)生變化，從而對燃料的應(yīng)用產(chǎn)生影響。針對玉米秸稈顆粒和木質(zhì)顆粒兩種燃料，采用密封和露天2種儲藏形式，利用高低溫濕熱試驗箱模擬不同溫濕度條件，開展儲藏試驗。結(jié)果表明，生物質(zhì)顆粒燃料在儲藏過程中，影響顆粒燃料全水分的主要因素是溫度、濕度和儲藏方式；濕度大于70%，玉米秸稈顆粒燃料會出現(xiàn)長毛、發(fā)霉現(xiàn)象；木質(zhì)顆粒燃料在高溫、高濕條件時，會出現(xiàn)裂縫及發(fā)霉現(xiàn)象。
0引言
近年來，隨著農(nóng)村社會經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展和農(nóng)民生活水平的提高，中國農(nóng)村居民生活用能的消費(fèi)總量不斷增加，對商品能源的需求增長尤為迅速[1~2]，這既消耗了大量的能源，又產(chǎn)生大量的溫室氣體。生物質(zhì)顆粒燃料是由粉碎的固體生物質(zhì)原料通過成型機(jī)壓縮成圓柱形的生物質(zhì)固體成型燃料，具有可再生和CO2零排放等優(yōu)勢，可作為農(nóng)村居民炊事采暖等燃料，具有廣闊的發(fā)展前景[3~6]。
在生物質(zhì)顆粒燃料儲藏過程中，溫度、濕度以及儲藏方式的不同，可能引起生物質(zhì)顆粒燃料水分、發(fā)熱量及機(jī)械耐久性等特性的變化，從而對顆粒燃料的運(yùn)輸和應(yīng)用產(chǎn)生不利影響。
目前，國內(nèi)外對于溫、濕度影響生物質(zhì)顆粒燃料儲藏特性的研究還很少[7~10]。對于生物質(zhì)顆粒燃料的短期儲藏溫、濕度條件相關(guān)研究則未見報道。
本文通過密封袋裝與平鋪于托盤(露天)兩種儲藏方式，利用高低溫濕熱試驗箱，針對玉米秸稈顆粒和木質(zhì)顆粒2種燃料，開展短期儲藏試驗，測試全水分、發(fā)熱量和機(jī)械耐久性，分析儲藏過程中溫、濕度對生物質(zhì)特性的影響，以期為各地生物顆粒燃料儲藏設(shè)計提供參考。
1試驗材料及方法
1.1試驗材料
選取2009年秋季北京市南郊地區(qū)的玉米秸稈和木質(zhì)燃料(紅松)，由HM485型生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)壓制而成。顆粒燃料依據(jù)NY/T1880—2010《生物質(zhì)固體成型燃料樣品制備方法》制備，顆粒燃料的規(guī)格為：直徑8mm，長度20~30mm。
1.2試驗設(shè)備
主要包括：GDS225A型高低溫濕熱試驗箱(北京切克試驗設(shè)備有限公司)、GJ2封裝式化驗制樣粉碎機(jī)(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司)、BSA223SCW型分析天平(賽多利斯科學(xué)儀器有限公司)、PL2002型電子天平(瑞士梅特勒托利多公司)、1011A型電熱鼓風(fēng)干燥箱(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司)、ZDHW5型微機(jī)全自動量熱儀(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司)和KER2400型轉(zhuǎn)鼓試驗機(jī)。
1.3試驗方法
1.3.1試驗時間
高低溫濕熱試驗箱工作環(huán)境溫度要求為0~40℃，相對濕度不大于90%，空氣溫、濕度過高，會對高低溫濕熱試驗箱的測量精確度產(chǎn)生影響。北京地區(qū)夏季溫度、濕度較高不適宜做試驗，為了盡量減少空氣條件對試驗的影響，試驗時間選擇在2011年11月至2012年4月期間進(jìn)行。
1.3.2試驗設(shè)計
中國顆粒燃料生產(chǎn)廠家遍布南北，不同地區(qū)氣候不同，溫、濕度差異較大。試驗擬采用單因素試驗方法，并進(jìn)行補(bǔ)充試驗。
