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田宜水，張中波，趙立欣，姚宗路，孟海波
(農業部規劃設計研究院農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125)
摘要：中國不同地區氣候不同，溫濕度差異較大，生物質顆粒燃料在儲藏過程中，會引起顆粒燃料的特性發生變化，從而對燃料的應用產生影響。針對玉米秸稈顆粒和木質顆粒兩種燃料，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。結果表明，生物質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長毛、發霉現象；木質顆粒燃料在高溫、高濕條件時，會出現裂縫及發霉現象。
0引言
近年來，隨著農村社會經濟全面發展和農民生活水平的提高，中國農村居民生活用能的消費總量不斷增加，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，又產生大量的溫室氣體。生物質顆粒燃料是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，具有可再生和CO2零排放等優勢，可作為農村居民炊事采暖等燃料，具有廣闊的發展前景[3~6]。
在生物質顆粒燃料儲藏過程中，溫度、濕度以及儲藏方式的不同，可能引起生物質顆粒燃料水分、發熱量及機械耐久性等特性的變化，從而對顆粒燃料的運輸和應用產生不利影響。
目前，國內外對于溫、濕度影響生物質顆粒燃料儲藏特性的研究還很少[7~10]。對于生物質顆粒燃料的短期儲藏溫、濕度條件相關研究則未見報道。
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顆粒2種燃料，開展短期儲藏試驗，測試全水分、發熱量和機械耐久性，分析儲藏過程中溫、濕度對生物質特性的影響，以期為各地生物顆粒燃料儲藏設計提供參考。
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的玉米秸稈和木質燃料(紅松)，由HM485型生物質固體燃料成型機壓制而成。顆粒燃料依據NY/T1880—2010《生物質固體成型燃料樣品制備方法》制備，顆粒燃料的規格為：直徑8mm，長度20~30mm。
1.2試驗設備
主要包括：GDS225A型高低溫濕熱試驗箱(北京切克試驗設備有限公司)、GJ2封裝式化驗制樣粉碎機(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型電熱鼓風干燥箱(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司)、ZDHW5型微機全自動量熱儀(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司)和KER2400型轉鼓試驗機。
1.3試驗方法
1.3.1試驗時間
高低溫濕熱試驗箱工作環境溫度要求為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生影響。北京地區夏季溫度、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月期間進行。
1.3.2試驗設計
中國顆粒燃料生產廠家遍布南北，不同地區氣候不同，溫、濕度差異較大。試驗擬采用單因素試驗方法，并進行補充試驗。
單因素試驗。相對濕度設定為40%，在不同溫度下(低溫5℃、中溫20℃、高溫43℃)進行溫度影響試驗，以模擬中國不同地區氣溫。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。溫度設定為25℃，在不同的相對濕度下(低濕15%、中濕45%、高濕70%)進行濕度影響試驗。
補充試驗。根據單因素試驗，玉米秸稈顆粒燃料在相對濕度70%時，出現輕微發霉現象，木質顆粒燃料表面無變化。為準確確定儲藏條件，設計了2組補充試驗：試驗1(25℃、相對濕度60%)和試驗2(43℃、相對濕度90%)。
1.3.3試驗測定參數選擇及測試方法
生物質顆粒燃料應用前，一般以袋裝或料倉等形式進行儲藏，短期一般5~7d，長期一般在一個月以上。在儲藏期內，儲藏環境溫度、濕度的不同，可能對顆粒燃料的理化特性產生影響，影響其運輸和燃燒特性。其中，全水分變化會影響堆積密度和發熱量，機械耐久性表征在貯藏、運輸過程中的抗破碎能力，發熱量反映顆粒燃料可供熱能力。因此，試驗選取全水分、機械耐久性和發熱量作為試驗測定指標，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進行，試驗環境為普通廠房室內環境。
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，其他部分進行機械耐久性及發熱量的測試。
全水分測定按NY/T1881.2—2010《生物質成型燃料試驗方法第2部分：全水分》進行，是在空氣中，將生物質固體成型燃料樣品置于105℃的溫度下干燥至質量恒定，然后根據樣品質量損失并修正浮力作用進行計算。
發熱量采用彈筒發熱量測定方法，在氧彈中有過剩氧的情況下，在規定條件下燃燒單位質量試樣所產生的熱量為彈筒發熱量。
機械耐久性按NY/T1881.8—2010《生物質成型燃料試驗方法第8部分：機械耐久性》規定，采用KER2400型轉鼓試驗機，在可控的振動下，使試驗樣品之間、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。
2試驗結果與分析
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、長毛現象。說明在此溫、濕度條件下，生物質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律如表1所示。可以看出，相對濕度為40%時，玉米秸稈和木質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。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散，并被氣流攜帶走。如果儲藏時間足夠長，燃料最終將達到平衡濕含量狀態。
在露天狀態下，玉米秸稈和木質顆粒的全水分在43℃時最高，均為10.2%。考慮到本試驗溫度設定為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，生物質顆粒經成型后，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，未達到平衡濕含量狀態。
