閆泓池,陳鑫科,馬 侖,蘇現(xiàn)強(qiáng),方慶艷

(華中科技大學(xué) 煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

在國(guó)家碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略方針指導(dǎo)下,尋找新型低碳能源替代化石燃料,降低化石能源消耗勢(shì)在必行[1-3]。在眾多可再生能源中,生物質(zhì)是可再生能源的重要組成部分,我國(guó)每年生物質(zhì)能源開采量相當(dāng)于11.7億t標(biāo)準(zhǔn)煤,占開采清潔能源總量的54.5%,分別是水電的2.0倍和風(fēng)電的3.5倍[4-5]。此外,生物質(zhì)的碳中性特性較顯著,有效利用生物質(zhì)能對(duì)解決能源問(wèn)題和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題具有重要意義。如我國(guó)北方地區(qū)以直燃發(fā)電方式發(fā)展利用生物質(zhì)資源,秸稈資源品種主要包括小麥、玉米、棉花、秸稈以及林業(yè)剩余物等[6]。然而,生物質(zhì)具有能量密度低、季節(jié)性和區(qū)域性等缺點(diǎn),為滿足生產(chǎn)系統(tǒng)中生物質(zhì)原料穩(wěn)定供應(yīng),需對(duì)大量生物質(zhì)材料收集、加工、運(yùn)輸和儲(chǔ)存[7-8]。在實(shí)際過(guò)程中,供應(yīng)鏈各階段都存在大量生物質(zhì)存儲(chǔ)[9-10]。在堆積儲(chǔ)存過(guò)程中,生物質(zhì)堆垛內(nèi)部產(chǎn)生的熱量無(wú)法充分散失到周圍環(huán)境中,可能發(fā)生自加熱現(xiàn)象,導(dǎo)致存儲(chǔ)溫度升高甚至自燃[11-13]。生物質(zhì)自加熱過(guò)程中會(huì)由于物理、生物、化學(xué)作用而引發(fā)自加熱效應(yīng)[14-15]。生物質(zhì)產(chǎn)熱作用主要發(fā)生在0～70 ℃,生物質(zhì)堆垛內(nèi)微生物代謝活動(dòng)產(chǎn)生熱量,從而導(dǎo)致溫度升高[15];隨溫度不斷升高,化學(xué)產(chǎn)熱作用逐漸取代生物產(chǎn)熱作用,80～90 ℃ 時(shí)[16],化學(xué)產(chǎn)熱作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位;化學(xué)產(chǎn)熱溫度進(jìn)一步升高,生物質(zhì)會(huì)發(fā)生快速熱解、氧化直至自燃[17];物理產(chǎn)熱作用主要是水分的吸附、凝結(jié)和潤(rùn)濕,該過(guò)程貫穿整個(gè)自加熱過(guò)程[15]。