單因素試驗。相對濕度設(shè)定為40%，在不同溫度下(低溫5℃、中溫20℃、高溫43℃)進(jìn)行溫度影響試驗，以模擬中國不同地區(qū)氣溫。其中需要說明的是，0℃以下，一般微生物活動受到抑制，可不予考慮。溫度設(shè)定為25℃，在不同的相對濕度下(低濕15%、中濕45%、高濕70%)進(jìn)行濕度影響試驗。
補(bǔ)充試驗。根據(jù)單因素試驗，玉米秸稈顆粒燃料在相對濕度70%時，出現(xiàn)輕微發(fā)霉現(xiàn)象，木質(zhì)顆粒燃料表面無變化。為準(zhǔn)確確定儲藏條件，設(shè)計了2組補(bǔ)充試驗：試驗1(25℃、相對濕度60%)和試驗2(43℃、相對濕度90%)。
1.3.3試驗測定參數(shù)選擇及測試方法
生物質(zhì)顆粒燃料應(yīng)用前，一般以袋裝或料倉等形式進(jìn)行儲藏，短期一般5~7d，長期一般在一個月以上。在儲藏期內(nèi)，儲藏環(huán)境溫度、濕度的不同，可能對顆粒燃料的理化特性產(chǎn)生影響，影響其運(yùn)輸和燃燒特性。其中，全水分變化會影響堆積密度和發(fā)熱量，機(jī)械耐久性表征在貯藏、運(yùn)輸過程中的抗破碎能力，發(fā)熱量反映顆粒燃料可供熱能力。因此，試驗選取全水分、機(jī)械耐久性和發(fā)熱量作為試驗測定指標(biāo)，以獲得溫、濕度變化對特性的影響。試驗在北京市南郊某工廠內(nèi)進(jìn)行，試驗環(huán)境為普通廠房室內(nèi)環(huán)境。
密封儲藏是將燃料儲藏于密封容器，防止塵土以及異物進(jìn)入。每種顆粒燃料分別稱量1.5kg，采用密封袋封裝裝袋，扎緊袋口，橫向均勻放置于托盤。
露天儲藏是將燃料儲藏于料倉、簡易棚倉或其他經(jīng)特殊處理的露天位置上。每種顆粒燃料分別稱量1.5kg，平鋪放置于托盤中，使顆粒燃料與試驗箱與特定溫、濕度空氣充分接觸。
每組樣品在高低溫濕熱試驗箱中短期儲藏7d后，取出部分樣品立即測試全水分，其他部分進(jìn)行機(jī)械耐久性及發(fā)熱量的測試。
全水分測定按NY/T1881.2—2010《生物質(zhì)成型燃料試驗方法第2部分：全水分》進(jìn)行，是在空氣中，將生物質(zhì)固體成型燃料樣品置于105℃的溫度下干燥至質(zhì)量恒定，然后根據(jù)樣品質(zhì)量損失并修正浮力作用進(jìn)行計算。
發(fā)熱量采用彈筒發(fā)熱量測定方法，在氧彈中有過剩氧的情況下，在規(guī)定條件下燃燒單位質(zhì)量試樣所產(chǎn)生的熱量為彈筒發(fā)熱量。
機(jī)械耐久性按NY/T1881.8—2010《生物質(zhì)成型燃料試驗方法第8部分：機(jī)械耐久性》規(guī)定，采用KER2400型轉(zhuǎn)鼓試驗機(jī)，在可控的振動下，使試驗樣品之間、樣品與測試器內(nèi)壁之間發(fā)生碰撞，然后將已磨損和細(xì)小的顆粒分離出來，根據(jù)剩余的樣品質(zhì)量計算機(jī)械耐久性。
每個參數(shù)測量2次，取其平均值作為測試結(jié)果。
2試驗結(jié)果與分析
2.1單因素試驗
2.1.1溫度
(1)表觀觀察
2種顆粒燃料在3種不同儲藏溫度下短期儲藏7d，其表面顏色均未發(fā)生變化，玉米秸稈顆粒呈現(xiàn)黃褐色，木質(zhì)顆粒為紅紫色，燃料未出現(xiàn)發(fā)霉、長毛現(xiàn)象。說明在此溫、濕度條件下，生物質(zhì)顆粒燃料中的微生物活動得到有效的抑制。
(2)全水分
不同溫度影響儲藏試驗顆粒燃料全水分變化規(guī)律如表1所示。可以看出，相對濕度為40%時，玉米秸稈和木質(zhì)顆粒在不同溫度下的全水分均有所下降，說明在該溫、濕度下，玉米秸稈和木質(zhì)顆粒的平衡濕含量(干基)分別小于11.0%和11.3%，顆粒燃料處于解濕狀態(tài)。在燃料表面與空氣的水蒸氣分壓差的作用下，水分由物料表面向氣流擴(kuò)散，并被氣流攜帶走。如果儲藏時間足夠長，燃料最終將達(dá)到平衡濕含量狀態(tài)。
