關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；燃燒；發(fā)電；檸條；平茬周期
0引 言
檸條（Caragana intermedia intermedia）屬豆科錦雞兒屬。這種沙生灌木具有“平茬復(fù)壯”的生物習(xí)性（齊根砍下，再切成七八十厘米就成了新苗�？尺^(guò)的灌木來(lái)年新生。3a成材，越砍越旺。如果不砍掉長(zhǎng)成的枝干，則生長(zhǎng)緩慢，不到7a，就會(huì)成為枯枝）。檸條枝條含有油脂，熱值在18.83 kJ，污染性低，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的硫氧化物極低(0.05%)，二氧化碳的凈排放量為負(fù)值，即生長(zhǎng)中吸收的二氧化碳量大于燃燒后排放的量，有效減少了二氧化碳排放，因而可發(fā)展成每3 a砍1次的“綠色煤田”。國(guó)家《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》已確定中國(guó)到2020年，生物質(zhì)發(fā)電任務(wù)實(shí)現(xiàn)裝機(jī)容量3 000萬(wàn)kW的總目標(biāo)，其中，以林木生物質(zhì)物資源為燃料的生物質(zhì)直燃發(fā)電總裝機(jī)為1 000萬(wàn)kWc5]。對(duì)此，國(guó)家林業(yè)局于2006年開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)施“林電一體化”工程，主要是結(jié)合林業(yè)灌木林平茬復(fù)壯經(jīng)營(yíng)措施，將灌木平茬剩余物作為燃料發(fā)電，該項(xiàng)工程已成為促進(jìn)林業(yè)發(fā)展和增加綠色電力的重要途徑多學(xué)者都只對(duì)農(nóng)林廢棄物及加工殘余物熱重進(jìn)行了分析研究，如秸稈、稻殼、甘蔗渣等7-131的熱重研究，而本文是對(duì)寧夏檸條的熱解過(guò)程進(jìn)行研究。熱解動(dòng)力學(xué)是表征熱解過(guò)程參數(shù)對(duì)原料轉(zhuǎn)化率影響的重要手段[14]，利用該手段，可深入了解反應(yīng)過(guò)程和機(jī)理，預(yù)測(cè)反應(yīng)速率及難易程度，既為生物質(zhì)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化工藝的研究開(kāi)發(fā)提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也為檸條類生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)與利用提供更好、更合理高效的途徑。
中國(guó)北方利用檸條、沙柳、荊條、紫穗槐等灌木平茬資源作為發(fā)電燃料的生產(chǎn)過(guò)程中，普遍實(shí)行的是在灌木生長(zhǎng)4a后，在冬季平茬1次，然后半封閉儲(chǔ)存全年供應(yīng)電廠。該生產(chǎn)過(guò)程，在沒(méi)有掌握灌木資源在不同林齡期、不同時(shí)節(jié)的熱值差異和燃燒后的灰分變化的情況下，盲目平茬利用。沒(méi)有在灌木枝條熱值最高林齡期、或灌木枝條堿金屬內(nèi)含物含量最低的時(shí)期收割利用，實(shí)際上既浪費(fèi)資源、又不能減少燃料堿金屬對(duì)鍋爐的腐蝕，更無(wú)法做到高質(zhì)、高效利用和節(jié)約資源、降低成本利用目標(biāo)。寧夏具有豐富的農(nóng)林資源，以鹽池縣為例全縣年可產(chǎn)農(nóng)林剩余物43 t，農(nóng)業(yè)秸稈8萬(wàn)t以上，各種林木剩余物資源約35萬(wàn)t，其中灌木林平茬復(fù)壯措施年可獲得灌木平茬物為24.8萬(wàn)t，占農(nóng)林資源的58%左右。大部分秸稈可作為畜牧飼料，少量的檸條作為家用，而大量檸條未被利用。本文針對(duì)寧夏地區(qū)生長(zhǎng)的檸條進(jìn)行了不同林齡期、不同季節(jié)時(shí)的熱值差異和燃燒后的灰分變化的研究，確定了最佳收割林齡期和季節(jié)，為寧夏檸條利用奠定了基礎(chǔ)。
1研究方法
1.1生長(zhǎng)指標(biāo)
分別取平茬后生長(zhǎng)1～5 a和未平茬檸條進(jìn)行生長(zhǎng)指標(biāo)研究，包括株高，地徑和分支數(shù)，每種處理調(diào)查150～170叢。
1.2工業(yè)分析
檸條工業(yè)分析按照《固體生物質(zhì)燃料工業(yè)分析方法》(GB/T 28731-2012)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定。
1.2.1水分測(cè)定
稱取一定量生物質(zhì)顆粒至于(105+2)℃干燥箱中在干燥的氮?dú)饬髦懈稍?h，直至質(zhì)量恒定。
1.2.2揮發(fā)分測(cè)定
稱取生物質(zhì)固體燃料(I士O.I)g，至于瓷坩堝中，將瓷坩堝放到坩堝架上，并迅速至于已升溫到900℃左右加熱爐中，關(guān)閉加熱爐門(mén)精確加熱7 min后，取下，冷卻稱其質(zhì)量。