微生物活動(dòng)是生物質(zhì)材料自加熱的主要原因[18-19]。FERRERO等[18]和KRIGSTIN等[19]通過(guò)建模研究發(fā)現(xiàn),自加熱啟動(dòng)并通過(guò)微生物作用達(dá)到化學(xué)氧化的臨界溫度是自燃發(fā)生的前提條件,微生物活動(dòng)及其熱效應(yīng)在自加熱過(guò)程中至關(guān)重要。研究表明[15],生物質(zhì)在環(huán)境中堆積儲(chǔ)存時(shí),由于細(xì)菌、真菌等微生物活動(dòng)產(chǎn)熱,堆垛內(nèi)部會(huì)快速升溫至60～70 ℃,并維持?jǐn)?shù)周。之后溫度逐漸下降,或在一定條件下,基于緩慢化學(xué)氧化等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,堆垛內(nèi)部溫度逐漸升高至臨界溫度后,化學(xué)氧化反應(yīng)加速,溫度快速升高直至著火[20]。因此,前期生物質(zhì)生物作用產(chǎn)熱過(guò)程是決定堆垛能否進(jìn)入化學(xué)氧化產(chǎn)熱的關(guān)鍵。國(guó)外研究主要集中在木質(zhì)燃料化學(xué)氧化的熱效應(yīng),對(duì)微生物活動(dòng)產(chǎn)熱[20-21]和其他燃料自加熱進(jìn)程[13,22-23]研究相對(duì)較少。我國(guó)學(xué)者對(duì)生物質(zhì)自燃問(wèn)題已開展了部分研究[24-26],但尚未形成系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容并建立相應(yīng)的防范監(jiān)測(cè)體系。研究表明,水分對(duì)微生物活動(dòng)存在較大影響[27-28]。含水量低于臨界含水量時(shí),微生物活性極低[29-30];介于臨界含水量與適宜微生物生長(zhǎng)的最佳含水量時(shí),微生物活性隨含水量增加呈線性[31]或指數(shù)增加[29-30];含水量超過(guò)最佳含水量時(shí),存在水溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度過(guò)低和氧氣運(yùn)輸困難等問(wèn)題,微生物活性隨含水量增加趨于平穩(wěn)或下降[19,30]。探究含水量對(duì)微生物活性影響時(shí),集中以呼吸強(qiáng)度體現(xiàn)微生物活性,并未將產(chǎn)熱與微生物活性關(guān)聯(lián),且文獻(xiàn)多集中在不同種類生物質(zhì)臨界含水量的確定[32-33],鮮見適宜微生物生長(zhǎng)的最佳含水量研究。同時(shí),已有生物質(zhì)自加熱試驗(yàn)均將生物質(zhì)堆垛視為整體,鮮有對(duì)堆垛不同區(qū)域自加熱現(xiàn)象開展討論。生物質(zhì)堆垛越靠近中心處氧氣濃度越低,由此將堆垛分為氧氣濃度較低的中心層與氧氣濃度較高的外層。對(duì)堆垛外層儲(chǔ)存條件的研究常進(jìn)行適當(dāng)開孔通風(fēng)處理[26]。不過(guò)由于外層對(duì)流與導(dǎo)熱散熱量相對(duì)中心層更大,堆垛內(nèi)部溫度相對(duì)更高[15]。開展基于堆垛中心層的低氧濃度條件下生物質(zhì)自加熱特性試驗(yàn)具有重要意義。

在生物質(zhì)自加熱特性研究試驗(yàn)樣品選擇與試驗(yàn)設(shè)備方面,以往實(shí)驗(yàn)室規(guī)模試驗(yàn)中,被測(cè)樣品多以粉末形態(tài)[26,34-38]儲(chǔ)存于較小體積(小于10 L)的容器內(nèi),然而實(shí)際應(yīng)用中農(nóng)林類燃料大量堆積且多以稈狀或片狀形態(tài)儲(chǔ)存[29,39]?；诖丝蛇M(jìn)一步組織更符合實(shí)際條件的試驗(yàn)方案,開展生物質(zhì)自加熱特性研究:在試驗(yàn)樣品方面,采用原始秸稈形態(tài)樣品較粉末形態(tài)更具代表性;在試驗(yàn)設(shè)備方面,構(gòu)建體積更大且保溫性能更優(yōu)的試驗(yàn)箱有利于更好探究生物質(zhì)自加熱過(guò)程中的熱量積累現(xiàn)象。

筆者設(shè)計(jì)并搭建了內(nèi)部?jī)?chǔ)存空間120 L自加熱保溫試驗(yàn)箱,并測(cè)試其保溫性能,構(gòu)建系統(tǒng)熱平衡方程;以10～15 cm長(zhǎng)度自然風(fēng)干下的玉米秸稈樣品為研究對(duì)象,將不同含水量玉米秸稈置于保溫箱中儲(chǔ)存至溫度穩(wěn)定,試驗(yàn)期間通過(guò)對(duì)比不同含水量的玉米秸稈內(nèi)部溫度和產(chǎn)熱特性,探究含水量對(duì)自加熱過(guò)程的影響;最后,通過(guò)分析不同含水量時(shí)樣品內(nèi)部微生物比生長(zhǎng)速率,探究不同含水量玉米秸稈內(nèi)部的微生物活性差異。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與預(yù)處理

采用當(dāng)季新鮮收割且自然風(fēng)干的玉米秸稈,可避免試驗(yàn)原料經(jīng)歷多樣、復(fù)雜的中間處理及儲(chǔ)存過(guò)程導(dǎo)致其組成和特性改變,保證樣品一致性和可比性。工業(yè)分析依據(jù)GB/T 28731—2012《固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法》,元素分析依據(jù)ASTM E777—17a《垃圾衍生物燃料分析樣品中碳和氫的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》和ASTM E870—82(2019)《木材燃料分析的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法》,分析測(cè)定結(jié)果見表1。為盡可能保持玉米秸稈原始形態(tài),對(duì)玉米秸稈采取如下預(yù)處理:用鍘刀對(duì)玉米秸稈適當(dāng)切段,每段玉米秸稈長(zhǎng)度為10～15 cm,以便后續(xù)放置于試驗(yàn)箱內(nèi)開展試驗(yàn)。切段后的玉米秸稈晾曬2 d后置于陰涼干燥倉(cāng)庫(kù)中備用。

