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張中波1,2,3，田宜水1,3，侯書林2，趙立欣1,3，孟海波1,3
（1.農業部規劃設計研究院，北京100125；2.中國農業大學工學院，北京100083；3.農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125）
摘要：為分析生物質顆粒燃料在北方氣候下是否可以長期儲藏，以及不同儲藏方式對顆粒燃料理化特性的影響規律，2011年3月至8月期間，針對北京地區氣候，對玉米秸稈和木質2種顆粒燃料，以袋裝、半封閉、露天3種儲藏方式開展儲藏試驗。試驗結果表明，2種顆粒在3種儲存方式下機械耐久性都保持在94.46%以上，生物質顆粒燃料未出現發霉現象，全水分和堆積密度變化規律受氣候變化規律相吻合。其中玉米顆粒和木質顆粒的露天狀態儲存時全水分極差（2.42%和2.55%）和顆粒密度極差最大（0.12t/m3和1.297t/m3）。灰分和揮發份保持則穩定狀態初始狀態。這為生物質顆粒燃料的安全儲存提供理論依據。
0引言
隨著社會的進步、經濟的發展，人類對能源的需求日益增加[1]，但是煤炭、石油、天然氣等化石能源不斷減少[2-3]。生物質能具有原料來源廣泛，可再生等特點，越來越被人們關注[3-5]。其中，生物質顆粒燃料由粉碎的固體生物質原料通過成型機壓縮成圓柱形的生物質固體成型燃料，直徑一般不大于25mm，長度不大于其直徑的4倍，壓縮后密度為原來的5～10倍[6]，具有儲存空間小，運輸方便，使用時清潔環保，熱效率高，可持續利用等特點，具有廣闊的發展前景。
生物質顆粒燃料在生產后，一般不會立即得以利用，需要在工廠內進行至少6個月的儲藏，在這段較長的時間內，采用何種儲藏形式，儲藏過程中對于溫濕度有何要求，才能保障顆粒燃料不出現發霉、變質是一個重要的環節。
目前，國內外對于生物質顆粒燃料儲藏機理的研究很少[7]。黃文等研究了木薯干顆粒在廣西地區儲藏的溫濕度的要求[8]，結果表明為達到儲藏期長、儲藏效果好的目的，需要降低倉房內空氣濕度、木薯含水率、以及倉房和木薯堆內的溫度，減少木薯與空氣的接觸面積。謝祖琪等研究了小麥秸稈的儲藏機理[9]，結果表明：無論是正常年份，還是相對濕度較大的特殊年份，麥秸捆儲存期前后絕干熱值沒有明顯影響，麥秸捆均可安全儲存并作能源利用。樊峰鳴以華北產量較大的玉米秸稈、大豆秸稈為原料制成的大粒徑成型燃料經抗水性試驗發現其耐水浸蝕性能好，最長達300h[10]。AthanasiosA.Rentizelas等研究了生物質燃料供應過程中，儲藏條件對燃料的影響[11]，結果表明顆粒燃料在較低全水分下（15%～20%）儲藏，對環境要求較低。但對于生物質顆粒燃料受當地氣候、儲藏方式、儲藏時間等因素影響試驗研究則未見報道。
本文擬通過采取3種不同的儲藏方式（袋裝、半封閉、露天），針對玉米秸稈顆粒和木質顆粒2種燃料，開展長期儲藏試驗，按月測量其全水分、灰分、熱值、機械耐久性等理化特性，分析生物質顆粒燃料在北方氣候下是否可以長期儲藏及不同儲藏方式（袋裝、半封閉、露天）對顆粒燃料性能的影響，以期為生物質顆粒燃料的安全儲存提供理論依據，為中國北方地區生物質成型燃料規模化利用奠定基礎。
1材料及方法
1.1試驗材料
中國北方地區普遍種植的農作物為玉米，試驗選取了2009年秋季北京南郊地區所產玉米秸稈。試驗材料由HM485型生物質固體燃料成型機壓制而成。
另外選取木質顆粒燃料。顆粒燃料的規格為：直徑為8mm，長度20～30mm，主要理化特性見表1。
1.2試驗設備
