鉅大LARGE | 點擊量:1721次 | 2019年09月02日
儲存方式對生物質燃料玉米秸稈儲存特性的影響
田宜水1,2,徐亞云1,2,3,侯書林3,趙立欣1,2,姚宗路1,2,孟海波1,2
(1.農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所,北京100125;2.農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室,北京100125;3.中國農業大學工學院,北京100083)
摘要:為了解不同儲存方式對農作物秸稈理化特性變化規律的影響,該文針對整株、打捆、粉碎3種預處理方式、且分別儲存在露天、覆蓋、密封條件下的秸稈進行為期5個月的試驗研究。結果表明,粉碎秸稈的全水分、灰分較高,分別比整株與打捆秸稈高出約3.46%、3.83%與5.95%、4.62%;但揮發分較整株、打捆秸稈分別低5.81%、4.47%;密封儲存全水分、灰分較露天、覆蓋儲存高,揮發分較露天、覆蓋儲存低。秸稈儲存期間,溫度平均值變化不明顯,極差僅在3.24~3.71℃之間,溫度最高值可達50℃左右,故應保持良好的通風。發熱量與全水分呈負相關變化,與整株和打捆秸稈相比,粉碎秸稈發熱量下降約1000kJ/kg左右。秸稈長期儲存時,應優先選擇整株或打捆秸稈,露天和覆蓋儲存則需要進一步研究。
0引言
農作物秸稈是一種具有多用途的可再生生物資源,每噸干物質秸稈的熱值相當于0.5t標準煤,其S含量卻遠低于煤,是一種清潔、可再生能源,具有廣闊的發展前景。根據統計,2013年全國秸稈理論可收集資源量為8.3億t,綜合利用率達77.1%,尚有1.9億t未得到有效利用[1-5]。
由于農業生產間斷性與工業連續性存在一定的矛盾,如何安全儲存秸稈是其規模化利用的關鍵問題。劉建輝等[3]對水稻、小麥、玉米、油菜和棉花5種秸稈在遮雨通風條件下試驗分析,得出其性能參數的變化規律。謝祖琪等[4]對小麥秸稈進行儲存研究,結果表明,儲存前后的芯部溫度均在安全范圍內,絕干熱值無明顯變化。張中波等[5]對玉米和木質顆粒成型燃料在露天、半封閉、袋裝條件下試驗研究,得出了顆粒燃料全水分、顆粒密度和機械耐久性等理化特性的長期儲存數據。WilliamASmith等[6]對玉米秸稈和高粱進行全水分和干物質損失的測試分析,得出合適的堆垛形狀、方向和儲存方式能夠有效保持原料水分和干物質的結論。KevinLKenney等[7]對生物質原料的灰分、碳水化合物、水分等進行分析討論,為提高原料質量、減少可變性提供了依據和方法。上述研究雖然對秸稈的儲存和理化特性進行了初步研究,但是對玉米秸稈在不同預處理、不同儲存方式的研究較少,缺少秸稈安全儲存的試驗數據。
本文通過采取3種不同的儲存方式(露天、覆蓋、密封),針對整株、打捆、粉碎等預處理方式的玉米秸稈進行長期儲存試驗,每月中旬取樣并測量全水分、熱值、灰分等理化特性,分析各指標的變化規律,以及不同預處理和儲存方式對秸稈自身特性的影響,以期為秸稈的安全儲存提供理論依據和基礎數據。
1材料與方法
1.1試驗材料
選取山東省肥城市2013年秋季所產玉米秸稈。
1.2試驗設備
本試驗儀器主要包括:KZR70A型溫度記錄儀和Pt100溫度傳感器(北京昆侖中大工控技術發展有限公司),測試精度為±0.2%F.S;RT-34靜音碾磨式粉碎機(北京環亞天元機械技術有限公司);XL-1箱型高溫爐(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司);101-3A電熱鼓風干燥箱(鶴壁市華維科力煤質儀器有限公司);ZDHW-5型微機全自動量熱儀(河南省鶴壁市天弘儀器有限公司)。