表1 玉米秸稈樣品的工業(yè)及元素分析

1.2 120 L自加熱保溫試驗(yàn)箱

設(shè)計(jì)并搭建的120 L自加熱保溫試驗(yàn)箱如圖1所示。為保證較好的保溫效果,保溫箱采用內(nèi)外雙層結(jié)構(gòu)。內(nèi)層采用厚60 cm泡沫保溫箱,保溫箱內(nèi)部尺寸為長(zhǎng)53 cm、寬48.5 cm、高47.5 cm,總?cè)莘e約120 L;外層則在泡沫保溫箱基礎(chǔ)上包裹一層75 mm阻燃橡膠保溫棉,并在保溫箱外側(cè)貼一層錫紙。同時(shí),在保溫箱底部高5 cm位置安裝一片亞克力材質(zhì)開孔篩板,用于滲漏水排出和插入測(cè)點(diǎn)定位棒。

圖1 120 L自加熱保溫試驗(yàn)箱示意Fig.1 Schematic diagram of 120 L self-heating insulation test chamber

保溫試驗(yàn)箱內(nèi)部設(shè)置9個(gè)測(cè)溫點(diǎn),分別在保溫箱水平截面幾何中心位置、幾何中心與其中1條邊中點(diǎn)位置、幾何中心與其中1個(gè)角中點(diǎn)位置3處設(shè)置定位點(diǎn)A、B、C;并在3處定位點(diǎn)將測(cè)點(diǎn)定位棒插入亞克力篩板孔中固定,而后3根測(cè)點(diǎn)定位棒分別沿各自高度6、18與30 cm設(shè)置3個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。測(cè)溫點(diǎn)具體分布方式:A處由下至上,依次為A1、A2、A3;B處由下至上,依次為B1、B2、B3;C處由下至上,依次為C1、C2、C3。同時(shí)在自加熱試驗(yàn)箱四周布置測(cè)溫點(diǎn),用于環(huán)境溫度采集。這些測(cè)溫點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同位置樣品的溫度及環(huán)境溫度,并通過(guò)數(shù)據(jù)采集器與計(jì)算機(jī)連接。

1.3 玉米秸稈自加熱特性試驗(yàn)

玉米秸稈自加熱試驗(yàn)開始前,首先測(cè)試裝置保溫特性。在箱內(nèi)填入35 cm純凈水,用電加熱棒加熱,同時(shí)用絕緣棒將水充分?jǐn)嚢杈鶆?直至保溫箱中水整體升溫至60 ℃;然后,從水面垂放下一根熱電偶,保持其測(cè)點(diǎn)懸停在水體幾何中心處;最后,蓋上保溫試驗(yàn)箱的泡沫蓋與保溫棉,并用錫紙膠帶對(duì)外部接縫處密封處理。在數(shù)據(jù)采集端每隔1 min記錄一次內(nèi)部水溫與外部環(huán)境溫度。后續(xù)可分析保溫箱在一定內(nèi)外溫差作用下的散熱量,進(jìn)而構(gòu)建保溫箱系統(tǒng)熱平衡方程。

自加熱試驗(yàn)主要探討玉米秸稈在試驗(yàn)箱內(nèi)儲(chǔ)存時(shí),含水量對(duì)其內(nèi)部產(chǎn)熱與微生物代謝生長(zhǎng)特性影響。含水量是影響生物質(zhì)儲(chǔ)存時(shí)自加熱過(guò)程的重要因素,主要體現(xiàn)在微生物活動(dòng)[40]、化學(xué)氧化反應(yīng)及其產(chǎn)熱和傳熱過(guò)程2方面[39,41]。基于濕基20%～95%含水量設(shè)置了6組對(duì)比試驗(yàn),即含水量分別為20%、35%、50%、65%、80%、95%(基于濕基,原始含水量為7.69%)。由于單次試驗(yàn)所需玉米秸稈樣品量大,故不適合采用機(jī)械霧化加濕后在低溫環(huán)境中充分浸潤(rùn)的方式提高樣品含水量;本文在自制旋轉(zhuǎn)滾筒中采用霧化加濕(霧化粒徑約5 μm)充分?jǐn)嚢璧姆绞教岣邩悠烦跏己俊?/p>

