李際平，陳喜龍，朱寧華，譚躍輝，嚴(yán)永林，高自成，張亞男

（中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，湖南長沙410004）

南方薪炭林樹種選擇及其木質(zhì)顆粒燃燒特性研究

李際平，陳喜龍，朱寧華，譚躍輝，嚴(yán)永林，高自成，張亞男

（中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院，湖南長沙410004）

根據(jù)南方主要薪炭樹種的生物量、熱值進(jìn)行聚類分析，并結(jié)合生物生態(tài)學(xué)特性及種植推廣情況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，然后篩選出楊樹、柳樹、馬尾松、杉木、濕地松等5種生長快、產(chǎn)量高、熱值高、種植廣泛、適合南方發(fā)展的優(yōu)良薪炭能源樹種。根據(jù)瑞典的生物質(zhì)顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)(SS187120)對(duì)5種薪炭林樹種制成的木質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行燃燒特性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的木質(zhì)顆粒在水分、熱值、凈密度等特性方面已達(dá)到國際水平，但是5種木質(zhì)顆粒燃料燃燒后，灰分值均高于SS187120的參考值，除杉木外其他顆粒均屬于可熔性灰，因此在燃燒過程中容易結(jié)渣。

中國南方薪炭林；樹種選擇；木質(zhì)顆粒；燃燒特性

工業(yè)化發(fā)展所帶來的不可再生性石化能源的枯竭問題已經(jīng)成了全世界共同面臨的難題。因此開發(fā)可再生的生物質(zhì)能源替代石化能源是解決能源危機(jī)的必然出路。薪炭林作為生物質(zhì)能源利用的一個(gè)主要途徑，已經(jīng)受到國內(nèi)外的高度重視[1]。

美國[2-3]、瑞典[4-6]、芬蘭[7]、丹麥[8]等西方國家較早開始了薪炭能源樹種的研究，已經(jīng)篩選出了柳樹、桉樹、刺槐、美國梧桐、火炬樹、冷杉、梓樹等大量薪炭能源樹種。韓國[9]早在20世紀(jì)60～70年代，就以油松、刺槐、赤楊作為主要薪炭林樹種。國內(nèi)有關(guān)薪炭能源樹種的開發(fā)利用研究起步較晚，目前對(duì)于薪炭林的研究主要涉及桉樹、柳樹、刺槐、楊樹、馬尾松等樹種[10-11]。長期以來國內(nèi)對(duì)薪炭林能源樹種缺乏足夠的了解，極大地限制生物能源資源的開發(fā)，因此，筆者通過對(duì)南方的植物資源進(jìn)行全面調(diào)查，針對(duì)南方主要薪炭樹種的生物量、熱值進(jìn)行聚類分析，結(jié)合生物生態(tài)學(xué)特性及種植推廣情況對(duì)南方主要薪炭林樹種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，然后篩選出適合南方發(fā)展的優(yōu)良薪炭能源樹種，為南方大面積發(fā)展薪炭林和開發(fā)生物質(zhì)能源提供科學(xué)依據(jù)。

近幾年來，在生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化利用方面，國外有些發(fā)達(dá)國家（如瑞典等）已經(jīng)相當(dāng)成熟，我國的研究還剛剛起步[12-13]。本研究根據(jù)瑞典的生物質(zhì)顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)(SS187120)[14]對(duì)所選薪炭林樹種制成的木質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行燃燒特性分析，為我國生物質(zhì)能源的開發(fā)利用提供理論參考。

1 研究方法

1.1 南方主要薪炭林樹種選擇

采用實(shí)地調(diào)查和資料收集相結(jié)合的研究方法，對(duì)南方主要薪炭樹種進(jìn)行調(diào)查研究，最終確定紫穗槐、胡枝子、柳樹、刺槐、白松、杉木、木麻黃、黑荊、楊樹、桉樹、石櫟、梨樹、黎蒴栲、馬尾松、濕地松、火炬松、樟子松、臭椿、榆樹、南酸棗、凹葉厚樸等21個(gè)參選樹種。