1.3試驗方法
1.3.1試驗時間
中國華北平原地區,玉米秸稈普遍11月份開始收集,然后進行儲存,次年5、6月份小麥秸稈可收集、儲存并利用。玉米秸稈收集后,初始全水分含量很高,需一段時間風干處理,因此試驗時間為2014年1月份至5月份。
1.3.2存儲方式的選擇
試驗地點為山東省肥城市王莊鎮,試驗環境為室外。把所選試驗原料分為整株、打捆、粉碎3種形式,分別在露天(自然環境下直接儲存)、覆蓋(防水布遮住頂部)、密封(先塑料包裹,再用防水布全部遮蓋)條件下儲存,儲存地面為未經過處理的土地。
整株秸稈:選用3組約1t經風干后的整株玉米秸稈進行堆垛,長、寬、高尺寸約為:2400mm×2300mm×2160mm。
打捆秸稈:選擇3組約2.5t經HB3060型打捆機處理的玉米秸稈捆進行堆垛,長、寬、高尺寸約為:2400mm×2300mm×2160mm。選取600mm×460mm×360mm的秸稈捆120捆,每層20捆,共堆積6層。
粉碎秸稈:選擇3組約1.5t經9ZR-14型鍘揉機處理的粉碎玉米秸稈進行堆垛,半徑、高度約為:1500mm×2000mm。
1.3.3試驗方法
全水分:整株和粉碎秸稈,由上而下分3層取樣;打捆秸稈則分4層取樣。樣品制備完成后,按照NY/T1881.2-2010進行測試。
工業分析、發熱量:取樣后,使用密封袋保存并進行編號,按照《NY/T1881.1-2010~1881.8-2010生物質固體成型燃料試驗方法》制樣和測試。
溫度:整株秸稈分3層,每層安裝3個Pt100溫度傳感器;打捆秸稈分4層,每層安裝3個傳感器;粉碎秸稈分3層,頂層安裝一個傳感器,中間和底層分別安裝3個傳感器。具體安裝位置見圖1。
2試驗結果與分析
山東省肥城市屬暖溫帶溫潤性季風氣候,冬季寒冷少雪,春季較干多風,全年平均氣溫13℃,年平均降水量700~800mm,風向一般為東南風。為分析環境溫度和濕度對試驗的影響,從2014年1月開始每8h記錄1次空氣溫濕度,每天記錄3組數據,儲存期間月環境平均溫濕度數值見圖2,其中1月7日、31日小雨;2月5日、16日、17日、26日雨夾雪;3月11日、18日號小雨;4月15日、18日、20日小雨,25日中雨;5月10日中大雨。環境溫度總體呈上升趨勢,僅2月份因降雪平均溫度最低為0,5月份上升到20℃;環境濕度與降雨有關,一般在45%~65%之間,3月份進入春季,因季節變化平均濕度最低達46%。
2.1表觀觀察
秸稈長期儲存時,表面顏色均逐漸變深,說明秸稈表層可能發生氧化,整株和粉碎秸稈料堆逐漸變矮,有坍塌趨勢。整株和打捆狀態下,露天、覆蓋儲存的秸稈相對干燥,密封則較潮濕;粉碎秸稈露天儲存10d左右時,出現白煙,表明秸稈此時自身生理作用強,產生的水蒸氣遇冷空氣后冷凝。粉碎狀態下,密封秸稈外部最潮濕,腐爛現象嚴重。
2.2全水分變化分析
圖3為3種預處理(整株、打捆、粉碎)秸稈分別以露天、覆蓋、密封形式儲存時整垛全水分的變化規律。從整體來看,存儲方式比預處理對全水分影響更為顯著。同一預處理方式時,密封儲存時玉米秸稈全水分變動幅度最大,以整株秸稈為例,密封條件下儲存,玉米秸稈全水分標準差達9.024%,分別比露天和覆蓋條件高4.7%和2%;同一儲存方式時,粉碎秸稈變化最大,以露天儲存為例,儲存期間,粉碎秸稈全水分標準差達6.839%,比整株和打捆秸稈高2.5%和1.6%,具體統計數據見表1。
