常子磐　李來(lái)武　嚴(yán)經(jīng)天等

摘要：菊芋發(fā)酵生產(chǎn)生物乙醇的研究報(bào)道較多，但是迄今還沒(méi)有被研究用于生產(chǎn)生物質(zhì)固體燃料的報(bào)道。比較了菊芋、玉米和大豆秸稈加工成的生物質(zhì)固體燃料的化學(xué)組成以及燃燒特性，結(jié)果表明：菊芋秸稈加工的生物質(zhì)固體燃料的燃點(diǎn)和灰分均低于玉米秸稈和大豆秸稈所生產(chǎn)的生物質(zhì)固體燃料，但其放熱量要高于后兩者，揮發(fā)分高于常規(guī)固體燃料加工原料玉米秸稈。菊芋秸稈加工的生物質(zhì)固體燃料燃燒所釋放的酸性氣體量極低，燃燒性能明顯優(yōu)于玉米、大豆秸稈等加工的大眾固體燃料，因此它是一種有前景、可替代化石能源的新型固體燃料。

關(guān)鍵詞：菊芋；玉米；大豆；生物質(zhì)秸稈；燃燒性能；固體成型燃料

中圖分類號(hào)： S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）03-0308-03

我國(guó)是能源生產(chǎn)大國(guó)和消費(fèi)大國(guó)，其中煤炭消耗量占全球煤炭消耗總量的48.2%[1]。同時(shí)，我國(guó)也是化石能源非常短缺的國(guó)家。開(kāi)發(fā)利用新的能源成為緩解資源緊張和保護(hù)環(huán)境的迫切任務(wù)。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年農(nóng)業(yè)廢棄物的生產(chǎn)量高達(dá)7億t，這些生物質(zhì)原料多數(shù)未被有效利用，每年可作生物質(zhì)燃料利用的有3億～4億t，其中有相當(dāng)一部分是被直接燒掉，這不僅浪費(fèi)了資源而且破壞了環(huán)境[2]。以玉米、大豆、麻風(fēng)樹(shù)等較為經(jīng)濟(jì)的農(nóng)作物為原料，經(jīng)過(guò)加工產(chǎn)生塊狀燃料[3-5]，不僅使這些廢棄的生物質(zhì)作為一種可再生資源加以利用，而且起著保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境的重要作用。菊芋（Helianthus tuberosus L.）是一種菊科向日葵屬宿根性草本植物[6]，原產(chǎn)于北美洲的溫帶地區(qū)，自17世紀(jì)一直生長(zhǎng)在歐洲[7]，現(xiàn)在也被廣泛種植在我國(guó)山西、黑龍江、山東、江蘇以及土壤貧瘠的地區(qū)[8-11]。菊芋以其優(yōu)異的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、能源開(kāi)發(fā)價(jià)值越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外能源專家的重視[12]。本研究以能源植物菊芋、玉米、大豆等秸桿為原料，采用比較研究的方法，探討不同農(nóng)業(yè)秸桿固體成型燃料的燃燒性能，為研究開(kāi)發(fā)出燃燒性能好、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)高的新型生物質(zhì)固體成型燃料提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)采用山東宇龍機(jī)械有限公司生產(chǎn)的SG50型秸稈粉碎機(jī)、沙克龍和SKJ300秸稈顆粒機(jī)、LSJ190螺旋提升機(jī)；鶴壁鑫泰高科儀器制造有限公司生產(chǎn)的ZDHW-2010B型微機(jī)壓縮制冷全自動(dòng)量熱儀、 XTRD-5型燃點(diǎn)測(cè)試儀和JXL-620型智能馬弗爐；德國(guó)RBR公司生產(chǎn)的J2KN型煙氣分析儀；德國(guó)賽多利斯公司生產(chǎn)的BSSA224S型電子天平。

1.2 試驗(yàn)場(chǎng)地概況

試驗(yàn)在南京農(nóng)業(yè)大學(xué)灘涂農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站（江蘇大豐）固體成型燃料中試生產(chǎn)車間進(jìn)行。固體成型燃料中試生產(chǎn)車間位于江蘇省鹽城市海洋生物產(chǎn)業(yè)園。

1.3 供驗(yàn)材料及工藝流程

收集試驗(yàn)站內(nèi)菊芋、玉米、大豆等農(nóng)作物秸稈，并在固體成型燃料中試生產(chǎn)車間，分批次將農(nóng)作物秸桿粉碎、過(guò)篩，調(diào)整秸稈粉末濕度，經(jīng)SKJ300秸稈顆粒機(jī)將秸稈粉末壓縮成型，獲得不同農(nóng)作物秸桿加工而成的固體成型燃料樣品（圖1）。經(jīng)上述工藝流程加工處理出的試驗(yàn)產(chǎn)品見(jiàn)圖2。