玉米秸稈在霧化加濕達(dá)到目標(biāo)含水量后,填入保溫試驗(yàn)箱中。填充高度為35 cm,利用重力進(jìn)行自然堆積,密度為61.11 kg/m3,與實(shí)際電廠燃料儲(chǔ)存時(shí)整包秸稈的堆積密度相近。試驗(yàn)樣品填裝完畢后將氧氣濃度測(cè)試儀放置在樣品頂部,而后蓋上保溫試驗(yàn)箱的泡沫蓋與保溫棉,并用錫紙膠帶對(duì)外部接縫處密封。在數(shù)據(jù)采集端每隔1 min記錄一次內(nèi)部所有測(cè)點(diǎn)溫度、外部環(huán)境測(cè)點(diǎn)溫度與樣品頂部的氧氣濃度。自加熱試驗(yàn)箱置于約24 ℃實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。自加熱試驗(yàn)箱的外觀與布置方式如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)裝置保溫特性及系統(tǒng)熱平衡方程構(gòu)建

60 ℃溫水保溫特性試驗(yàn)過(guò)程中,測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化如圖2所示?？芍h(huán)境溫度為(24±2) ℃,變化幅度相對(duì)較小;裝置內(nèi)部水溫隨時(shí)間呈線性下降,且1 d內(nèi)溫降僅4.4 ℃,裝置保溫效果相對(duì)較好。

圖2 保溫試驗(yàn)過(guò)程中內(nèi)部水溫隨時(shí)間變化Fig.2 Water temperature variation respect with time during the insulation experiment

裝置系統(tǒng)熱平衡方程為式(1)。適用于保溫試驗(yàn)的系統(tǒng)熱平衡及相關(guān)公式為式(2)～(5),并依據(jù)系統(tǒng)保溫試驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù),得到試驗(yàn)裝置散熱方程為式(6)。

(1)

(2)

Qout=kAΔT2,

(3)

ΔT2=Tin-Tout,

(4)

(5)

Qout=0.774 51ΔT2,

(6)

式中,QS為系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)熱,J/(sm3);Qin為系統(tǒng)吸收外界熱量,J/(sm3);Qout為系統(tǒng)向外界環(huán)境散發(fā)熱量,J/(sm3);Cp(H2O)為水的比熱容,J/(kgK);m(H2O)為水的質(zhì)量,kg;T1為箱內(nèi)測(cè)點(diǎn)處水溫,℃;ΔT1/Δt為水溫隨時(shí)間變化,℃/s;T2為內(nèi)部水溫與外部環(huán)境溫度差值,℃;Tin為內(nèi)部水溫,℃;Tout為外界環(huán)境溫度,℃;k為總傳熱系數(shù),W/(m2℃);A為傳熱面積,m2;λ1、λ2分別為泡沫箱和保溫棉的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m℃);δ1、δ2分別為泡沫箱和保溫棉的壁厚,m;h1、h2分別為箱內(nèi)水的等效換熱系數(shù)和箱外空氣的對(duì)流換熱系數(shù),W/(m2℃)。

玉米秸稈自加熱過(guò)程系統(tǒng)熱平衡方程為式(7)。由式(7)～(13)可得玉米秸稈自加熱過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)熱,即QS-all:

(7)

(8)

Qout=KAΔT3=0.774 51ΔT3,

(9)

(10)

(11)

ΔT3=Taverage-Tout,

(12)

QS-all=QS1+QS2,

(13)

式中,Cp為玉米秸稈比熱容,J/(kgK);m為玉米秸稈質(zhì)量,kg;Taverage為樣品內(nèi)部平均溫度,℃;ΔTaverage/Δt為樣品內(nèi)部平均溫度隨時(shí)間變化,℃/s;QS1為玉米秸稈內(nèi)微生物有氧呼吸產(chǎn)熱,J/(sm3);QS2為微生物無(wú)氧呼吸產(chǎn)熱,J/(sm3);Q(H2O)為水分吸附、凝結(jié)過(guò)程中吸收、釋放熱量總和,J/(sm3);m′(H2O)為玉米秸稈內(nèi)水分質(zhì)量,kg;T3為內(nèi)部平均溫度與外部環(huán)境溫度差值,℃;TAi、TBi、TCi分別為試驗(yàn)裝置內(nèi)A、B、C組的測(cè)點(diǎn)溫度,其中i=1、2、3分別對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)在6、18、30 cm高度的溫度,℃;QS-all為玉米秸稈內(nèi)部微生物產(chǎn)熱總和,J/(sm3)。