當環境溫度過低(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，秸稈和木質顆粒燃料全水分數值最低，分別為3.6%和4.6%，基本可以認為是達到了平衡濕含量狀態。
密封狀態下，玉米秸稈和木質顆粒的全水分變化與露天狀態下基本一致，但各溫度變化范圍較小，說明密封的儲藏方式對水分蒸發有一定的抑制作用。
值得注意的是，在5℃和43℃時，密封狀態下的燃料的全水分均小于露天狀態。考慮到密封袋相當于一個封閉空間，其空氣中水蒸氣含量應低于高低溫濕熱試驗箱，燃料與空氣中的水蒸氣為達到動態平衡，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，全水分低于初始值。
溫度過高或過低時，干燥速率均較低，沒有達到平衡濕含量。當溫度20℃時，干燥速率較高，基本可以認為是達到了平衡濕含量狀態。
(3)機械耐久性
在不同溫度下，玉米秸稈和木質顆粒的機械耐久性無顯著變化，均大于95%，符合要求(表2)。
可認為溫度、濕度對玉米秸稈和木質顆粒燃料的機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，玉米秸稈顆粒的機械耐久性有所下降，而木質顆粒燃料的機械耐久性則略有上升。這說明全水分對機械耐久性的影響與材料性質有關。
(4)發熱量
表3為不同溫度情況下，秸稈顆粒和木質燃料的發熱量。可以看出，3種溫度下發熱量均有所增加，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、長毛現象。
當儲藏相對濕度達到70%時，露天貯藏條件下，玉米秸稈顆粒燃料表面出現絲狀的綠毛，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了輕微的霉變現象，經過簡單處理可進行試驗(除去發霉部分)。其他幾種情況則未發生任何變化。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，應避免在此環境下儲藏。
(2)全水分
不同濕度儲藏條件下，玉米秸稈和木質顆粒燃料的全水分變化規律如圖2所示。
露天情況下，隨著環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。
在相對濕度為15%時，玉米秸稈和木質顆粒全水分分別為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，則達到最大值，分別為14.1%和15.1%。其中，木質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境濕度、溫度和儲藏方式等有關。
(3)機械耐久性
在不同濕度下玉米秸稈和木質顆粒燃料的機械耐久性皆大于95%，如表4所示。全水分對機械耐久性的影響不顯著。
(4)發熱量
表5為不同濕度下，玉米秸稈顆粒和木質燃料的發熱量。可以看出，3種濕度下，發熱量均有所變化，這是因為通過增濕或解濕過程，其全水分發生變化，從而造成發熱量的變化。
由上可知，玉米秸稈顆粒燃料雖然出現了輕微發霉的現象，但是其全水分等數值與其他濕度情況下的數值差距較小，說明顆粒燃料經簡單處理可以保持其燃燒特性。但可以預見，如果儲藏時間大于7d，顆粒燃料發霉現象會更加嚴重，應考慮增加通風除濕設施。
2.2補充試驗
2.2.1試驗1
在單因素試驗中，當相對濕度70%時，玉米秸稈顆粒燃料出現了發霉的現象，本試驗選擇相對濕度為60%，儲藏顆粒燃料7d，表觀觀察是否發霉，并進行特性試驗。本試驗的溫度為25℃。
試驗結果表明：2種不同儲藏方式下，顆粒燃料均未出現發霉、長毛現象，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%，木質顆粒燃料為9.8%，高于密封儲藏條件。顆粒燃料的機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，發熱量為14.8MJ/kg，木質顆粒燃料為18.0MJ/kg。
露天條件下，玉米秸稈顆粒燃料發熱量為14.5MJ/kg，木質顆粒燃料為17.9MJ/kg，不同儲藏形式在此溫、濕度下，數值差距很小，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，會產生發霉現象，而本組試驗表明，溫度25℃，相對濕度60%時，未出現變質現象，玉米秸稈顆粒燃料儲藏濕度應低于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，顆粒燃料是否會發霉、變質。試驗結果表明：露天儲藏條件下，當儲藏濕度達
到90%時，玉米秸稈顆粒燃料表面完全被霉菌覆蓋而且出現了白斑，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，其表面顏色未發生變化，仍然呈現黃褐色，未出現發霉、長毛的現象。當儲藏濕度達到90%時，木質顆粒燃料產生了嚴重的破裂，并且表面出現了長毛、發霉的現象，如圖4所示。說明在此濕度下，木質顆粒燃料也霉菌侵蝕，顆粒燃料已不能使用。密封儲藏的木質顆粒燃料，隔絕空氣，在安全水分下，表面顏色未發生變化，仍然呈現紅紫色，燃料未出現發霉、長毛的現象。
3結論
(1)影響顆粒燃料全水分和發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有一定的抑制作用。
(2)當溫度為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長毛、發霉的現象，相對濕度為60%時未出現變質現象，玉米秸稈顆粒儲藏相對濕度一般應低于60%。在高濕地區，儲藏玉米秸稈顆粒燃料時，應考慮增加通風除濕設施。
(3)木質顆粒燃料高溫(43℃)、高濕相對濕度(90%)條件下，顆粒燃料表面會出現裂縫、發霉現象，在此條件下不宜長期儲藏。
參 考 文 獻
1 田宜水，趙立欣，孫麗英，等. 中國農村居民生活用能及CO2排放情景分析[J].農業工程學報，2011，27(10)：206 ~211.
2 吳創之，周肇秋，陰秀麗，等. 我國生物質能源發展現狀與思考[J]. 農業機械學報，2009，40(1)：91 ~99
3 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.
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. 生物質顆粒燃料特性及其對燃燒的影響分析[J]. 農業機械學報，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. |