本試驗儀器主要包括：YBJL-8901型溫濕度記錄儀（北京威銘首旺電子機械設備有限公司）、GJ-2袋裝式化驗制樣粉碎機（河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）、XL-1箱型高溫爐（河南省天弘儀器有限公司）、SA223S-CW型分析天平（賽多利斯科學儀器（北京）有限公司）、101-1A型電熱鼓風干燥箱（河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）、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）、KER-2400型轉鼓試驗機、堆積密度測量裝置（容積為5L）。
1.3試驗方法
1.3.1試驗時間
中國北方地區，3月份氣溫逐漸回暖，至8月份溫度一直處于上升期，在此期間溫度變化由低至高，6月份進入雨季，空氣濕度變大，天氣狀況對于顆粒燃料的儲藏機理影響較大。所以，選擇2011年3月至8月期間作為試驗時間。
為準確記錄試驗期間空氣溫濕度變化量，采用YBJL-8901型溫濕度記錄儀每8h記錄1次空氣溫濕度，每月記錄90組數據，分別計算月記錄數據平均值作為每月平均溫度和濕度，見圖1。
1.3.2儲藏方式的選擇
目前，生物質顆粒燃料儲藏方式多數為采用袋裝的形式堆積在倉庫中[12]，儲藏過程中通風條件較差。另外，也有采用料堆和料倉[13]等形式。為了對比生物質顆粒燃料在不同儲藏條件下，長期儲藏時其理化特性的變化規律，采用了編織袋袋裝、自制半封閉儲藏裝置、露天平鋪等3種方式，每種方式開展1組試驗。
計算試驗中堆積密度、全水分等測量所需顆粒燃料質量，預計6個月份試驗共需顆粒燃料24kg，考慮試驗過程中的損耗等，每組試驗顆粒燃料準備50kg。
試驗在北京南郊工廠內進行，儲藏環境為普通廠房室內環境。
袋裝儲藏：每種顆粒燃料分別稱量50kg，采用聚丙烯塑料編織袋裝，扎緊袋口，橫向放置于地面。按照《NY/T1881.2-2010生物質固體成型燃料采樣方法》使用取樣鏟分4層采樣，每層取1kg樣品。每次采樣完成后，重新扎緊袋口袋裝。
半封閉儲藏：每種顆粒燃料分別稱量50kg，采用邊長為4mm的方形孔篩網，自制的半封閉儲藏裝置儲藏，保證裝置邊緣儲藏的顆粒燃料與空氣部分接觸。采樣時，放倒容器使燃料流出，使用取樣鏟分4層采樣，每層取1kg，每次采樣完成后，將燃料放回半封閉容器并直立放置。
露天儲藏：每種顆粒燃料分別稱量50kg，堆積成山狀，平鋪放置于地面帶孔鐵板上，使顆粒燃料與空氣充分接觸。采樣時，依據標準，對顆粒燃料堆劃分8個區，每個區取0.5kg樣品。每次采樣完成后，顆粒燃料重新堆積放置。考慮料堆高度可能僅影響顆粒燃料機械性能，對其他特性影響不大，本文未考慮該因素。圖2為顆粒燃料3種儲藏方式實物圖。
1.3.3試驗測定參數選擇及測試方法
生物質顆粒燃料在儲藏一段時間后，運輸到工廠、家庭，應用于供暖、供熱。在儲藏期內，隨著儲藏時間的增加，顆粒燃料的理化特性均會發生變化，隨之影響其運輸特性及燃燒產生的熱值。其中，全水分變化會影響堆積密度和熱值，堆積密度決定儲藏機構的結構設計及容量計算，機械耐久性表征在儲藏、運輸過程中抗破碎能力，工業分析可判定顆粒燃料儲藏過程中灰分、揮發分、水分的變化，熱值反映顆粒燃料可供熱能力。因此，本試驗選取了全水分、密度、堆積密度、機械耐久性、熱值等參數作為試驗指標，并對顆粒燃料進行工業分析，得出儲藏時間對各種參數的影響。
取樣時間為每月15～20日期間，按前述方法采樣后，分別進行編號，使用密封袋完全密封保存。每項試驗取子樣完成后及時排出空氣。測試方法依據《NY/T1881.2-2010生物質固體成型燃料樣品的制備方法》、《NY/T1881.2-2010生物質成型燃料試驗方法》等進行。機械耐久性試驗采用KER-2400型轉鼓試驗機，在可控的振動下，通過在試驗樣品之間、樣品與測試器內壁之間發生碰撞，然后將已磨損和細小的顆粒分離出來，根據剩余的樣品質量計算機械耐久性。每個參數測量2次，取其平均值作為測試結果。堆積密度及密度、灰分等統一按標準轉換為干燥基作為基準進行分析。