1.2.3灰分測(cè)定
稱取生物質(zhì)固體燃料（1+0.1)g,其均勻平攤與灰皿中，放置加熱爐，先升溫至250℃左右，保持60 min，然后升溫至(550+10)℃，并灼燒2h，冷卻后稱其質(zhì)量。
1.3含硫量
檸條全硫按照《固體生物質(zhì)燃料全硫定方法》
1.4熱值測(cè)定
檸條發(fā)熱量按照《固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測(cè)定方法》
1.5動(dòng)力學(xué)方法
稱取5～15 mg樣品，于耐熱坩堝內(nèi)，測(cè)試溫度范圍為20～800℃，升溫速率為10℃/min，通入空氣，流量：60 mL/min。
2試驗(yàn)
2.1試驗(yàn)儀器
熱重分析美國(guó)TA儀器公司SDT Q600進(jìn)行表征測(cè)試。
2.2試驗(yàn)樣品處理
本試驗(yàn)利用寧夏鹽池檸條為測(cè)試樣品，齊根砍下檸條，自然晾干30d，用微型植物粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，然后篩分出0.08～0.10 mm的顆粒待用。此外，采用寧夏棋盤(pán)井產(chǎn)煙煤作為對(duì)照試驗(yàn)，采用球磨機(jī)將煙煤粉碎，篩分出0.08～0.10 mm的顆粒待用。
3結(jié)果與討論
3.1 不同平茬周期下檸條生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)比
如表1所示，檸條林平茬后復(fù)壯效果顯著。平茬la后，檸條優(yōu)勢(shì)枝株高和地徑分別達(dá)到1.32 m和0.7 cm，是對(duì)照未平茬檸條的85.71%和54.61%。優(yōu)勢(shì)株高和地徑均于平茬后第3年達(dá)到對(duì)照水平，分別為1.68 m和1.35 cm;
從單叢分枝數(shù)來(lái)看，平茬后第1年萌生枝條高達(dá)45枝／叢，是對(duì)照的3.46倍。雖然平茬1～5 a由于競(jìng)爭(zhēng)單叢分枝數(shù)逐漸在極顯著減少，但到第5年時(shí)仍保留25枝／叢．超過(guò)對(duì)照1.67倍。檸條林的生長(zhǎng)勢(shì)表明，平茬是檸條復(fù)壯極為有效的措施。平茬后1—5a地徑的生長(zhǎng)規(guī)律和優(yōu)勢(shì)枝株高基本一致，二者均呈增長(zhǎng)趨勢(shì)且各年度間差異為極顯著(P<0.01)。S a生優(yōu)勢(shì)枝株高為1.72m，地徑為1.50 cm，比la生分別提高了1.30和1.97倍。從單叢分枝數(shù)來(lái)看，由于競(jìng)爭(zhēng)在逐年下降，到第5年時(shí)較第1年生下降了近1倍。茬后1～2 a的林分株高和地徑小于對(duì)照，而生長(zhǎng)3～5a后與對(duì)照差異不顯著(P<0.05)。平茬后l—5 a單叢分枝數(shù)在逐漸下降，但第5年時(shí)分支數(shù)仍大于對(duì)照。
3.2檸條工業(yè)分析、元素分析和熱值分析
生物質(zhì)工業(yè)分析，元素分析和熱值分析是評(píng)價(jià)其作為熱發(fā)電燃料一項(xiàng)重要指標(biāo)。表2為不同年生檸條的工業(yè)分析、全硫分析和低位發(fā)熱量數(shù)據(jù)。收割的檸條自然晾干，讓其自然脫水，從表2可以看出不同年生檸條水分基本保持不變，維持在3%～4%。檸條中灰分含量較少，且含量隨年份增長(zhǎng)不斷增加，這是由于檸條中無(wú)機(jī)物質(zhì)在生物質(zhì)體內(nèi)不斷累積造成的；檸條林齡到第3年時(shí)灰分增加呈緩慢趨勢(shì)，這是由于檸條逐漸生長(zhǎng)成熟，體內(nèi)無(wú)機(jī)物質(zhì)累計(jì)較慢，燃料所含灰分越少對(duì)環(huán)境造成的污染越小，并且灰分會(huì)附著在鍋爐外表面．影響鍋爐的熱傳導(dǎo)和安全性。檸條的揮發(fā)分隨林齡的增長(zhǎng)不斷增加，但增加趨勢(shì)緩慢。從全硫數(shù)據(jù)來(lái)看，檸條全硫含量較低，為普通煙煤的1/10，且隨林齡的增長(zhǎng)不斷減小，但3a以后檸條全硫含量變化很小。檸條的低位熱值能直接體現(xiàn)出作為燃料的利用價(jià)值，從表中可以看出，檸條低位熱值隨著林齡增長(zhǎng)，熱值不斷增加，且到第3年增加緩慢，第3年到第5年的熱值維持在19 500 kj/kg，為標(biāo)煤(29308 kj/kg)的66.5%。從低位發(fā)熱值來(lái)看3a生檸條適宜作為生物質(zhì)燃料。從灰分、揮發(fā)分、全硫含量和低位發(fā)熱值來(lái)看，3a生檸條適宜做生物質(zhì)燃料。