農作物秸稈成型過程中,玉米秸稈的最佳成型水分為15%[8]。由表1知:整株狀態下,秸稈露天儲存時,全水分平均值為14.5%,臨近最佳成型水分,其次為露天和密封儲存。打捆狀態下,同上,露天儲存時秸稈最利于成型,密封儲存因全水分含量較高,不便作為成型燃料使用。粉碎狀態下,覆蓋秸稈全水分含量為16.8%,較易于成型,而露天和密封儲存全水分含量均高出5%左右,不利于成型。因此,玉米秸稈作為成型燃料使用時,應該選擇整株或者打捆狀態,并在露天條件下儲存。
在露天條件下,玉米秸稈料堆(除底部外)與外部環境完全接觸,降雨(雪)將直接落到料堆頂部并滲透至料堆中,受環境影響最大。整體上,整株、打捆、粉碎秸稈全水分隨溫度、濕度上升而呈上升趨勢。整株和打捆秸稈全水分分別從初始的11.73%和12.08%,增加至5月份最高點,為21.12%和26.95%;3月份時整株秸稈全水分最低,為9.74%,原因在于3月份空氣較為干燥,相對濕度為46%;打捆秸稈變化則不明顯,說明打捆秸稈較為密實,水分擴散速率較慢。粉碎秸稈全水分整體偏高,最高達30.86%,與其他相比明顯存在滯后性,原因在于秸稈粉碎后,比表面積增加,且破壞了其表皮覆蓋的蠟質層結構,吸水性較好。
在覆蓋條件下,玉米秸稈料堆(除頂部、底部外)與外部環境完全接觸,受環境影響較大。另外,受防雨布遮擋,降雨(雪)無法滲透,可能形成局部積水現象。整體上,整株和打捆秸稈全水分基本相同,與環境濕度變化一致,3月份時最低,分別為10.89%和11.04%,4月份比2月份全水分含量分別降低了3.7%和2%,可能因為達到平衡含水率后,溫度越高,分子活性越大,全水分降低。粉碎秸稈全水分最高,3月份達到峰值28.06%,原因可能是秸稈表層遭到破壞后,2月末吸收大量水分,散失較慢。
在密封條件下,玉米秸稈料堆幾乎與外界隔離,受環境影響最小,另外,受密封布遮擋,降雨(雪)無法滲透,會導致秸稈自身產生的水分無法順利排出。整體上,三者處理方式秸稈全水分變化一致,分別從初始的11.73%、12.08%和8.62%,增加至3月份最高點,即32.76%、23.49%和33.52%,最后下降到5月份的11.08%、11.36%和19.62%。變化趨勢與其他儲存方式相比,存在明顯的滯后性,其中,整株和粉碎秸稈因密度小,全水分較高,打捆秸稈則偏低。
由以上分析可知,粉碎秸稈全水分含量高且變化幅度較大,本文以粉碎秸稈為例,分析每層全水分的變化規律,如圖4。
露天儲存時,第1層受環境影響最明顯,4月份時全水分最低為12.28%。第2層受環境影響較小,全水分處于第1、3層之間,從初始含水率8.62%上升至2月份的24.5%后,幾乎不再發生變化。第3層全水分從初始8.62%升高到3月份的29.44%后,一直保持在25%以上,原因可能是受到地表溫度、水分的影響。覆蓋儲存時,秸稈堆只有側面接觸環境,第1層3月份后全水分持續降低,可能受覆蓋影響,外界降水無法滲入。第2、3層全水分變化與環境濕度相比,略有滯后,可能因為秸稈組織受到破碎后,散失水分較慢導致。密封儲存時,3層秸稈全水分變化趨勢基本一致。其中,第1層含量最高,因為密封后,蒸發水分,可能停留在密封布下表面。
2.3溫度變化分析
圖5為整株、打捆、粉碎秸稈分別在露天、覆蓋、密封條件下儲存時的日平均溫度變化情況。整體略高于環境溫度,變化規律與環境溫度基本保持一致。其中,僅在第25天時低于環境溫度,可能是因為季節變化或者全水分較低導致。說明秸稈長期儲存時,溫度隨時間變化規律主要受外界環境影響。
