生物質(zhì)顆粒燃料理化特性研究

生物質(zhì)顆粒燃料理化特性研究摘要：以河北黃驊地區(qū)特有的多種生物質(zhì)為原料，制成生物質(zhì)顆粒，按照國(guó)標(biāo)的要求，分析了不同生物質(zhì)顆粒的密度、機(jī)械強(qiáng)度、含水量、燃燒熱值、揮發(fā)分含量、灰分含量、灰分成分等特性指標(biāo)；測(cè)定結(jié)果表明：生物質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量0.50~0.71，揮發(fā)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(nóng)產(chǎn)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(jié)渣現(xiàn)象；蘆葦?shù)纫吧参餆嶂递^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。引言生物質(zhì)顆粒燃料由于具有原料廉價(jià)、來(lái)源廣泛、可再生等突出優(yōu)點(diǎn)，受到廣大研究者的關(guān)注，并得到政府的大力支持。胡謝利等在文獻(xiàn)中報(bào)道了生物質(zhì)燃料制備技術(shù)的研究進(jìn)展，中國(guó)《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中明確規(guī)定繼續(xù)支持生物質(zhì)顆粒燃料的發(fā)展?，F(xiàn)有關(guān)于生物質(zhì)顆粒燃料的文獻(xiàn)報(bào)道都是以地區(qū)性很強(qiáng)的部分生物質(zhì)為研究方向，研究結(jié)果的應(yīng)用范圍存在地區(qū)特性，如煙桿、甘蔗渣等，僅適用于南方產(chǎn)煙、產(chǎn)糖地區(qū)。雖然我國(guó)生物質(zhì)資源很豐富，但種類繁多，性質(zhì)各異，分布不均，研究成果很難在全國(guó)范圍內(nèi)推廣，因此，關(guān)于生物質(zhì)顆粒燃料的研究，只能以地區(qū)為特色，任重而道遠(yuǎn)。河北省滄州黃驊地區(qū)，地處沿海，生物質(zhì)資源很豐富，但針對(duì)該地區(qū)特有生物質(zhì)的研究還未見(jiàn)報(bào)道。在這樣的背景下，從事生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)的黃驊市三豐生物能源有限公司提出與高校合作，開(kāi)展針對(duì)性的研究。通過(guò)采用河北滄州黃驊地區(qū)常見(jiàn)的木器加工下腳料（黃花松、樟子松等）、農(nóng)產(chǎn)品加工下腳料（棗核、栗子殼等）、農(nóng)作物秸稈（玉米秸稈、玉米芯等）、野生植物秸稈（紅荊條、蘆葦?shù)龋┒喾N生物質(zhì)為原料，制成生物質(zhì)顆粒燃料，考察了其多種理化特性，為滄州地區(qū)生物質(zhì)能源的合理利用提供了科學(xué)的依據(jù)。1實(shí)驗(yàn)部分1.1實(shí)驗(yàn)過(guò)程1.1.1生物質(zhì)顆粒的制備過(guò)程主要制備設(shè)備及儀器：粉碎機(jī)，制粒機(jī)，均由黃驊市三豐生物能源有限公司提供。主要制備過(guò)程：將多種生物質(zhì)原料分別進(jìn)行暴曬干燥，用粉碎機(jī)將原料粉碎至顆粒最大尺寸長(zhǎng)度<1cm，將粉碎后的物料加入制粒機(jī)的料倉(cāng)，制備圓柱形生物質(zhì)顆粒。控制顆粒直徑為0.8cm，調(diào)整顆粒長(zhǎng)度約為2cm。1.1.2生物質(zhì)顆粒燃料理化性質(zhì)的測(cè)定主要設(shè)備及儀器：MKM-2000B型密封焦炭轉(zhuǎn)股試驗(yàn)機(jī)，鶴壁市力達(dá)儀器有限公司；LDRL-3000C型熱值儀，鶴壁市力達(dá)儀器有限公司。（1）密度的測(cè)定。先將生物質(zhì)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(méi)后，記錄水面上漲體積V。生物質(zhì)顆粒的密度按式（1）計(jì)算：（2）機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)定。用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)，按國(guó)標(biāo)GB/T2006-1994《冶金焦炭機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)定方法》測(cè)定。計(jì)算破碎率，用來(lái)表示生物質(zhì)顆粒的抗碎和耐磨強(qiáng)度。（3）含水量的測(cè)定。全水分析含水量及內(nèi)水分析含水量均用熱值儀測(cè)定。（4）燃燒熱值的測(cè)定。采用熱值儀，按照國(guó)標(biāo)GB213-2008《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》測(cè)定。干基熱值用以下數(shù)據(jù)折算：（5）揮發(fā)分含量的測(cè)定。參照德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)EN15148-2009、DINEN15148-2010《固體生物燃料·揮發(fā)分含量的測(cè)定》，將重量為m1的生物質(zhì)顆粒放入坩堝中，加入少量水（以便在揮發(fā)階段驅(qū)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(fā)分，自然冷卻至室溫，稱量剩余固體的重量m2，揮發(fā)分含量h按下式計(jì)算：（6）灰分含量的測(cè)定。將重量為m1的生物質(zhì)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?；曳趾縣2按下式計(jì)算：（7）灰分成分的測(cè)定。