表3為3a生不同月份收割的檸條工業(yè)分析、全硫和低位熱值。檸條收割下來(lái)自然晾干，各個(gè)月份的含水量基本保持不變。從2月開(kāi)始，檸條灰分逐漸增多，且在4-8月增長(zhǎng)最快，但到10月份以后開(kāi)始下降，結(jié)果與檸條生長(zhǎng)情況相吻合。檸條揮發(fā)分從2月開(kāi)始逐漸增加，到6月份含水量最大，隨后逐漸下降。檸條全硫含量的測(cè)定可以看出，檸條在10-12月硫含量最低。檸條低位熱值從2月開(kāi)始不斷升高，8月份之前升高較快，10-12月升高變緩，但差別不大。從灰分、揮發(fā)分、全硫含量和低位熱值綜合分析，10-12月是檸條收割的最佳時(shí)期。此期間，檸條灰分較少，有利于鍋爐的熱利用，并且排放的粉塵較少，對(duì)環(huán)境危害較��；全硫含量處于全年最低值，較低的硫含量對(duì)環(huán)境危害較小，低位熱值處于全年最高，而較高的放熱量，能節(jié)約一定量的檸條量、降低單耗，更有利于檸條作為生物質(zhì)燃料。
從圖2中可以看出，寧夏鹽池檸條失重主要在3個(gè)溫度范圍。第1個(gè)溫度范圍是100℃以內(nèi)，主要脫出的是，條中所含自由水，為水分蒸發(fā)特征。第2個(gè)溫度范圍是在250～330℃，主要失質(zhì)量是檸條中存在大量羧基，羥基等官能團(tuán)脫水縮合和小分子物質(zhì)與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)造成的，且在這個(gè)溫度范圍內(nèi)檸條的失質(zhì)量率最大。第3個(gè)溫度范圍是330～480℃，主要失質(zhì)量是生物質(zhì)中大分子化合物與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)。
5種不同林齡生的檸條在500℃以后失質(zhì)量率趨于平衡，并且5種熱重曲線線型基本一致，但是從最后情況來(lái)看，la生檸條質(zhì)量損失最大，約為99.0%，這是因?yàn)樾鲁砷L(zhǎng)的生物質(zhì)無(wú)機(jī)元素累計(jì)較少，大部分主要為有機(jī)物。2a和3生質(zhì)量損失率基本一致，為95.4%，但是4a生和Sa生生物質(zhì)失質(zhì)量率有所減少，分別為92.1%和91.1%從熱重分析來(lái)看，la生生物質(zhì)失質(zhì)量最多，但3a生與其相差不大，綜合考慮3a生最適宜做燃料發(fā)電。這與生物質(zhì)工業(yè)分析結(jié)果趨勢(shì)相一致。
此外，對(duì)3a生生物質(zhì)，寧夏某褐煤和寧夏某煙煤做了熱重測(cè)試。從圖3中可以看出，煙煤和褐煤在350℃才開(kāi)始分解，這是因?yàn)槊褐兴瑩]發(fā)分較少，從350℃開(kāi)始，煤中化合物與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，并開(kāi)始失質(zhì)量，且質(zhì)量快速下降。煙煤質(zhì)量損失率最低為52.1%，褐煤為82.4%，生物質(zhì)為95.4%。可見(jiàn)煤的灰分較高，增加對(duì)環(huán)境的壓力，而檸條的灰分遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于煤粉，對(duì)環(huán)境危害較小，這就說(shuō)明生物質(zhì)部分替代煤作為發(fā)電燃料具有很高的環(huán)保和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
4結(jié)論與討論
本文對(duì)寧夏鹽池檸條生長(zhǎng)特性，工業(yè)分析，硫含量分析，熱值和熱重分析進(jìn)行了系統(tǒng)研究，綜合考慮，平茬期為3a且10-12月生的檸條各項(xiàng)特性最為適合。此外，從多方面研究了寧夏檸條的各項(xiàng)特征，為其作為生物質(zhì)燃料提了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，指明了清晰思路。
采用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和積分法計(jì)算檸條動(dòng)力學(xué)參數(shù)，與試驗(yàn)計(jì)算的相關(guān)系數(shù)在0.9以上，說(shuō)明一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型是可行的。用一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型和積分法計(jì)算得到的檸條動(dòng)力學(xué)參數(shù)表明：生物質(zhì)的活化能相對(duì)較低，在10℃/min的升溫速率下，試樣在揮發(fā)分逸出與燃燒階段的活化能為2.31～2.77 kj/mol，在固定碳燃燒階段的活化能為35.26—40.45 kVmol。
寧夏鹽池檸條作為寧夏地區(qū)特有植物，具有高熱值，低灰分，較快的生長(zhǎng)速率和特定的平茬復(fù)壯特征，可部分替代煤作為熱電廠發(fā)電燃料，對(duì)可吸入顆粒物的排放有一定改善作用，可提高寧夏地區(qū)生態(tài)環(huán)境，并提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明富通新能源www.ac12313.com