在露天狀態(tài)下，玉米秸稈和木質(zhì)顆粒的全水分在43℃時最高，均為10.2%。考慮到本試驗溫度設(shè)定為5、20和43℃，其水蒸氣分壓分別為3.49×102、9.36×102和3.459×103Pa。可知，雖然相對濕度均為40%，但溫度較高時(43℃)，空氣中的水蒸氣分壓則較高，造成物料表面與空氣的水蒸氣分壓差較低，干燥速率低；另外，生物質(zhì)顆粒經(jīng)成型后，較為致密，水分遷移速度較慢，在儲藏7d后燃料的全水分還較高，未達(dá)到平衡濕含量狀態(tài)。
當(dāng)環(huán)境溫度過低(5℃)時，水蒸氣分子極其不活躍，燃料表面的水蒸氣分壓偏低，儲藏7d后，其全水分仍維持在較高水平，分別為7.4%和8.7%。
當(dāng)溫度20℃時，物料表面的水蒸氣分壓較高，干燥速率高，秸稈和木質(zhì)顆粒燃料全水分?jǐn)?shù)值最低，分別為3.6%和4.6%，基本可以認(rèn)為是達(dá)到了平衡濕含量狀態(tài)。
密封狀態(tài)下，玉米秸稈和木質(zhì)顆粒的全水分變化與露天狀態(tài)下基本一致，但各溫度變化范圍較小，說明密封的儲藏方式對水分蒸發(fā)有一定的抑制作用。
值得注意的是，在5℃和43℃時，密封狀態(tài)下的燃料的全水分均小于露天狀態(tài)。考慮到密封袋相當(dāng)于一個封閉空間，其空氣中水蒸氣含量應(yīng)低于高低溫濕熱試驗箱，燃料與空氣中的水蒸氣為達(dá)到動態(tài)平衡，需要失去更多的水分，造成燃料全水分的降低。
綜上所述，在中濕條件下(相對濕度40%)短期儲藏，燃料基本處于解濕狀態(tài)，全水分低于初始值。
溫度過高或過低時，干燥速率均較低，沒有達(dá)到平衡濕含量。當(dāng)溫度20℃時，干燥速率較高，基本可以認(rèn)為是達(dá)到了平衡濕含量狀態(tài)。
(3)機(jī)械耐久性
在不同溫度下，玉米秸稈和木質(zhì)顆粒的機(jī)械耐久性無顯著變化，均大于95%，符合要求(表2)。
可認(rèn)為溫度、濕度對玉米秸稈和木質(zhì)顆粒燃料的機(jī)械耐久性影響不顯著，在輸送過程中可保持顆粒燃料的完整性而不被破壞。其中，玉米秸稈顆粒的機(jī)械耐久性有所下降，而木質(zhì)顆粒燃料的機(jī)械耐久性則略有上升。這說明全水分對機(jī)械耐久性的影響與材料性質(zhì)有關(guān)。
(4)發(fā)熱量
表3為不同溫度情況下，秸稈顆粒和木質(zhì)燃料的發(fā)熱量。可以看出，3種溫度下發(fā)熱量均有所增加，這是因為通過解濕過程，其全水分降低，從而造成發(fā)熱量上升，這對燃燒過程是有利的。
2.1.2濕度
(1)表觀觀察
玉米秸稈和木質(zhì)顆粒燃料儲藏7d后，在相對濕度為15%、45%時，其表面顏色均未發(fā)生變化，玉米秸稈顆粒呈現(xiàn)黃褐色，木質(zhì)顆粒為紅紫色，燃料未出現(xiàn)發(fā)霉、長毛現(xiàn)象。
當(dāng)儲藏相對濕度達(dá)到70%時，露天貯藏條件下，玉米秸稈顆粒燃料表面出現(xiàn)絲狀的綠毛，如圖1所示。說明在此溫度和濕度條件下，玉米秸稈顆粒燃料出現(xiàn)了輕微的霉變現(xiàn)象，經(jīng)過簡單處理可進(jìn)行試驗(除去發(fā)霉部分)。其他幾種情況則未發(fā)生任何變化。說明在溫度25℃、相對濕度70%條件下，玉米秸稈顆粒燃料中的微生物活動較為活躍，應(yīng)避免在此環(huán)境下儲藏。
(2)全水分
不同濕度儲藏條件下，玉米秸稈和木質(zhì)顆粒燃料的全水分變化規(guī)律如圖2所示。
露天情況下，隨著環(huán)境空氣相對濕度的增加，顆粒燃料的全水分均有所增加，趨向平衡濕含量狀態(tài)。
在相對濕度為15%時，玉米秸稈和木質(zhì)顆粒全水分分別為8.8%和10.7%，低于顆粒燃料的初始全水分；在相對濕度為70%時，則達(dá)到最大值，分別為14.1%和15.1%。其中，木質(zhì)顆粒燃料的變化幅度較大。這說明顆粒燃料的全水分在溫度相同的情況下，相對濕度越高，燃料的全水分則越大。