將固體成型燃料樣品帶回南京農(nóng)業(yè)大學(xué)江蘇省海洋生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室分析。選取菊芋、玉米、大豆等固體成型燃料樣品各3份，每份質(zhì)量200 g，作為分析測(cè)試樣品，分析時(shí)各設(shè)置2次平行。生物質(zhì)固體燃料化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1。

1.2.3 分析檢測(cè)方法

采用ZDHW-2010B型微機(jī)壓縮制冷全自動(dòng)量熱儀和XTRD-5型燃點(diǎn)測(cè)試儀聯(lián)機(jī)測(cè)定固體成型燃料放熱量和燃點(diǎn)，煙氣分析儀（德國(guó)）分析固體成型燃料煙氣成分?；曳值臏y(cè)定：在溫度（550±10） ℃下，通過(guò)計(jì)算樣品在空氣中加熱后剩余物的質(zhì)量占樣品總質(zhì)量的百分比來(lái)測(cè)定灰分[13]。揮發(fā)分的測(cè)定：試驗(yàn)樣品在隔絕空氣的環(huán)境中（900±10） ℃加熱 7 min，通過(guò)去除水分質(zhì)量損失后， 試驗(yàn)樣質(zhì)量損失占樣品質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)來(lái)計(jì)算揮發(fā)分[14]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Excel處理后，經(jīng)SPSS 18.0軟件進(jìn)行多重比較和差異性顯著分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊芋、玉米、大豆秸桿固體成型燃料燃燒參數(shù)

由表2可知，菊芋固體成型燃料的燃點(diǎn)明顯低于大豆、玉米秸稈固體成型燃料，分別降低了45.1、16.6 ℃，表明菊芋秸稈固體成型燃料在相同條件下更容易點(diǎn)燃。放熱量由大到小依次為菊芋秸稈固體成型燃料>大豆秸稈固體成型燃料>玉米秸稈固體成型燃料，且差異顯著（P<0.05），說(shuō)明菊芋秸稈加工的固體成型燃料燃燒產(chǎn)生的熱值更高。菊芋、大豆、玉米秸稈加工的3種生物質(zhì)固體成型燃料均已達(dá)到了二類煙煤的發(fā)熱量標(biāo)準(zhǔn)（>15 490～19 080 J/g）[15]。此外，3種不同生物質(zhì)固體燃料的揮發(fā)分所占比例較高，菊芋和玉米秸稈生物質(zhì)固體燃料的揮發(fā)分含量70%以上，與大豆秸稈生物質(zhì)固體燃料差異顯著（P<0.05），而菊芋秸稈生物質(zhì)固體燃料的燃點(diǎn)明顯優(yōu)于玉米和大豆秸稈生物質(zhì)固體燃料；菊芋秸稈固體成型燃料的灰分最低，單位質(zhì)量的燃料中灰燼會(huì)更少，可燃成分更多。因此，通過(guò)燃點(diǎn)、放熱量和揮發(fā)分的比較可見(jiàn)，菊芋秸稈生物質(zhì)固體燃料是一種新型的優(yōu)質(zhì)固體成型燃料。

2.2 固體成型燃料煙氣成分分析

將3類生物質(zhì)秸稈加工的固體成型燃料于馬弗爐內(nèi) 900 ℃ 充分燃燒，并于排氣口接收煙氣監(jiān)測(cè)，煙氣分析儀測(cè)定結(jié)果（表3）表明，3類秸稈所形成的煙氣成分中氮氧酸性氣體化合物含量極低。由于是在馬弗爐內(nèi)高溫充分燃燒，生物質(zhì)秸稈中的碳元素被充分燃燒成二氧化碳?xì)怏w，生成的一氧化碳和其他碳?xì)浠衔镙^少。3類秸稈加工的固體成型燃料燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳的量幾近相同，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單位質(zhì)量煤炭所產(chǎn)生的二氧化碳的量。大豆秸稈和玉米秸稈所產(chǎn)生的二氧化氮、二氧化硫氣體稍多于菊芋秸稈燃燒后所產(chǎn)生的量。就整體氣體排放來(lái)看，菊芋秸稈固體燃料釋放的煙氣少于玉米、大豆秸稈等大眾固體成型燃料，且完全符合環(huán)保要求[19]。endprint

3 討論與結(jié)論

3.1 秸稈固體成型燃料的燃點(diǎn)與放熱量

菊芋固體燃料放熱量高主要是因?yàn)榛曳趾康?、可燃成分的比例高。在可燃物系統(tǒng)內(nèi)，不同組成成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可以自動(dòng)加速而達(dá)到自然著火的最低溫度。不同的生物質(zhì)之間著火溫度相差明顯，單位質(zhì)量放熱量也有明顯差別，這估計(jì)是由它們之間的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量不同造成的。

3.2 秸稈固體成型燃料的灰分與揮發(fā)分

生物質(zhì)秸稈的揮發(fā)分含量占到60%左右，遠(yuǎn)高于普通褐煤（31%～45%揮發(fā)分），也高于普通煙煤（40%～44%揮發(fā)分）[16]。生物質(zhì)固體燃料的灰分所占比例較低，低于褐煤（10%～50%灰分）、普通煙煤（9%～15%灰分）[17]。在3種不同的生物質(zhì)固體燃料中菊芋秸稈固體燃料的揮發(fā)分稍高于玉米秸稈和大豆秸稈，而灰分含量低于玉米秸稈和大豆秸稈。