2.2 玉米秸稈自加熱特性分析

2.2.1 含水量對(duì)玉米秸稈自加熱過(guò)程中溫度的影響

不同含水量玉米秸稈在試驗(yàn)箱內(nèi)儲(chǔ)存時(shí),內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化如圖3所示。6組樣品內(nèi)部溫度變化規(guī)律相似,存在誘導(dǎo)期、溫度上升期、溫度下降平穩(wěn)期3個(gè)階段。同時(shí),實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為(24±2) ℃,變化幅度較小,環(huán)境溫度變化對(duì)自加熱進(jìn)程的影響相對(duì)較小。

圖3 不同含水量玉米秸稈樣品自加熱過(guò)程中內(nèi)部溫度隨時(shí)間變化Fig.3 Temperature variation respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

試驗(yàn)樣品經(jīng)過(guò)短暫誘導(dǎo)期后進(jìn)入溫度上升期,27 ℃后樣品內(nèi)部溫度升高速率加快,樣品內(nèi)部發(fā)生明顯的自加熱反應(yīng)。不同含水量的樣品均在試驗(yàn)開啟后1.5 d內(nèi)達(dá)到各自對(duì)應(yīng)的峰值溫度,并進(jìn)入溫度下降階段,樣品內(nèi)部溫度下降至溫度穩(wěn)定,最終樣品溫度與室溫保持一定溫差。不同初始含水量的玉米秸稈最終溫度都穩(wěn)定在(31±2) ℃,與環(huán)境溫度之間存在7 ℃左右溫差。

在溫度上升期,不同初始含水量樣品內(nèi),樣品中、上層區(qū)域溫度較高,樣品下層區(qū)域溫度相對(duì)較低。其中,樣品下、中、上層區(qū)域以底層試驗(yàn)裝置亞克力篩板作為基準(zhǔn)面,按照豎直方向區(qū)分,分別為0～120、120～240、240～360 mm。各區(qū)溫度差異現(xiàn)象所處位置的樣品含水量、氧濃度和散熱條件綜合作用的結(jié)果[15]。隨玉米秸稈初始含水量增加,最高溫區(qū)域出現(xiàn)由中層中心區(qū)域(20%、35%、50%)向頂層中心區(qū)域(65%、80%、95%)轉(zhuǎn)移。

自加熱熱量積累的初始階段,玉米秸稈內(nèi)部產(chǎn)熱來(lái)源主要為微生物生長(zhǎng)代謝,而水分對(duì)這一過(guò)程至關(guān)重要。含水量低于某一臨界含水量時(shí),微生物失活,中層區(qū)域保溫性能相較頂層和底層更好,因此低含水量的中層最先出現(xiàn)高溫區(qū);含水量在臨界和適宜微生物生長(zhǎng)的最佳含水量時(shí),隨含水量增加,可供微生物利用的水溶性碳水化合物溶出量增加,微生物活性呈線性或指數(shù)增加[15,29-31],且保溫箱頂層有一定空腔氧氣供給相較其他區(qū)域較多,故高含水量的頂層最先出現(xiàn)高溫區(qū)。

表2 初始含水量對(duì)玉米秸稈自加熱最大溫度升高值的影響

通過(guò)觀察玉米秸稈的自加熱過(guò)程發(fā)現(xiàn),樣品內(nèi)外溫差隨著含水量的增加先增加后減少,在含水量50%時(shí),內(nèi)外溫差達(dá)到最大。低水分環(huán)境不利于微生物生長(zhǎng)代謝,而高含水量玉米秸稈相較低含水量玉米秸稈,水分吸收了更多熱量。為了更加準(zhǔn)確判斷微生物代謝活動(dòng)強(qiáng)度,進(jìn)一步從產(chǎn)熱角度進(jìn)行相關(guān)分析。

2.2.2 含水量對(duì)玉米秸稈自加熱過(guò)程中產(chǎn)熱的影響

依據(jù)試驗(yàn)箱內(nèi)部系統(tǒng)熱平衡方程及其相關(guān)方程,繪制不同含水量時(shí)玉米秸稈自加熱過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)熱隨時(shí)間變化曲線,如圖4所示?？芍?組樣品內(nèi)部產(chǎn)熱變化規(guī)律相似,存在誘導(dǎo)期、產(chǎn)熱上升期、產(chǎn)熱下降平穩(wěn)期3個(gè)階段。