在使用密封袋密封的情況下，其全水分基本保持不變，玉米秸桿和木質(zhì)顆粒分別在7.8%~8.1%和8.1%~9.1%，且均低于其初始全水分。
綜上所述，顆粒燃料的全水分與環(huán)境濕度、溫度和儲藏方式等有關(guān)。
(3)機(jī)械耐久性
在不同濕度下玉米秸稈和木質(zhì)顆粒燃料的機(jī)械耐久性皆大于95%，如表4所示。全水分對機(jī)械耐久性的影響不顯著。
(4)發(fā)熱量
表5為不同濕度下，玉米秸稈顆粒和木質(zhì)燃料的發(fā)熱量。可以看出，3種濕度下，發(fā)熱量均有所變化，這是因為通過增濕或解濕過程，其全水分發(fā)生變化，從而造成發(fā)熱量的變化。
由上可知，玉米秸稈顆粒燃料雖然出現(xiàn)了輕微發(fā)霉的現(xiàn)象，但是其全水分等數(shù)值與其他濕度情況下的數(shù)值差距較小，說明顆粒燃料經(jīng)簡單處理可以保持其燃燒特性。但可以預(yù)見，如果儲藏時間大于7d，顆粒燃料發(fā)霉現(xiàn)象會更加嚴(yán)重，應(yīng)考慮增加通風(fēng)除濕設(shè)施。
2.2補(bǔ)充試驗
2.2.1試驗1
在單因素試驗中，當(dāng)相對濕度70%時，玉米秸稈顆粒燃料出現(xiàn)了發(fā)霉的現(xiàn)象，本試驗選擇相對濕度為60%，儲藏顆粒燃料7d，表觀觀察是否發(fā)霉，并進(jìn)行特性試驗。本試驗的溫度為25℃。
試驗結(jié)果表明：2種不同儲藏方式下，顆粒燃料均未出現(xiàn)發(fā)霉、長毛現(xiàn)象，可安全儲藏。密封儲藏條件下，玉米秸稈顆粒全水分為7.3%，木質(zhì)顆粒燃料為8.6%。露天儲藏條件下，玉米秸稈顆粒燃料全水分為8.9%，木質(zhì)顆粒燃料為9.8%，高于密封儲藏條件。顆粒燃料的機(jī)械耐久性并無大的變化，均大于95%。玉米秸稈顆粒燃料密封儲藏方式下，發(fā)熱量為14.8MJ/kg，木質(zhì)顆粒燃料為18.0MJ/kg。
露天條件下，玉米秸稈顆粒燃料發(fā)熱量為14.5MJ/kg，木質(zhì)顆粒燃料為17.9MJ/kg，不同儲藏形式在此溫、濕度下，數(shù)值差距很小，并不影響燃燒性能。
由單因素試驗知，玉米秸稈顆粒燃料在溫度25℃，相對濕度70%時，會產(chǎn)生發(fā)霉現(xiàn)象，而本組試驗表明，溫度25℃，相對濕度60%時，未出現(xiàn)變質(zhì)現(xiàn)象，玉米秸稈顆粒燃料儲藏濕度應(yīng)低于60%。
2.2.2試驗2
試驗2溫度為43℃，相對濕度為90%，本試驗觀察在高溫、高濕情況下，顆粒燃料是否會發(fā)霉、變質(zhì)。試驗結(jié)果表明：露天儲藏條件下，當(dāng)儲藏濕度達(dá)
到90%時，玉米秸稈顆粒燃料表面完全被霉菌覆蓋而且出現(xiàn)了白斑，如圖3所示。說明在此相對濕度下，玉米秸稈顆粒燃料被黃曲霉菌侵蝕嚴(yán)重，顆粒燃料已完全不能使用。密封儲藏的玉米秸稈顆粒燃料，由于隔絕空氣，其表面顏色未發(fā)生變化，仍然呈現(xiàn)黃褐色，未出現(xiàn)發(fā)霉、長毛的現(xiàn)象。當(dāng)儲藏濕度達(dá)到90%時，木質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)生了嚴(yán)重的破裂，并且表面出現(xiàn)了長毛、發(fā)霉的現(xiàn)象，如圖4所示。說明在此濕度下，木質(zhì)顆粒燃料也霉菌侵蝕，顆粒燃料已不能使用。密封儲藏的木質(zhì)顆粒燃料，隔絕空氣，在安全水分下，表面顏色未發(fā)生變化，仍然呈現(xiàn)紅紫色，燃料未出現(xiàn)發(fā)霉、長毛的現(xiàn)象。
3結(jié)論