根據(jù)薪炭林的樹種要求特點(diǎn)，經(jīng)過分析研究，我們將樹種的年生物量、熱值等特性作為樹種選擇的主要特性，同時(shí)綜合考慮樹種生態(tài)學(xué)特性及種植推廣程度，以選取5種生長快、產(chǎn)量高、熱值高、種植廣泛的、最適合做木質(zhì)顆粒燃料的樹種。

(1)生物量調(diào)查

針對(duì)南方薪炭林樹種的分布利用情況，對(duì)初步選定的薪炭林樹種進(jìn)行野外樣地調(diào)查，用標(biāo)準(zhǔn)木法對(duì)所選研究對(duì)象的純林成熟林開展生物量調(diào)查，篩選出年生物量≥400 kg的樹種。

(2)熱值分析

對(duì)備選樹種通過標(biāo)準(zhǔn)木和標(biāo)準(zhǔn)枝條胡取樣，采用適當(dāng)干燥處理，利用ZDHW-5B型微機(jī)全自動(dòng)量熱儀測(cè)得含水量在25%時(shí)的熱值，選擇熱值≥ 12 MJ/kg的樹種。

(3)生態(tài)學(xué)特性及種植推廣程度分析

以薪炭林為目的來培養(yǎng)的樹種，必須具備生長快、萌發(fā)力強(qiáng)、適應(yīng)性廣、產(chǎn)柴量高、含水率低、火力旺、耐燒、無毒、煙少，又具有柴、材兼用的特點(diǎn)。因此，備選樹種的生物生態(tài)特性主要從土壤適應(yīng)性、生長速度、抗逆性這幾方面進(jìn)行分析。同時(shí)，結(jié)合種植推廣程度分析，選擇出具有優(yōu)良品質(zhì)的，且種植廣泛的樹種。

1.2 木質(zhì)顆粒燃燒特性分析

將薪炭林轉(zhuǎn)換為木質(zhì)顆粒燃料，不僅節(jié)約資源，還能保護(hù)環(huán)境，具有經(jīng)濟(jì)和社會(huì)雙重效益。其中，工業(yè)分析組分（水分和灰分)、熱值、灰熔融特性是衡量木質(zhì)顆粒燃料品質(zhì)的重要指標(biāo)。本研究在完成南方主要薪炭林樹種的選取以后，采用中南林業(yè)科技大學(xué)生物質(zhì)能源研究所的中試線，生產(chǎn)出5個(gè)樹種的顆粒，利用FA/JA型系列電子天平，SFY系列快速水分測(cè)定儀、ZDHW-5B型微機(jī)全自動(dòng)量熱儀，HTGF-3000型自動(dòng)工業(yè)分析儀、HR-4A微機(jī)灰熔點(diǎn)測(cè)試儀等實(shí)驗(yàn)儀器，根據(jù)瑞典的生物質(zhì)顆粒分類標(biāo)準(zhǔn)(SS187120)對(duì)所選5種木質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行水分、熱值、灰分、灰熔點(diǎn)等燃燒特性的分析。

2 結(jié)果分析

2.1 南方主要薪炭林樹種的選擇

(1)備選樹種生物量調(diào)查

通過實(shí)地調(diào)查及資料收集，得到南方主要薪炭林樹種生物量見表1。

表1 南方主要薪炭林樹種的生物量Table 1 Biomasses of main fuel-wood tree species in South China

從表1中可以看到，21個(gè)備選樹種中，除白松、木麻黃、黑荊、樟子松、凹葉厚樸、臭椿的生物量比較低外，其他樹種的生物量大小順序?yàn)樯寄荆?53.8.）＞楊樹（421.3）＞梨樹（420.6）＞紫穗槐（416.4）＞桉樹（415.8）＞刺槐（414.3）＞柳樹（413.6）＞南酸棗（411.2）＞馬尾松（409.5）＞胡枝子（409.5）＞石櫟（406.8）＞濕地松（403.5）＞梨蒴栲（402.3）＞火炬松（401.8）＞榆樹（396.4）。根據(jù)本研究的技術(shù)指標(biāo)規(guī)定，選取的優(yōu)良薪炭林樹種，要求年生物量≥400 kg，故杉木、楊樹、梨樹、紫穗槐、桉樹、刺槐、柳樹、南酸棗、馬尾松、胡枝子、石櫟、濕地松、梨蒴栲、火炬松、榆樹皆滿足要求。