圖4 不同含水量玉米秸稈樣品自加熱過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)熱隨時(shí)間變化Fig.4 Heat production variation respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

試驗(yàn)初始階段,由于霧化加濕后樣品溫度略高于環(huán)境溫度,存在一定向外釋放熱量階段,該部分熱量不屬于微生物自加熱產(chǎn)熱,同時(shí)該過(guò)程與誘導(dǎo)期有一定重合。在誘導(dǎo)期后,樣品內(nèi)部產(chǎn)熱緩慢上升,但由于初始含水量對(duì)微生物代謝活動(dòng)的影響[28],產(chǎn)熱初值存在差異。進(jìn)入產(chǎn)熱上升期,樣品內(nèi)部產(chǎn)熱顯著升高,表明樣品內(nèi)部發(fā)生了明顯的自加熱作用。隨含水量增加,玉米秸稈內(nèi)部微生物活動(dòng)產(chǎn)熱峰值先升高后降低,并在含水量80%時(shí)出現(xiàn)最高產(chǎn)熱峰值157 J/(sm3)。最后,進(jìn)入產(chǎn)熱下降平穩(wěn)階段,玉米秸稈內(nèi)部產(chǎn)熱下降至穩(wěn)定,不同初始含水量玉米秸稈最終穩(wěn)定熱值相差不大,各含水量玉米秸稈儲(chǔ)存穩(wěn)定后產(chǎn)熱基本維持在10～20 J/(sm3)。

微生物生長(zhǎng)代謝作用產(chǎn)熱由有氧呼吸產(chǎn)熱和無(wú)氧呼吸產(chǎn)熱2部分組成。樣品儲(chǔ)存于試驗(yàn)箱的開始階段,箱體內(nèi)部各處有一定氧氣,產(chǎn)熱主要來(lái)源為微生物有氧呼吸,隨著試驗(yàn)箱各處氧氣濃度下降,微生物代謝逐漸轉(zhuǎn)為無(wú)氧呼吸,生物質(zhì)內(nèi)部熱源開始降低。玉米秸稈在試驗(yàn)箱內(nèi)堆積儲(chǔ)存時(shí),其內(nèi)部微生物有氧呼吸產(chǎn)熱集中在前期;后期轉(zhuǎn)而進(jìn)入無(wú)氧呼吸產(chǎn)熱階段,穩(wěn)定后各含水量生物質(zhì)的無(wú)氧呼吸產(chǎn)熱數(shù)值相差不大。有氧呼吸產(chǎn)熱受含水量影響較大,隨含水量增加,有氧呼吸產(chǎn)熱峰值先增加后降低。含水量20%時(shí),樣品內(nèi)部有氧呼吸產(chǎn)熱峰值最小,為28 J/(sm3);含水量80%時(shí),樣品內(nèi)部有氧呼吸產(chǎn)熱峰值最大,為157 J/(sm3)。各含水量生物質(zhì)樣品無(wú)氧呼吸產(chǎn)熱基本維持在10～20 J/(sm3)。含水量對(duì)微生物呼吸作用產(chǎn)熱的影響顯著,充足的氧氣供給程度能顯著提升生物質(zhì)自加熱過(guò)程的產(chǎn)熱量。

依據(jù)圖4繪制玉米秸稈自加熱過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)熱峰值隨含水量變化曲線,如圖5所示。其中,Qmax,S-all為玉米秸稈峰值產(chǎn)熱量,J/(sm3)。樣品含水量低于35%時(shí),峰值產(chǎn)熱量差異較小;樣品含水量在35%～80%時(shí),峰值產(chǎn)熱量與含水量呈線性關(guān)系,每增加15%含水量峰值產(chǎn)熱量平均增加33.43 J/(sm3);樣品含水量超過(guò)80%時(shí),峰值產(chǎn)熱量開始下降,80%含水量為玉米秸稈峰值產(chǎn)熱量拐點(diǎn)。

圖5 玉米秸稈樣品自加熱過(guò)程內(nèi)部峰值產(chǎn)熱隨含水量變化Fig.5 Internal peak heat production of corn straw varies with water content during self-heating

2.2.3 含水量對(duì)玉米秸稈自加熱過(guò)程中氧氣消耗速率的影響

一直很好奇雅昌到底有著怎樣的魅力，不僅被視為深圳印刷業(yè)的一張名片，更被稱為一家“文化藝術(shù)服務(wù)機(jī)構(gòu)”，這次走訪或許讓我們初步找到了答案。