(1)影響顆粒燃料全水分和發(fā)熱量的主要因素是溫度、相對濕度和儲藏方式。其中，溫度和相對濕度影響燃料和全水分和干燥速率。相對濕度越高，則全水分越高。封閉方式對水分蒸發(fā)有一定的抑制作用。
(2)當(dāng)溫度為25℃、相對濕度70%時，露天貯藏條件下，玉米秸稈顆粒燃料會出現(xiàn)長毛、發(fā)霉的現(xiàn)象，相對濕度為60%時未出現(xiàn)變質(zhì)現(xiàn)象，玉米秸稈顆粒儲藏相對濕度一般應(yīng)低于60%。在高濕地區(qū)，儲藏玉米秸稈顆粒燃料時，應(yīng)考慮增加通風(fēng)除濕設(shè)施。
(3)木質(zhì)顆粒燃料高溫(43℃)、高濕相對濕度(90%)條件下，顆粒燃料表面會出現(xiàn)裂縫、發(fā)霉現(xiàn)象，在此條件下不宜長期儲藏。
參 考 文 獻(xiàn)
1 田宜水，趙立欣，孫麗英，等. 中國農(nóng)村居民生活用能及CO2排放情景分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(10)：206 ~211.
2 吳創(chuàng)之，周肇秋，陰秀麗，等. 我國生物質(zhì)能源發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2009，40(1)：91 ~99
3 王久臣，戴林，田宜水，等. 中國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(9)：276 ~282.
4 Sjaak Van Loo，Jaap Koppejan. Handbook of biomass combustion and co-firing [M]. Enschede：Twente University Press，2002.
5 田宜水，孟海波，孫麗英. 秸稈能源化技術(shù)與工程[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.
6 姚宗路，趙立欣，Ronnback M，等. 生物質(zhì)顆粒燃料特性及其對燃燒的影響分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2010，41(10)：97 ~102.
7 Athanasios A Rentizelas，Athanasios J Tolis，Ilias P Tatsiopoulos. Logistics issues of biomass：the storage problem and the multi-biomass supply chain[J]. Renewable Sustainable Energy Reviews，2009，13(4)：887 ~894.
8 Chico-Santamarta L，Humphries A C，Chaney K，et al. Microbial changes during the on-farm storage of canola (oilseed rape) straw bales and pellets[J]. Biomass Bioenerg，2011，35(7)：2 939 ~2 949.
9 Igathinathane C，Womac A R，Sokhansanj S，et al. Sorption equilibrium moisture characteristics of selected corn stover components[J]. Transactions of the ASAE，2005，48(4)：1 449 ~1 460.
10 Arabhosseini A，Huisman W，Muller J. Modeling of the equilibrium moisture content (EMC) of Miscanthus (Miscanthus xgiganteus)[J]. Biomass Bioenerg，2010，34(4)：411 ~416. |
