|
焦其帥1，黃永茂1，張志華1，郝宏強1，林忠2
（1.河北化工醫藥職業技術學院，河北石家莊050026；2.黃驊市三豐生物能源有限公司，河北黃驊061100）
摘要：以河北黃驊地區特有的多種生物質為原料，制成生物質顆粒，按照國標的要求，分析了不同生物質顆粒的密度、機械強度、含水量、燃燒熱值、揮發分含量、灰分含量、灰分成分等特性指標；測定結果表明：生物質顆粒的密度在1.1~1.3g/cm3之間，燃燒熱值在3500~5000cal/g之間，折合標準煤當量0.50~0.71，揮發分含量為41.5%~45.3%之間，灰分含量為0.8%~4.2%之間；其中，黃花松等松木的熱值高，灰分含量低，灰分中硅含量較高，灰較松散；棗核等農產品下腳料熱值、灰分含量居中，灰分中堿金屬含量高，存在部分結渣現象；蘆葦等野生植物熱值較低、灰分含量高，灰分中硅酸鹽、堿金屬鹽含量都高，灰渣呈琉璃狀。
0引言
生物質顆粒燃料由于具有原料廉價、來源廣泛、可再生等突出優點，受到廣大研究者的關注，并得到政府的大力支持。胡謝利等在文獻中報道了生物質燃料制備技術的研究進展，中國《可再生能源發展“十三五”規劃》中明確規定繼續支持生物質顆粒燃料的發展。
現有關于生物質顆粒燃料的文獻報道都是以地區性很強的部分生物質為研究方向，研究結果的應用范圍存在地區特性，如煙桿、甘蔗渣等，僅適用于南方產煙、產糖地區。雖然我國生物質資源很豐富，但種類繁多，性質各異，分布不均，研究成果很難在全國范圍內推廣，因此，關于生物質顆粒燃料的研究，只能以地區為特色，任重而道遠。
河北省滄州黃驊地區，地處沿海，生物質資源很豐富，但針對該地區特有生物質的研究還未見報道。在這樣的背景下，從事生物質顆粒燃料生產的黃驊市三豐生物能源有限公司提出與高校合作，開展針對性的研究。
通過采用河北滄州黃驊地區常見的木器加工下腳料（黃花松、樟子松等）、農產品加工下腳料（棗核、栗子殼等）、農作物秸稈（玉米秸稈、玉米芯等）、野生植物秸稈（紅荊條、蘆葦等）多種生物質為原料，制成生物質顆粒燃料，考察了其多種理化特性，為滄州地區生物質能源的合理利用提供了科學的依據。
1實驗部分
1.1實驗過程
1.1.1生物質顆粒的制備過程
主要制備設備及儀器：粉碎機，制粒機，均由黃驊市三豐生物能源有限公司提供。
主要制備過程：將多種生物質原料分別進行暴曬干燥，用粉碎機將原料粉碎至顆粒最大尺寸長度<1cm，將粉碎后的物料加入制粒機的料倉，制備圓柱形生物質顆粒。控制顆粒直徑為0.8cm，調整顆粒長度約為2cm。
1.1.2生物質顆粒燃料理化性質的測定
主要設備及儀器：MKM-2000B型密封焦炭轉股試驗機，鶴壁市力達儀器有限公司；LDRL-3000C型熱值儀，鶴壁市力達儀器有限公司。
（1）密度的測定。
先將生物質顆粒稱重，記錄重量m，然后將稱重后的顆粒放入裝有部分水的量筒中，待顆粒完全浸沒后，記錄水面上漲體積V。生物質顆粒的密度按式（1）計算：
（2）機械強度的測定。
用轉鼓試驗機，按國標GB/T2006-1994《冶金焦炭機械強度的測定方法》測定。計算破碎率，用來表示生物質顆粒的抗碎和耐磨強度。
（3）含水量的測定。
全水分析含水量及內水分析含水量均用熱值儀測定。
（4）燃燒熱值的測定。
采用熱值儀，按照國標GB 213-2008《煤的發熱量測定方法》測定。干基熱值用以下數據折算：
（5）揮發分含量的測定。
參照德國標準EN15148-2009、DINEN15148-2010《固體生物燃料·揮發分含量的測定》，將重量為m1的生物質顆粒放入坩堝中，加入少量水（以便在揮發階段驅逐空氣），蓋蓋密封，放入馬弗爐中，緩慢升溫至150℃，恒溫15min，至充分干燥，然后逐漸升溫至600℃，維持30min，充分析出揮發分，自然冷卻至室溫，稱量剩余固體的重量m2，揮發分含量h按下式計算：
（6）灰分含量的測定。
將重量為m1的生物質顆粒放入陶瓷表面皿中，然后放入馬弗爐，緩慢升溫至600℃，維持30min，充分燃燒，自然冷卻至室溫。稱量剩余固體的重量m2。灰分含量h2按下式計算：
（7）灰分成分的測定。
