劉曉，楊曉輝，李現奇，趙斌

(華北理工大學，河北唐山063200)

　　摘要：生物質對提高能源利用率和緩解環境污染具有非常重要的作用。以松木、棉柴、花生殼和玉米秸稈這4種典型生物質成型燃料為實驗材料，分析其化學特性。結果表明：當原料配比為80％松木+20％花生殼或玉米秸稈時，生物質成型燃料燃燒效率最高，其研究結果可為生物質燃料的高效清潔燃燒提供理論依據。

　　引言

　　經濟社會的發展以能源為動力基礎，經濟發展越快，能源消耗速度越快，其中化石燃料消耗最多。由此帶來的后果是大量多余能量以及二氧化碳被排放到周圍環境中，破壞了自然界的能量平衡與碳平衡。生物質在能源利用過程中實現CO₂的零排放的同時，不僅可以提高工業鍋爐的燃燒效率，而且使可燃廢物變廢為寶，這無疑為緩解環境惡化和能源緊缺現象提供了新的解決思路。因此，提高生物質成型燃料的燃燒效率具有不可忽視的重要性。

　　1實驗研究

　　1.1實驗原料

　　生物質成型燃料可以劃分為木質燃料和草本燃料，木質燃料主要有松木、棉柴、木屑等；草本燃料主要有稻草、花生殼、玉米秸稈等。

　　文中以唐山市具有代表性的4種典型生物質成型燃料(松木、棉柴、花生殼和玉米秸稈)為實驗原料。生物質含有多種成分，其中，構成生物質的3種主要成分含量如表1所示。

　　在構成生物質成型燃料的化學成分中，纖維素是一種由葡萄糖組成的高分子聚合物，是生物質中的骨架結構，半纖維素也是多種糖的聚合物，木質素則起粘合劑的作用。

　　1.2實驗

　　1.2.1實驗制樣

　　首先將適量的松木、棉柴、花生殼和玉米秸稈這4種典型生物質成型燃料分別倒人錘式破碎縮分機中進行初步破碎，物料粒度越小越容易反應，反之，粒度越大物料局部反應不完全，容易造成結渣。因此，初步破碎后，仍需分2組在制樣粉碎機中研磨120s。最后，分別在標準篩振篩機中振蕩篩分180s。其次將研磨篩分后的試樣裝進貼有標簽的試樣瓶，制成試樣。

　　1.2.2實驗過程

　　由于目前生物質成型燃料的工業分析還沒有具體實驗標準，因此參照煤的工業分析法對生物質成型燃料進行實驗。生物質成型燃料加熱至230℃時，首先失去的是其內在所含的水分。在氮氣保護的條件下，加熱至280℃，此時以氣態形式析出的可揮發物稱為揮發分，殘留的固體物質則稱為固定碳。當溫度加熱至430℃時，通人氧氣，固定碳將燃燒生成CO₂排放掉，余下的固體則是灰分。

　　元素分析中碳、氫、氮元素的含量通過碳氫氮元素測定儀確定，同樣參照煤的元素分析方法進行實驗。取一定的試樣在氧氣中燃燒，燃燒所得氣體中的H₂O和CO₂分別用吸水劑和主要成分為氫氧化鈉的二氧化碳吸附劑吸收，通過吸水劑和吸附劑的質量變化來計算碳、氫元素的含量。氮元素的含量則是通過氮催化劑使燃燒氣體中的氮氧化物完全轉換為N₂，最后由載氣帶入熱導池進行檢測。

　　生物質成型燃料發熱量的測定方法是在量熱儀不銹鋼坩堝中放入試樣，將盛有試樣的坩堝放入充滿過量氧氣的彈筒內。再將其放進盛有水的橢圓形筒內，最后一同放入雙層水套筒中。通過計算水溫的變化值及熱容量，計算生物質成型燃料的發熱量。由于實驗所得的原始數據為彈筒發熱量，減去硫酸類和硝酸類的形成熱后，得到燃料的高位發熱量，再減去汽化潛熱吸收的熱量，最終得到低位發熱量。

　　混合后的生物質成型燃料采用冷壓成型工藝，主要設備為冷壓成型機，傳動設備以及除塵設備，其成型工藝流程如圖1所示。

　　1.3實驗設備

　　主要實驗設備如表3所示。

　　SDLA618工業分析儀由計算機設備、充氣設備等組成，可準確測定生物質成型燃料的水分、灰分、揮發份以及固定碳。

　　5E—CHN2000碳氫氮測定儀由計算機設備、充氣設備、電子天平等組成，可準確測定生物質成型燃料中碳、氫、氮元素的含量。測定范圍為：碳(1～100)％；氫(0—20)％；氮(0—20)％。

　　SDC5015量熱儀由計算機設備、充氣設備、電子天平等組成，可準確測定生物質成型燃料的低位發熱量。測溫范圍為0～50℃；分辨率為0.0001K。

　　5E—MF6000智能馬弗爐。溫度控制為室溫～1300℃；燃燒室尺寸為300mm×200mm×120mm。

　　2結果及分析

　　2.1實驗結果

　　按照實驗標準要求每種樣品的每項指標測量4次，當4次之間的誤差不超過2％時，視為數據符合實驗要求。對所得數據進行4次平均值處理，最終實驗數據如表4、表5所示。

　　2.2結果分析

　　從含水量方面分析，松木的含水量略高于花生殼和玉米秸稈，即隨著原料中松木含量的減少，含水量會隨之降低。因此，編號4—6的含水量低于編號1～3。從灰分和固定碳含量方面分析，松木的灰分和固定碳含量較花生殼和玉米秸稈低。因此，編號1—6灰分和固定碳含量低于編號7—9。

　　從揮發分含量方面分析，松木的纖維素和半纖維素含量較高，而由于纖維素和半纖維素是容易熱解的多糖類物質，因此松木的揮發分更容易析出，所以松木的揮發分高于其他3種生物質成型燃料，燃燒更完全。從低位發熱量方面分析，低的O／C值意味著高的熱值。松木的O／C值較花生殼和玉米秸稈低，低位發熱量便高于花生殼和玉米秸稈的低位發熱量。即：隨著原料中松木含量的減少，低位發熱量理論上也會隨之降低。從含硫量方面分析，隨著原料中花生殼和玉米秸稈含量的增加，樣品中的硫含量將呈微弱上升趨勢。但硫含量理論上會在0.2％左右，對環境影響較小。而棉柴含硫量較高，因此，編號5和編號6比編號4含硫量低，對環境影響更小。

　　綜上所述，從燃料品質要求出發，理論上分析得到當松木：(花生殼／玉米秸稈)=8：2的情況下，其燃燒效率最高。

　　3結語

　　文中以唐山市4種典型生物質成型燃料為實驗原料，由所得的實驗結果發現生物質成型燃料揮發分含量較高，灰分含量和含硫量較低。且熱值介于13.72～15.08MJ／kg，屬于中低熱值燃料。并且討論了當松木與花生殼(或玉米秸稈)配比為8：2的時候，其混合后的生物質成型燃料燃燒效率較理想。研究結果可為唐山地區生物質成型燃料的的高效燃燒以及相關鍋爐設備的設計提供數據支撐。