整株狀態下,露天儲存時秸稈溫度變化最小,標準差為3.498%,覆蓋、密封儲存秸稈略高,分別為3.573%和3.646%。其中,密封秸稈溫度平均值最高,且在測試最后1天達到峰值,為26.68℃,高出環境溫度5℃左右,可能因為氣候變暖,太陽輻射增強,自身理化作用釋放能量。打捆狀態下,玉米秸稈以露天、覆蓋、密封形式儲存時,溫度變化最相近,標準差分別為3.536%、3.364%和3.337%。同整株狀態,密封秸稈仍在測試最后1天日平均溫度最高,達24.80℃,略高于環境溫度,略低于上述整株狀態。粉碎狀態下,露天儲存秸稈溫度變化最大,標準差為3.71%,覆蓋和密封儲存較小,標準差分別為3.43%、3.24%。相比整株和打捆狀態,密封秸稈溫度平均值仍為3種儲存方式中最高,但在第20天達到最高為23.88℃。
為研究24h內秸稈垛芯部溫度變化情況,選擇整株秸稈進行分析討論(圖6),試驗當天環境溫度在16~30℃之間,由于太陽直射關系,環境溫度一般在早上8:00左右上升,晚上8:00左右下降。3種儲存方式的全水分平均值分別為13.12%、11.46%和11.08%。
露天儲存時,秸稈料堆與外部環境完全接觸,受環境溫度影響最大。0~8h幾乎維持平衡,溫度變化曲線在露天和密封儲存曲線之間,8~12h從19.9℃增加至34.5℃后無明顯變化,然后在20h左右下降到28℃。可以知道,整體變化趨勢與環境溫度變化相同,只是數值略有升高,原因可能是經太陽直射后,外界熱量傳入秸稈垛。
覆蓋儲存時,由于遮雨布遮蓋,受環境溫度影響較小。與另外2種方式比較,溫度曲線在1~8h最高,8~15h從20.4℃緩慢增加至27.6℃后無明顯變化,最后在20h左右下降到24.8℃。試驗期間,溫度變化最小,且最接近環境溫度。原因可能是覆蓋秸稈密度大、受太陽直射影響小,內、外部溫度達到平衡。
密封儲存時,由于密封布影響,溫度變化與環境溫度變化相差最大。與另外2種方式比較,溫度曲線在第1~8小時最低,第8~14小時從18.5℃迅速升高至44.5℃,第14~18小時下降至33.5℃后達到動態平衡,最高溫度相比外界環境升高了17℃。可能因為密封條件下分子活性大、微生物活性強,放熱多。
可以知道,露天和覆蓋條件下儲存的秸稈,溫度波動較小;密封條件下儲存的秸稈,峰值最大達45℃左右,且變化迅速,因此儲存時應該注意通風散熱,避免自燃。
2.4發熱量變化分析
發熱量是生物質原料能源化利用的重要評價指標之一[5-9]。由表2可見,整體來看,玉米秸稈收到基低位發熱量隨時間呈下降趨勢,2月份下降較為明顯,且與全水分呈負相關變化,可能因為秸稈全水分較大導致。以整株秸稈為例,分別露天、覆蓋、密封儲存時,1~5月份Qar降低了1512、1608、1612kJ/kg;其中,密封儲存秸稈發熱量平均值最低,僅11547kJ/kg,分別較露天、覆蓋儲存下降661、642kJ/kg。
如果扣除水分影響,以干燥基為基準進行分析,整株狀態下,露天儲存秸稈發熱量在12109~14333kJ/kg之間,1-2月份下降趨勢明顯,降低了686kJ/kg,可能因為全水分較大,受軟腐菌、霉菌等侵入,導致腐敗,有機物被微生物分解為CO2和H2O;3-4月份則略有提高,可能因為季節、氣候變化,全水分含量降低,秸稈中纖維素、木質素等消耗減少導致;覆蓋儲存秸稈發熱量在11619~14252kJ/kg之間,其中1-2月份比整株儲存略低,3~5月份略高300kJ/kg左右;密封儲存秸稈發熱量明顯降低,發熱量在10003~13779kJ/kg之間,原因在于缺乏雨水沖刷[6-7]。