采用發光光譜法測定灰分中元素的含量，測定結果用豐度表示（原子個數的比例）。
1.2結果與討論
1.2.1各種生物質顆粒的物理性能
測定了8種生物質顆粒燃料的密度、機械強度、水分含量等物理性能見表1。
由表1可知，8種生物質顆粒的密度均在1.1~1.3g·cm-3，密度比水大，因此可以用盛水的量筒測定顆粒的體積，松木、棗核顆粒密度稍大，秸稈、野生植物顆粒密度較小；密度大的顆粒，有較小的破碎率，機械強度較高；全水分析含水量差別較大，這是受物料特性和干燥環境的影響，因此，在計算燃燒熱值時，扣除了含水量的影響，折合成干基熱值，更有可比性；內水分析含水量比較接近。
1.2.2各種生物質顆粒的燃燒性能
測定了8種生物質顆粒燃料的燃燒熱值、揮發分含量、灰分含量等燃燒性能，結果見表2。
由表2可知，8種生物質顆粒燃料，扣除外水分后的燃燒熱值為3500~5000cal/g，其中，松木的熱值最高，秸稈和野生植物次之，栗子殼的熱值最低；揮發分含量為41.5%~45.3%，松木最高，蘆葦和栗子殼最低；灰分含量為0.8%~4.2%，蘆葦和紅荊條最高，松木最低。
1.2.3典型生物質顆粒的灰分成分分析
由表1可知，黃花松、樟子松等含油量較高的木料，灰分含量低，玉米秸稈灰分含量次之，棗核、栗子殼等農作物加工下腳料的灰分含量較高，紅荊條、蘆葦的灰分含量很高。從灰分的外觀上看，松木料、秸稈的灰分松散，在流化爐中可被引風機輕松吸走；農產品下腳料的灰分較團聚，但容易打散，有輕微結渣現象；野生植物蘆葦的灰分團聚嚴重，并形成許多琉璃珠狀的灰渣。選定外觀截然不同的3種典型灰分（黃花松灰、棗核灰、蘆葦灰），用發光光譜法測定其中元素含量，結果見表3。
由表3可得，黃花松的灰分主要以氧化物的形式存在，并存在部分硫酸鹽和氯化物；Si含量較高，約占已檢出陽離子總數的29%；其他堿性陽離子分布較均勻，鋁鐵含量較低。
棗核的灰分主要以氧化物的形式存在，也存在部分硫酸鹽和氯化物，Si含量一般，堿金屬陽離子（Na、K）含量高，約占已檢出陽離子總數的60%以上。因堿金屬的熔點低，所以在燃燒時易熔融，有部分結渣現象。
蘆葦的灰分主要以氧化物、硅酸鹽的形式存在，也存在少量硫酸鹽和氯化物。Si含量超高，氧含量也很高，所以推測為硅酸鹽含量高，因為蘆葦的生長環境為鹽堿地，塵土多，相對于其他原料單位重量的蘆葦，與環境接觸的表面積大，吸附塵土的能力強，這些塵土在燃燒后都以硅酸鹽的形式留在灰渣中。
另外，除吸附灰塵的因素外，堿金屬（Na、K）含量也較高，因為蘆葦生長的鹽堿地中NaCl、KCl含量高，因此，蘆葦中必定堿金屬含量高，而堿金屬的熔點低，在燃燒時易熔融，2種因素結合在一起，蘆葦燃燒的結渣現象嚴重，形成大量琉璃珠狀灰渣，并粘結在一起，甚至堵塞流化爐的進風口，應通過改進爐具結構等方法解決。
2結語
選用8種代表性的原料制成生物質顆粒，經測定其理化性能及燃燒特性，得出如下結論：
（1）生物質顆粒的密度為1.1~1.3g·cm-3之間，黃花松、樟子松、棗核制成的生物質顆粒，密度較大，玉米芯、紅荊條、蘆葦制成的生物質顆粒密度較小；密度大的生物質顆粒，具有較低的破碎率，機械強度較高。
（2）干基生物質顆粒（扣除外水）的燃燒熱值為3500~5000cal/g，其中，松木的熱值最高，秸稈和野生植物次之，栗子殼的熱值最低；揮發分含量為41.5%~45.3%，松木最高，蘆葦和栗子殼最低；灰分含量為0.8%~4.2%，蘆葦和紅荊條最高，松木最低。
（3）通過測定灰分中元素的豐度，得知灰分主要由氧化物、氯化物、硫酸鹽、硅酸鹽等組成。以黃花松為代表的松木灰中，SiO2、硅酸鹽含量較高，松木灰較松散；以棗核為代表的農產品下腳料灰中，鉀、鈉等堿金屬含量高，因堿金屬鹽類的熔點低，所以灰分存在部分結渣現象；以蘆葦為代表的野生植物灰中，硅酸鹽含量高、堿金屬鹽含量也高，2種因素結合在一起，致使灰分中形成大量琉璃珠狀灰渣，并粘合在一起，形成大塊灰渣。
參考文獻：
[1]胡謝利，云斯寧，尚建麗.生物質燃料壓縮成型技術研究進展[J].化工新型材料，2016，44（9）：42-44.