(2)備選樹種熱值分析

從表2中可以看到，備選樹種中，除柳樹、白松、杉木、楊樹、馬尾松、濕地松、凹葉厚樸的熱值顯著比較高外，其余的樹種的熱值的差異皆不是很大。根據(jù)本研究的技術(shù)指標(biāo)規(guī)定，選取的薪炭林樹種要求熱值≥12 MJ/kg（含水率為25%時(shí)）。故柳樹、白松、杉木、楊樹、馬尾松、濕地松、凹葉厚樸這幾種樹種在考慮熱值方面應(yīng)該是最佳備選樹種。

表2 南方主要薪炭林樹種的低位熱值（MJ/kg）Table 2 Low calorific values of main fuel-wood tree species in South China (MJ/kg)

(3)樹種生物生態(tài)學(xué)特性及種植推廣程度分析

通過資料收集及調(diào)查分析，21個(gè)備選樹種中除杉木、凹葉厚樸、桉樹喜疏松、濕潤土壤外其余樹種對(duì)土壤要求均不嚴(yán)格；除白松、石櫟生長較為緩慢外，其他樹種均為速生樹種；耐旱能力較強(qiáng)的樹種有紫穗槐、胡枝子、刺槐 、白松、木麻黃、黑荊、桉樹、石櫟、馬尾松、濕地松、火炬松、樟子松、臭椿、榆樹；耐寒能力較強(qiáng)樹種有紫穗槐、胡枝子、樟子松、榆樹、白松、杉木；耐瘠薄樹種 胡枝子，刺槐、白松、木麻黃、黑荊、石櫟、梨蒴栲、馬尾松、濕地松、火炬松、樟子松、榆樹；除白松、樟子松多種植于北方外，其余樹種南方各省均有種植；凹葉厚樸為國家二級(jí)保護(hù)樹種不適宜作為備選樹種；

(4)樹種選定

以備選薪炭林樹種生物量、熱值研究分析結(jié)果為主要依據(jù)，作聚類分析[15]。將熱值≥12 MJ/Kg的樹種聚為一類，結(jié)合年生物量≥400 kg的要求，以及生物生態(tài)學(xué)特性和種植推廣情況，確定柳樹，杉木，楊樹，馬尾松，濕地松為終選樹種。

2.2 薪炭林木質(zhì)成型顆粒的燃燒特性分析

本研究采用中南林業(yè)科技大學(xué)生物質(zhì)能源研究所的中試線，生產(chǎn)出5個(gè)樹種的木質(zhì)顆粒并對(duì)其進(jìn)行燃燒特性分析，試驗(yàn)結(jié)果如表3～表7所示。

表3 木質(zhì)顆粒的含水率分析Table 3 Moisture content analysis of wood pellets

表 4 木質(zhì)顆粒的低位熱值分析Table 4 Low calorific value analysis of wood pellets

表5 木質(zhì)顆粒的凈密度分析Table 5 Net density analysis of wood pellets

表6 木質(zhì)顆粒的灰分分析Table 6 Ash analysis of wood pellets

表7 木質(zhì)顆粒的灰熔融特性分析Table 7 Ash melting characteristics analysis of wood pellets

5種木質(zhì)顆粒的含水率在4.13%～6.13%之間，遠(yuǎn)低于瑞典生物質(zhì)顆粒燃料的標(biāo)準(zhǔn)（SS187120）要求（見表3）；5種木質(zhì)顆粒的發(fā)熱量在18.42 MJ/kg～20.38 MJ/kg之間，高于 SS187120的參考值（見表4）；木質(zhì)顆粒燃料的顆粒密度能夠影響堆積密度和燃燒特性，顆粒密度越大，燃燒持續(xù)時(shí)間越長。5種木質(zhì)顆粒燃料的密度在1.23 g/cm3～ 1.31 g/cm3， 均 在 標(biāo) 準(zhǔn) SS187120 的1.0 g/cm3以上（見表 5）。