玉米秸稈在試驗(yàn)箱儲(chǔ)存過(guò)程中,不同含水量樣品內(nèi)部氧氣濃度隨時(shí)間變化如圖6所示。隨含水量增加,樣品內(nèi)部氧氣消耗速率先加快后減慢,且在含水量80%時(shí),氧氣消耗速率最快,與產(chǎn)熱分析結(jié)果一致。不同含水量玉米秸稈儲(chǔ)存過(guò)程中,其內(nèi)部氧消耗速率隨時(shí)間變化如圖7所示,峰值氧氣消耗速率隨含水量增加先升高后降低,并在含水量80%時(shí)氧氣消耗速率最高。

圖6 不同含水量玉米秸稈樣品自加熱過(guò)程中內(nèi)部氧氣濃度隨時(shí)間變化Fig.6 Oxygen concentration variation respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

圖7 不同含水量玉米秸稈樣品自加熱過(guò)程中內(nèi)部氧氣消耗速率隨時(shí)間變化Fig.7 Oxygen rate variation respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

(14)

(15)

式(14)為微生物有氧呼吸作用總反應(yīng)式;式(15)表明1 mol葡萄糖完全燃燒釋放的熱量達(dá)2 804 kJ。微生物有氧呼吸所產(chǎn)生的能量并非完全以熱能形式散失,部分用于微生物生長(zhǎng)?，F(xiàn)假設(shè)微生物有氧呼吸產(chǎn)生的能量全部以熱能形式散失,并基于氧氣消耗速率隨時(shí)間變化曲線,繪制Q′S-all隨時(shí)間變化曲線,擬合QS-all隨時(shí)間變化曲線,明確玉米秸稈內(nèi)部微生物有氧呼吸產(chǎn)生的能量以熱能形式散失的比例,具體如圖8所示。其中,Q′S-all為QS-all的理論值。

圖8 不同含水量玉米秸稈樣品自加熱過(guò)程中Q′S-all與QS-all隨時(shí)間變化Fig.8 Q′S-all and QS-all respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

由圖8可以看出,理論和實(shí)際產(chǎn)熱曲線一致性比較好,證明微生物通過(guò)有氧呼吸產(chǎn)出能量為完全燃燒的部分能量,其余能量用于微生物生長(zhǎng)繁殖,或有機(jī)物未被完全分解。隨著樣品內(nèi)部含水量由20%增至95%時(shí),有氧呼吸產(chǎn)生熱量占完全燃燒釋放熱量的比例依次為1/8.2、1/7.7、1/7.2、1/6.7、1/6.3、1/6.5,即微生物有氧呼吸產(chǎn)生的能量以熱能形式散發(fā)的比例先增加后降低,并在含水量80%時(shí)達(dá)到最大比例。

2.3 玉米秸稈內(nèi)部微生物的代謝活性

水分對(duì)微生物有氧呼吸活動(dòng)至關(guān)重要,微生物有氧呼吸是在有機(jī)物表面以溶液形式發(fā)生,分解易降解的碳水化合物和水溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[23,42-44],同時(shí)產(chǎn)生CO2和水,并釋放熱量。這一過(guò)程中,含水量過(guò)低時(shí)[30],對(duì)微生物活動(dòng)起抑制作用;含水量過(guò)高時(shí),水膜會(huì)阻礙氧氣擴(kuò)散至樣品內(nèi)部,此外,還存在浸出作用,造成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失,二者都不利于微生物生長(zhǎng)[29-30];處于二者之間時(shí),隨含水量增加,微生物代謝活動(dòng)加強(qiáng)。

基于此,采用菌體生長(zhǎng)比速μ(h-1)表征微生物代謝活動(dòng)。菌體生長(zhǎng)比速是單位質(zhì)量細(xì)胞在單位時(shí)間內(nèi)增加的細(xì)胞質(zhì)量(式(16)),μ越大,生物生長(zhǎng)繁殖速度越快,自加熱反應(yīng)越明顯,定義式為式(17)。假設(shè)菌落數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)氧氣消耗速率呈正比,即式(18),k′為比例系數(shù)。倍增時(shí)間為式(19),并依據(jù)菌落數(shù)與倍增時(shí)間存在關(guān)系式為式(20)。玉米秸稈在試驗(yàn)箱內(nèi)儲(chǔ)存時(shí),其內(nèi)部微生物生長(zhǎng)比速隨時(shí)間、氧氣濃度變化如圖9所示。