[2]GB/T 2006-1994.冶金焦炭機械強度的測定方法[S].
[3]GB 213-2008.煤的發熱量測定方法[S].
[4]蔣正武.生物質燃料的燃燒過程及其焚燒灰特性研究[J].材料導報，2010，24（2）：66-68，81.
[5]張學敏，張永亮，姚宗路，等.不同進料方式燃燒器對生物質燃料顆粒物排放特性的影響[J].農業工程學報，2014，30（12）：200-207.
[6]茍文濤，王曉劍，鐘俊周，等.不同配方生物質燃料物理特性與燃燒特性研究[J].安徽農業科學，2018，46（24）：177-181.
[7]劉慧娟.從專利申請角度分析生物質固化成型工藝的技術發展[J].科技前沿，2015，43.
[8]劉超，高淑寧，鮑鶴鳴，等.低值膠結性物質制備秸稈顆粒燃料成型特性研究[J].能源工程，2018（5）：37-43.
[9]楊佳，江寧川，王振國，等.分析固體生物質燃料檢驗標準與其行業發展之間的關系[J].資源節約與環保，2015（6）：69.
[10]皮中原.固體生物質燃料檢驗方法標準概述[J].煤質技術，2011（2）：17-19.
[11]劉軍利，蔣劍春.論生物質能源標準體系（Ⅲ）—生物質固體燃料標準化研究進展[J].生物質化學工程，2006，40（6）：54-58.
[12]張燕，佟達.生物質固體燃料的成型及其影響因素分析[J].林業機械與木工設備，2012，40（4）：20-28.
[13]田宜水，趙立欣，孟海波，等.中國生物質固體成型燃料標準體系的研究[J].可再生能源，2010，28（1）：1-5.
[14]牛康任，張燕，宋魁彥.高效燃燒顆粒狀生物質固體燃料加工工藝及品質評價研究[J].林業機械與木工設備，2015，43（12）：36-39.
[15]張永亮，張學敏，趙立欣，等.固體生物質燃料燃燒顆粒物排放研究狀況[J].可再生能源，2013，31（9）：88-93.
[16]孫振鋒，邊志敏.河北省生物質固體成型燃料產業發展研究[J].可再生能源，2013，31（6）：126-128.
[17]矯振偉，趙武子，王瀚平，等.混合生物質顆粒燃料的燃燒特性[J].可再生能源，2012，30（6）：77-81.
[18]常子磐，李來武，嚴經天，等.菊芋、玉米和大豆秸稈顆粒狀燃料的燃燒性能比較[J].江蘇農業科學，2015，43（3）：308-310.
[19]李強，陳鐵軍，饒發明，等.鋸末制備生物質成型燃料的試驗研究[J].可再生能源，2012，30（9）：85-89.
[20]張秀秀，侯梅芳，宋麗莉，等.農林固體有機廢棄物壓縮成型研究進展[J].上海應用技術學院學報（自然科學版），2015，15（1）：67-85.
[21]伏喜斌.燃生物質成型燃料工業鍋爐能效指標確定[J].節能，2017（12）：19-22.
[22]陳鳳.生物燃料環模制粒機應用現狀與改進思路[J].機械工程師，2018（6）：60-65.
[23]陳曉紅，王智勇，毛天宇.生物質成型燃料產業現狀與發展前景[J].中國資源綜合利用，2018，36（6）：83-85.
[24]張霞，蔡宗壽，陳麗紅，等.生物質成型燃料致密成型機理及品質評價指標[J].可再生能源，2014，35（12）：1917-1921.
[25]關雎，聶淑瑜.生物質固體成型燃料熱值和碳元素預測模型的建立[J].化學分析計量，2017，26（3）：31-36.
[26]杜良巧，李運富，劉思源，等.生物質固體成型燃料物性及燃燒性能研究[J].廣東化工，2018，45（2）：35-41.
[27]李沖，蔣志堅，李俊，等.我國生物質成型燃料產業化現狀及發展瓶頸淺析[J].工業鍋爐，2017（6）：11-15.146 |