為了比較不同儲藏形式的各項理化特性數據變化情況，采用極差（range）、標準偏差（standarddeviation）、方差（variance）3種數學統計方法來分析試驗數據。
2試驗結果與分析
2.1顆粒燃料物理特性分析
2.1.1表觀觀察
2種顆粒燃料長期儲藏試驗過程中，其表面顏色均未發生變化，玉米秸稈顆粒呈現黃褐色，木質顆粒為紅紫色，燃料未出現發霉、長毛的現象。
2.1.2全水分
整體上，2種生物質顆粒燃料、3種儲藏方式的全水分變化規律基本上是一致的，4－5月份期間略有下降，6－8月份則略有上升，如表2。這與北京的天氣狀況是相吻合的，6月進入雨季，雨量增多，空氣的濕度增加，顆粒燃料處于吸濕狀態，外在水分增加。而進入8月份，天氣濕度略有下降，顆粒燃料處于解濕狀態，外在水分略有減少。這說明生物質顆粒燃料的全水分受濕度影響較大。
此外，經過長期儲藏后，木質顆粒3種儲藏方式的全水分趨于相同，均約為10%，基本達到平衡濕含量狀態。而玉米秸稈顆粒的差異性較大，從9.01%到9.89%。這說明不同儲藏方式對不同燃料影響是不同的，需要針對不同燃料，合理選擇儲藏方式。
由表3數據知，玉米顆粒燃料露天儲藏條件下，極差值最大為2.42%，標準偏差及方差為0.88和0.77。其他2種儲藏方式變化則相對不明顯，半封閉形式儲藏上述數據分別為0.48和0.23，袋裝儲藏分別為0.62和0.38。表明在露天儲藏條件下，全水分數值變化較為明顯，說明與空氣接觸面積的大小是影響全水分變化的主要因素。木質顆粒在儲藏期間，不同儲藏方式之間的結論與玉米秸稈顆粒相似。相對于玉米秸稈顆粒，木質顆粒數值變化較大，如露天儲藏條件下，極差值達到2.55%，標準偏差及方差為0.91和0.84。說明空氣溫濕度變化對木質顆粒特性影響較大，其對于儲藏環境的要求較高。
2.1.3顆粒密度
顆粒密度是以干燥基為基準。隨著儲藏時間的增加，整體上2種生物質顆粒燃料的顆粒密度呈逐漸上升趨勢，如表4。
經計算可知，露天儲藏條件下，顆粒密度上下波動較為明顯，極差為0.120t/m3，標準偏差和方差為0.0434和0.00157，其他2種儲藏方式變化則不明顯，半封閉形式儲藏上述數據分別為0.0867、0.0344和0.000988t/m3，袋裝儲藏分別為0.0860、0.0355和0.00105t/m3，由2.1.2分析，說明空氣濕度的變化會引起顆粒密度改變。
玉米秸稈顆粒燃料密度數值在1.289～1.409t/m3，而木質顆粒為1.199～1.332t/m3。木質顆粒儲藏6個月期間，相對于玉米秸稈顆粒，其數值變化明顯，4月份數值降至最低為1.201t/m3，而5、6月份一直上升，7月份再次降低。溫濕度變化等環境因素改變對木質顆粒儲藏影響較大。
2.1.4堆積密度
堆積密度是以干燥基為基準。隨著儲藏時間的增加，堆積密度在4－5月份時略有上升，而5－8月份逐漸下降。堆積密度的數值受空氣濕度影響明顯，濕度變化直接影響其數值。
3種儲藏方式6個月期間變化如表5所示。玉米秸稈顆粒保持在643.28～686.37kg/m3，而木質顆粒保持在553.96～628.17kg/m3。
2.1.5機械耐久性
2種顆粒燃料，在3種不同的儲藏方式下，儲藏6個月時間，機械耐久性總體上隨著時間的變長而降低，極差依次是1.03%、1.99%、0.61%、2.4%，1.22%、4.1%但都保持在94.46%以上，與全水分的變化規律基本一致，如表6。說明長期儲藏，顆粒燃料能夠良好地保持機械耐久性。
2.2顆粒燃料工業分析