采用發(fā)光光譜法測(cè)定灰分中元素的含量，測(cè)定結(jié)果用豐度表示（原子個(gè)數(shù)的比例）。1.2結(jié)果與討論1.2.1各種生物質(zhì)顆粒的物理性能測(cè)定了8種生物質(zhì)顆粒燃料的密度、機(jī)械強(qiáng)度、水分含量等物理性能見(jiàn)表1。由表1可知，8種生物質(zhì)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(cè)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(jī)械強(qiáng)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(huán)境的影響，因此，在計(jì)算燃燒熱值時(shí)，扣除了含水量的影響，折合成干基熱值，更有可比性；內(nèi)水分析含水量比較接近。1.2.2各種生物質(zhì)顆粒的燃燒性能測(cè)定了8種生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒熱值、揮發(fā)分含量、灰分含量等燃燒性能，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，8種生物質(zhì)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(fā)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(zhì)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(nóng)作物加工下腳料的灰分含量較高，紅荊條、蘆葦?shù)幕曳趾亢芨?。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(fēng)機(jī)輕松吸走；農(nóng)產(chǎn)品下腳料的灰分較團(tuán)聚，但容易打散，有輕微結(jié)渣現(xiàn)象；野生植物蘆葦?shù)幕曳謭F(tuán)聚嚴(yán)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(fā)光光譜法測(cè)定其中元素含量，結(jié)果見(jiàn)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(yáng)離子總數(shù)的29%；其他堿性陽(yáng)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(yáng)離子（Na、K）含量高，約占已檢出陽(yáng)離子總數(shù)的60%以上。因堿金屬的熔點(diǎn)低，所以在燃燒時(shí)易熔融，有部分結(jié)渣現(xiàn)象。蘆葦?shù)幕曳种饕匝趸?、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(cè)為硅酸鹽含量高，因?yàn)樘J葦?shù)纳L(zhǎng)環(huán)境為鹽堿地，塵土多，相對(duì)于其他原料單位重量的蘆葦，與環(huán)境接觸的表面積大，吸附塵土的能力強(qiáng)，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?yàn)樘J葦生長(zhǎng)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(diǎn)低，在燃燒時(shí)易熔融，2種因素結(jié)合在一起，蘆葦燃燒的結(jié)渣現(xiàn)象嚴(yán)重，形成大量琉璃珠狀灰渣，并粘結(jié)在一起，甚至堵塞流化爐的進(jìn)風(fēng)口，應(yīng)通過(guò)改進(jìn)爐具結(jié)構(gòu)等方法解決。2結(jié)語(yǔ)選用8種代表性的原料制成生物質(zhì)顆粒，經(jīng)測(cè)定其理化性能及燃燒特性，得出如下結(jié)論：（1）生物質(zhì)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(zhì)顆粒，密度較大，玉米芯、紅荊條、蘆葦制成的生物質(zhì)顆粒密度較??；密度大的生物質(zhì)顆粒，具有較低的破碎率，機(jī)械強(qiáng)度較高。（2）干基生物質(zhì)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(fā)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(guò)測(cè)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(nóng)產(chǎn)品下腳料灰中，鉀、鈉等堿金屬含量高，因堿金屬鹽類的熔點(diǎn)低，所以灰分存在部分結(jié)渣現(xiàn)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(jié)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(xiàn)：[1]胡謝利，云斯寧，尚建麗.生物質(zhì)燃料壓縮成型技術(shù)研究進(jìn)展[J].化工新型材料，2016，44（9）：42-44.[2]GB/T2006-1994.冶金焦炭機(jī)械強(qiáng)度的測(cè)定方法[S].[3]GB213-2008.煤的發(fā)熱量測(cè)定方法[S].[4]蔣正武.生物質(zhì)燃料的燃燒過(guò)程及其焚燒灰特性研究[J].材料導(dǎo)報(bào)，2010，24（2）：66-68，81.[5]張學(xué)敏，張永亮，姚宗路，等.不同進(jìn)料方式燃燒器對(duì)生物質(zhì)燃料顆粒物排放特性的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（12）：200-207.[6]茍文濤，王曉劍，鐘俊周，等.不同配方生物質(zhì)燃料物理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