圖9 不同含水量玉米秸稈樣品自加熱過(guò)程中內(nèi)部微生物平均生長(zhǎng)比速隨時(shí)間、氧氣濃度變化Fig.9 Average growth rate of microorganisms respect with time and oxygen concentration of corn straw during self-heating under different water contents

圖10 不同含水量玉米秸稈樣品堆積儲(chǔ)存7 d結(jié)果Fig.10 Results of corn straw samples stored for seven days under different water contents

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

式中,X為菌落數(shù),g/L;Xi為ti時(shí)刻的菌落數(shù),g/L;dx/dt為單位時(shí)間內(nèi)所增加的細(xì)胞質(zhì)量,g/(Lh);TD為倍增時(shí)間,即細(xì)胞質(zhì)量增加1倍所需要的時(shí)間,h。

由圖9可知,玉米秸稈在試驗(yàn)箱儲(chǔ)存過(guò)程中,隨時(shí)間推進(jìn),氧氣濃度逐漸降低,內(nèi)部微生物生長(zhǎng)比速下降。由圖9(a)可知,試驗(yàn)持續(xù)8 h左右時(shí)變?yōu)樨?fù)值,微生物群落數(shù)量開始減少。由圖9(b)可知,小麥秸稈中微生物群落數(shù)量在氧氣體積分?jǐn)?shù)降至7%～10%時(shí)停止生長(zhǎng)。樣品初始含水量增加可提高微生物生長(zhǎng)比速,但氧濃度降至一定程度時(shí),微生物生長(zhǎng)受到抑制,且前期微生物生長(zhǎng)越快,缺氧后樣品比生長(zhǎng)速率越低。推測(cè)出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是大量微生物厭氧呼吸產(chǎn)生的有害物質(zhì)抑制了微生物進(jìn)一步生長(zhǎng)。試驗(yàn)箱內(nèi)不同含水量的玉米秸稈堆積儲(chǔ)存7 d后的結(jié)果,可知其表面由菌絲覆蓋;含水量80%時(shí)菌絲生長(zhǎng)最充分。圖9、10分析結(jié)果與產(chǎn)熱分析結(jié)果一致,從菌落角度證明水分對(duì)微生物活動(dòng)的影響。

在儲(chǔ)存過(guò)程中,隨氧氣消耗,菌落平均生長(zhǎng)速度降低,氧氣消耗完全時(shí),有氧呼吸菌落的平均生長(zhǎng)周期結(jié)束。含水量低于臨界含水量時(shí)[30],導(dǎo)致大量微生物失活,菌落平均生長(zhǎng)速度較慢,生長(zhǎng)周期遠(yuǎn)高于高含水量的菌落;含水量在臨界含水量和適宜微生物生長(zhǎng)的最佳含水量之間時(shí),隨含水量增加,可供微生物利用的水溶性碳水化合物溶出量增加,微生物活動(dòng)呈指數(shù)增加,菌落平均生長(zhǎng)速度加快,周期縮短[29-30];含水量高于最佳含水量時(shí),由于水膜阻礙氧氣擴(kuò)散至樣品內(nèi)部,以及水的浸出作用抑制微生物活動(dòng)[29-30]。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)保溫試驗(yàn)定量分析了該裝置的保溫特性,確定系統(tǒng)散熱方程,并構(gòu)建了試驗(yàn)箱系統(tǒng)熱平衡方程。

2)玉米秸稈通過(guò)自加熱能達(dá)到的最高溫度和峰值產(chǎn)熱均隨其含水量增加先升高后降低,含水量50%時(shí)樣品內(nèi)部達(dá)最高溫度41.1 ℃,含水量80%時(shí)樣品內(nèi)部最高峰值產(chǎn)熱為157 J/(sm3)。

3)玉米秸稈峰值產(chǎn)熱量受含水量影響,含水量低于35%時(shí),峰值產(chǎn)熱量差異較小;含水量在35%～80%,峰值產(chǎn)熱量與含水量呈線性關(guān)系,每增加15%含水量,峰值產(chǎn)熱量平均增加33.43 J/(sm3);含水量超過(guò)80%時(shí),峰值產(chǎn)熱量下降。

4)玉米秸稈內(nèi)部微生物比生長(zhǎng)速率與氧氣消耗速率存在正比例關(guān)系,二者隨含水量增加均先升高后降低,含水量80%時(shí)氧氣消耗速率達(dá)到最高值0.056%/min,此時(shí)微生物代謝活性最強(qiáng)。