打捆狀態下,發熱量總體比整株狀態略高,在10076~15060kJ/kg之間,分別以露天、覆蓋、密封方式儲存時,變化規律與整株秸稈相似,可能因為打捆預處理后,秸稈密度大且溫度略低,微生物活性較低所致。
粉碎狀態下,發熱量最低,在9521~12904kJ/kg之間,原因可能是秸稈粉碎后,表皮及蠟質層受到破壞,更易受軟腐菌、霉菌等侵入。
3種狀態下,粉碎秸稈發熱量最低不便使用,打捆秸稈略高可優先選擇;3種儲存條件下,密封儲存發熱量最低,不適于燃燒利用,應合理根據成本等影響因素選擇露天或覆蓋儲存方式。
2.5工業分析
工業分析包括一般樣品水分、灰分、揮發分和固定碳,其中,灰分和揮發分對原料利用影響較大,故本試驗主要分析灰分和揮發分的變化規律,試驗數據以干燥基為基準。
2.5.1灰分
表3數據顯示:隨秸稈儲存時間延長,灰分含量先迅速上升再略微降低,3-4月份分別降低了3.1%、1.5%、6.1%,可能因為降雨增多,沖刷掉一部分灰分,符合本文對發熱量變化的分析。3種秸稈狀態下,整株和打捆秸稈灰分含量較低且隨時間變化小,粉碎秸稈灰分含量高,最高達24%,可能是在秸稈粉碎處理過程中,混入其他雜質所致。
2.5.2揮發分
表4數據顯示:秸稈1-2月份下降趨勢明顯,如整株秸稈分別降低了9.15%、7.4%、8.4%,3個月后變化較小,原因可能受微生物分解作用影響。3種秸稈狀態下,整株和打捆秸稈揮發分含量相近且較高,達72%左右,粉碎秸稈明顯降低,數值僅68%左右。
3結論
1)秸稈儲存過程中,儲存條件比預處理方式對全水分影響大。粉碎秸稈平均全水分含率最高達19.16%,整株和打捆秸稈較低,分別為15.71%和15.34%。由于環境濕度和自身理化作用影響,露天和密封儲存時的全水分含量較覆蓋儲存高。同一秸稈垛比較時,每層全水分含量變化規律相同,但數值有明顯區別,可能因為預處理時秸稈組織發生破壞,吸水或散失水的能力不同。
2)秸稈長期儲存時,平均溫度普遍比環境溫度高。秸稈溫度變化與外界環境、全水分含量密切相關,3種不同預處理方式的秸稈,日平均溫度變化不明顯,極差僅在3.24~3.71℃之間。整株秸稈在露天、覆蓋、密封條件下儲存時溫度最高值分別為40.8、35.4、44.7℃,打捆秸稈上述數據為32.7、30.3、35.8℃,粉碎秸稈為40.5、39.3、43.7℃,打捆秸稈易于安全儲存,整株、粉碎秸稈儲存量多時,應該保持環境通風良好。
3)以干燥基為基準時,整株和打捆秸稈發熱量相近,平均值在14000kJ/kg左右,粉碎秸稈較低在13000kJ/kg左右,且密封儲存較露天和覆蓋儲存低,長期儲存時,受微生物和雨水沖刷影響。以收到基為基準時,發熱量明顯降低,發熱量與全水分呈負相關變化。整體來說,秸稈灰分隨時間升高,1~5月份增加了3%左右;揮發分降低,1~5月份降低了約6%,其中,粉碎秸稈灰分含量最高,揮發分最低,且在不同儲存條件下無明顯變化。
4)從秸稈高效利用角度考慮:粉碎秸稈因發熱量和揮發分低、含水率和灰分高,不利于能源利用,打捆秸稈比整株秸稈易儲存,但成本較高;3種儲存條件下,密封儲存不建議使用,露天和覆蓋儲存因各參數指標變化不一致,需要進一步研究。
[參考文獻]
[1]崔明,趙立欣,田宜水,等.中國主要農作物秸稈資源能源化利用分析評價[J].農業工程學報,2008,24(12):291-296.