2.2.1一般樣本水分
一般樣本水分為顆粒燃料水分與空氣濕度大致平衡所含水率。由表7知其變化規律與全水分相似。這表明，長期儲藏下，無論何種儲藏方式，由于外在水分逐步消失，其全水分會逐漸與一般樣本水分趨同。
2.2.2灰分
表8數據為試驗測量數據經公式換算以干燥基為基準所得數據。
試驗結果表明，3種不同儲藏方式（袋裝、半封閉、露天），灰分的數值變化極小，其極差為2%。
玉米秸稈顆粒燃料灰分數值在19.10%～21.41%，而木質顆粒在2.64%～4.08%。6個月儲藏時間內，其數值無明顯變化。說明現有儲藏形式，難以混入雜質，灰分基本無變化。
2.2.3揮發分
表9數據為轉換為干燥基為基準所得揮發分數據。
不同儲藏方式（露天、半封閉、袋裝），揮發分的數值變化極小，經過計算可得，其極差為4%，標準偏差為1%。
玉米秸稈顆粒燃料揮發分數值在62.92%～66.96%，而木質顆粒在78.91%～81.96%。6個月儲藏時間內，其數值無明顯變化。
2.3發熱量
整體上，顆粒燃料熱值為上升趨勢，如表10，4－5月份水分降低，其燃燒熱值增加，5、6月份進入雨季，空氣濕度增加，數值略有下降，8月份轉秋，濕度降低，顆粒燃料水分減少，熱值則再次升高。
3種儲藏方式變化相同，數值也相差較小，玉米顆粒的熱值在14.764～16.155MJ/kg，木質顆粒熱值在18.266～19.951MJ/kg，3種儲藏方式燃燒性能未有明顯下降。
3結論
1）2種顆粒燃料長期儲藏試驗過程中，機械耐久性總體上隨著時間的變長而降低，極差依次是1.03%、1.99%、0.61%、2.4%、1.22%、4.1%但都保持在94.46%以上。初始狀態在安全水分以及一定的密度時，無論何種儲藏方式，生物質顆粒燃料均可長期安全儲藏。從耐久性上來說，抗破碎最好的是玉米顆粒露天存放，最差的是木質顆粒露天存放。
2）生物質顆粒燃料的全水分受濕度影響較大，其變化規律與濕度變化規律基本上是一致的，但未出現發霉、長毛的現象。全水分極差分別為1.94%，1.29%、2.42%、1.98%、2.5%、2.55%，與半封閉及袋裝儲藏方式相比，露天儲藏環境下，由于顆粒燃料與空氣的接觸面積大，所以其水分、熱值等數據的變化較明顯。
3）試驗中玉米顆粒燃料和秸稈顆粒燃料各自儲藏形式的對應的顆粒密度極差分別為0.087、0.086、0.12、0.096、0.099、1.297t/m3。同全水分變化一樣，2種顆粒露天存放比其他兩種存放最易受影響。相對于玉米秸稈顆粒燃料，木質顆粒長期儲藏過程中，其全水分變化范圍、顆粒密度變化范圍較大，儲藏木質顆粒時對于其儲藏環境應保證足夠的空間及通風設施。而堆積密度則受空氣濕度影響明顯，與天氣變化規律相一致。
4）一般樣本水分分析表明，不論何種儲存方式，其全水分灰逐漸與樣本水分趨同。灰分、揮發份則隨時間變化不大，保持穩定狀態。
5）在6個月的試驗中，玉米顆粒的熱值變化范圍為14.764～16.155MJ/kg，木質顆粒熱值在18.266～19.951MJ/kg。玉米顆粒不考慮5月份袋裝和露天儲藏形式的熱值，所有的熱值都是上升趨勢的。木質顆粒不考慮5月份的半封閉和露天形式的熱值，熱值也是一直增加的。6至8月份的水分基本上都是逐漸增加的，而試驗中的熱值是不斷增加的，出現這一現象的原因有待進一步的研究。
5）從上述結論中可以看出，玉米顆粒露天存放存在著全水分變化極差大（2.42%），顆粒密度變化影響最小但持久性最好，這一現象同樣有待進一步研究。
本試驗未考慮不同成型條件影響。因此，下一步擬對用不同成型條件，生產不同初始狀態的顆粒燃料，進行儲藏機理研究，以分析其影響規律。
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