5種木質(zhì)顆粒燃料中除杉木的灰熔點(diǎn)較高（1 350 e）能夠達(dá)到難熔性以外，其他的顆粒燃料灰熔點(diǎn)在 1 205 ～ 1 240 e，屬于可熔性灰，因此在燃燒過程中容易結(jié)渣，而且灰分也較高，最低的杉木0.65%也高于SS187120參考值（見表6、表7）。

3 結(jié) 論

本研究通過實(shí)地調(diào)查和資料收集， 結(jié)合大量的試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)年生物量數(shù)值及熱值進(jìn)行聚類分析，結(jié)合備選樹種的生物生態(tài)學(xué)特性及種植推廣程度，選擇楊樹、柳樹、馬尾松、杉木、濕地松5種樹種作為本研究的試驗(yàn)材料，它們滿足生長迅速，年生物量≥400 kg、熱值≥12 MJ/kg（含水率為25%時(shí)）的要求，適合南方推廣。

（2）5種木質(zhì)顆粒燃料水分含量低，熱值高，凈密度高，達(dá)到國際水平。

（3）5中木質(zhì)顆粒燃料燃燒后，灰分值均高于SS187120的參考值，除杉木外其他顆粒均屬于可熔性灰，因此在燃燒過程中容易結(jié)渣。

（4）生物能源技術(shù)的研究與開發(fā)已成為世界重大熱門課題之一，受到世界各國政府與科學(xué)家的關(guān)注。我國生物質(zhì)資源的開發(fā)利用尚處于起步階段，有些方面與國際標(biāo)準(zhǔn)還存在差距，有待進(jìn)一步的研究探討。

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Study on selection of main fuel-wood forest tree species in South China and combustion characteristics of wood pellets of fuel-wood trees

LΙ Ji-ping, CHEN Xi-long, ZHU Ning-hua, TAN Yue-Hui,YAN Yong-lin, GAO Zi-cheng, ZHANG Ya-nan
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

According to the biomasses and calorif i c values of main fuel-wood tree species in South China, the trees were clustered by type, and comprehensively evaluated by taking into account their biological and ecological characteristics and planting and extending status. Then f i ve kinds of excellent fuel-wood and energy tree species, which grew fast, yielded highly, had calorif i c values, planted widely and was suitable for planting in South China, were selected as the preferential kinds to plant for the fuel forest in the South china, such as poplar, willow, masson pine, Cunninghamia lanceolata, slash pine. The combustion characteristics of the wood pellet fuels made of 5 kinds of selected trees were analyzed according to Swedish Biofuel Standards (SS187120). The results show that the characteristics of 5 kinds of wood pellets (moisture content, calorif i c value and net density etc. have reached international level. However, after burned, the ash contents of 5 kinds of wood pellets were all higher than that of the reference values of Swedish Biofuel Standards (SS187120), excepting Chinese f i r pellets other trees’ pellets all are fusibility ash, so other wood pellets are ease of slagging during combustion.

fuel-wood forest in South China; selection of tree species; wood pellets; combustion behavior

S759.4；S78

A

1673-923X(2013)12-0126-04

2013-07-12

國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“南方主要薪炭林顆粒燃燒成型及燃燒技術(shù)研究”（200904027）

李際平（1957-），男，湖南醴陵人，博士，教授，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：林業(yè)系統(tǒng)工程、生物質(zhì)能源木質(zhì)顆粒應(yīng)用研究

[本文編校：邱德勇]