[2]王久臣,戴林,田宜水,等.中國生物質能產業發展現狀及趨勢分析[J].農業工程學報,2007,23(9):276-282.
[3]劉建輝,謝祖琪,姚金霞,等.農作物秸稈在遮雨通風條件下的儲存研究[J].西南農業學報,2012,25(5):1889-1894.
[4]謝祖琪,余滿江,庹洪章,等.小麥秸稈儲存機理研究[J].西南大學學報,2011,33(7):130-136.
[5]張中波,田宜水,侯書林,等.生物質顆粒燃料的儲藏理化特性變化規律[J].農業工程學報,2013,29(1):223-229.
[6]William A Smith, Ian J Bonner, Kevin L Kenney, et al.Practical considerations of moisture in baled biomass feedstock[J].Biofuels, 2013, 4(1): 95-110.
[7]Kevin L Kenney, William A Smith, Garold L Gresham, et al.Understanding biomass feedstock variability[J].Biofuels, 2013, 4(1): 111-127.
[8]霍麗麗,田宜水,趙立欣,等.生物質原料持續供應條件下理化特性研究[J].農業機械學報,2012,43(12):107-113.
[9]霍麗麗,孟海波,田宜水,等.粉碎秸稈類生物質原料物理特性試驗[J].農業工程學報,2012,28(11):189-195.
[10]田宜水,姚宗路,歐陽雙平,等.切碎農作物秸稈理化特性試驗[J].農業機械學報,2011,42(9):124-145.
[11]樊蜂鳴,張百良,李保謙,等.大粒徑生物質成型燃料物理特性的研究[J].農業環境科學學報,2005,24(2): 398-402.
[12]田宜水,孟海波,孫麗英,等.秸稈能源化技術與工程[M].北京:人民郵電出版社,2010:129-133.
[13]熊昌國,謝祖琪,易文裕,等.農作物秸稈能源利用基本性能的研究[J].西南農業學報,2010(5):1725-1732.
[14] Yuan J S, Wang X, Stewart Jr NS.Biomass feedstock:diversity as a solution[J].Biofuels, 2001, 2(5): 491-493.
[15]周晶,吳海濤,丁士軍,等.秸稈資源收獲季節性及其能源供應持續性分析[J].資源科學,2011,33(8):177-183.
[16]霍麗麗,田宜水,趙立欣,等.農作物秸稈原料物理特性及測試方法研究[J].可再生能源,2011,29(6):86-92.
[17] 周捍東,徐長妍,丁滬閩,等.木材散碎物料基本堆積特 性的研究[J].木材加工機械,2002,13(6):7-17.
[18]Athanasios A Rentizelas, Athanasios J Tolis, Ilias PTatsiopoulos, et al.The Storage problem and the multi-biomass supply chain[J].Renewable Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(4).
[19]艾玉春,王煒,李鵬霞,等.甘蔗在貯藏期間營養與生理 變化研究[J].食品科學技術學報,2013,31(2):37-42.
[20]庹洪章,劉建輝,謝祖琪,等.秸稈成型加工技術的試驗 研究[J].西南大學學報,2009(11):133-139.
[21]趙麗華,莫放,余汝華,等.貯存時間對玉米秸稈營養物 質損失的影響[J].中國農學通報,2008,24(2):4-7.
[22] Sokhansanj S, Turhollow A, Cushman J, et al.Engineering aspects of collecting corn stover for bioenergy[J].Biomass and Bioenergy, 2002, 23(5): 347-355.
[23] Ragland K W, Aerts D J.Properties of wood for combustion analysis[J].Bioresource Technology, 1991, 37(2): 161-168.
上一篇:解密松下柔性鋰離子電池