3.3 秸桿固體成型燃料的煙氣組成

生物質(zhì)中所含主要化學(xué)元素是C、H、O和少量的N、S等，由于C的含量低于煤[18]，而H、O含量都高于煤，因此生物質(zhì)有更高的揮發(fā)分含量、較少的灰分含量。秸稈的碳元素含量低于煤，氫、氧元素含量高于煤，從而使生物質(zhì)秸稈有高于煤的H/C、O/C，因此生物質(zhì)秸稈有更高的揮發(fā)分含量，但含碳量低導(dǎo)致生物質(zhì)秸稈的放熱量會(huì)低于煤炭。生物質(zhì)秸稈所含氮、硫元素極低，從煙氣成分分析可以看出燃燒所產(chǎn)生的的煙氣成分中氮、硫氧化氣體極少[19]，符合環(huán)境保護(hù)的要求。

綜上所述，菊芋秸稈是生產(chǎn)加工生物質(zhì)固體燃料的優(yōu)良原料，菊芋秸稈用于加工固體燃料存在較大空間和可行性。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱法華，王 圣. 如何推動(dòng)我國(guó)煤炭消費(fèi)總量控制[J]. 環(huán)境保護(hù)，2012（12）：37-40.

[2]孫振鈞，袁振宏，張夫道. 農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與農(nóng)村生物質(zhì)資源戰(zhàn)略研究報(bào)告[R]. 國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃戰(zhàn)略研究，2004.

[3]Vinterbck J. Pellets 2002：the first world conference on pellets[J]. Biomass and Bioenergy，2004，27：513-520.

[4]Kaliyan N，Vance R. Factors affecting strength and durability of densified biomass products[J]. Biomass and Bioenergy，2009，33：337-359.

[5]hman M，Boman C，Hedman H，et al. Slagging tendencies of wood pellet ash during combustion in residential pellet burners[J]. Biomass and Bioenergy，2004，27（6）：585-596.

[6]Monti A，Amaducci M T，Venturi G. Growth response，leaf gas exchange and fructans accumulation of Jerusalem artichoke （Helianthus tuberosus L.） as affected by different water regimes[J]. Eur J Agron，2005，23（2）：136-145.

[7]Slimestad R，Seljaasen R，Meijer K，et al. Norwegian-grown Jerusalem artichoke （Helianthus tuberosus L.）：morphology and content of sugars and fructo-oligosaccharides in stems and tubers[J]. J Sci Food Agric，2010，90（6）：956-964.

[8]Ma X Y，Shangguan T L. Species diversity of the forest communities in Taiyue Mountain，Shanxi[J]. J Mountain Sci，2004，22，606-612.

[9]Long X H，Chi J H，Liu L，et al. Effect of seawater stress on physiological and biochemical response of five Jerusalem artichoke ecotypes[J]. Pedosphere，2009，19（2）：208-216.

[10]Zhao G M，Mehta S K，Liu Z P. Use of saline aquaculture wastewater to irrigate salt-tolerant Jerusalem artichoke and sunflower in semiarid coastal zones of China[J]. Agr Water Manage，2010，97：1987-1993.

[11]Xue Y F，Liu Z P. Antioxidant enzymes and physiological characteristics in two Jerusalem artichoke cultivars under salt stress[J]. Russ J Plant Physiol，2008，55（6），776-781.

[12]Swanton C J，Cavers P B，Clements D R，et al. The biology of Canadian weeds. 101. Helianthus tuberosus L.[J]. Can J Plant Sci，1992，72，1367-1382.

[13]Yuan Y，Tian Y，Zhao L，et al. Influence of different additives on slagging characteristics of stalks biomass pellet fuel[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2011，27（Suppl 2）：99-103.

[14]何啟林，王德明. 煤水分含量對(duì)煤吸氧量與放熱量影響的測(cè)定[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，34（3）：358-362.

[15]朱法華，李 輝，邱署光. 煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用前景[J]. 環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2010，22（4）：10-14，49.

[16]崔 憲. 影響煤炭揮發(fā)分測(cè)定的主要因素分析[J]. 商品與質(zhì)量·學(xué)術(shù)觀察，2013（9）：236-236.

[17]洪 軍. 快速灰化法測(cè)定煤中灰分的探討[J]. 煤質(zhì)技術(shù)，2010（3）：28-30.

[18]李毓婷. 含碳固廢作型煤添加劑的研究及型煤特性分析[D]. 太原：山西大學(xué)，2012.

[19]王浩青，賀軍蓀. 濕法煙氣脫硫的煙氣排放[J]. 能源環(huán)境保護(hù)，2009（3）：18-19，25.endprint