PDF《生物质颗粒燃料储藏理化特性变化规律》

第29 卷 增刊

1 农业工程学报Vol.

29 Supp.1

2013 年4月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Apr.

2013 223 生物质颗粒燃料储藏理化特性变化规律 张中波 1,2,3 ,田宜水 1,3 ,侯书林

2 ,赵立欣 1,3 ,孟海波 1,3 (1. 农业部规划设计研究院,北京 100125;

2. 中国农业大学工学院,北京 100083;

3. 农业部农业废弃物能源化利用重点实验室,北京 100125) 摘要:为分析生物质颗粒燃料在北方气候下是否可以长期储藏,以及不同储藏方式对颗粒燃料理化特性的影响 规律,2011 年3月至

8 月期间,针对北京地区气候,对玉米秸秆和木质

2 种颗粒燃料,以袋装、半封闭、露天

3 种储藏方式开展储藏试验.试验结果表明,2 种颗粒在

3 种储存方式下机械耐久性都保持在 94.46%以上,生物质 颗粒燃料未出现发霉现象,全水分和堆积密度变化规律受气候变化规律相吻合.其中玉米颗粒和木质颗粒的露天 状态储存时全水分极差(2.42%和2.55%)和颗粒密度极差最大(0.12 t/m3 和1.297 t/m3 ) .灰分和挥发份保持则稳 定状态初始状态.这为生物质颗粒燃料的安全储存提供理论依据. 关键词:生物质,储藏,燃料,理化特性,机械特性 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2013.z1.035 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2013)-Supp.1-0223-07 张中波,田宜水,侯书林,等. 生物质颗粒燃料储藏理化特性变化规律[J]. 农业工程学报,2013,29(增刊 1): 223-229. Zhang Zhongbo, Tian Yishui, Tian Yishui, et al. Variation of physical and chemical characteristics of biomass pellet fuels during storage[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(Supp.1): 223-229. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 随着社会的进步、经济的发展,人类对能源的 需求日益增加[1] ,但是煤炭、石油、天然气等化石 能源不断减少[2-3] .生物质能具有原料来源广泛, 可 再生等特点,越来越被人们关注[3-5] .其中,生物质 颗粒燃料由粉碎的固体生物质原料通过成型机压 缩成圆柱形的生物质固体成型燃料,直径一般不大 于25 mm,长度不大于其直径的

4 倍,压缩后密度 为原来的 5~10 倍[6] ,具有储存空间小,运输方便, 使用时清洁环保,热效率高,可持续利用等特点, 具有广阔的发展前景. 生物质颗粒燃料在生产后,一般不会立即得以 利用,需要在工厂内进行至少

6 个月的储藏,在这 段较长的时间内,采用何种储藏形式,储藏过程中 对于温湿度有何要求,才能保障颗粒燃料不出现发 霉、变质是一个重要的环节. 目前,国内外对于生物质颗粒燃料储藏机理的 收稿日期:2012-05-24 修订日期:2013-01-26 基金项目: 十二五 国家科技计划课题(2012BAD30B02) 作者简介:张中波(1988-) ,男,主要从事机械制造及其自动化方面 研究.北京 中国农业大学工学院,100083.Email:[email protected] 通信作者:田宜水(1972-),男,研究员,主要从事可再生能源技 术设备研发与推广及能源政策研究.北京 农业部规划设计研究院, 100125.Email:[email protected] 研究很少[7] .黄文等研究了木薯干颗粒在广西地区 储藏的温湿度的要求[8] , 结果表明为达到储藏期长、 储藏效果好的目的,需要降低仓房内空气湿度、木 薯含水率、以及仓房和木薯堆内的温度,减少木薯 与空气的接触面积.谢祖琪等研究了小麦秸秆的储 藏机理[9] ,结果表明:无论是正常年份,还是相对 湿度较大的特殊年份,麦秸捆储存期前后绝干热值 没有明显影响,麦秸捆均可安全储存并作能源利 用.樊峰鸣以华北产量较大的玉米秸秆、大豆秸秆 为原料制成的大粒径成型燃料经抗水性试验发现 其耐水浸蚀性能好,最长达300 h[10] .Athanasios A. Rentizelas等研究了生物质燃料供应过程中, 储藏条 件对燃料的影响[11] ,结果表明颗粒燃料在较低全水 分下(15%~20%)储藏,对环境要求较低.但对 于生物质颗粒燃料受当地气候、储藏方式、储藏时 间等因素影响试验研究则未见报道. 本文拟通过采取

3 种不同的储藏方式(袋装、 半封闭、露天),针对玉米秸秆颗粒和木质颗粒

2 种燃料,开展长期储藏试验,按月测量其全水分、 灰分、热值、机械耐久性等理化特性,分析生物质 颗粒燃料在北方气候下是否可以长期储藏及不同 储藏方式(袋装、半封闭、露天)对颗粒燃料性能 的影响,以期为生物质颗粒燃料的安全储存提供理 论依据,为中国北方地区生物质成型燃料规模化利 用奠定基础. 农业工程学报

2013 年224

1 材料及方法 1.1 试验材料 中国北方地区普遍种植的农作物为玉米, 试验选 取了

2009 年秋季北京南郊地区所产玉米秸秆.试验 材料由 HM485 型生物质固体燃料成型机压制而成. 另外选取木质颗粒燃料.颗粒燃料的规格为:直径为

8 mm,长度 20~30 mm,主要理化特性见表 1. 表1颗粒燃料主要理化特性 Table

1 Physical and chemical characteristics of pellet fuels 玉米颗粒 Corn pellets 木质颗粒 Wood pellets 密度 Particle density/(t・ m-3 ) 1.289 1.297 全水分 Total moisture/% 8.60 9.70 灰分 Ash/% 21.41 3.37 挥发份 Volatile matter/% 62.92 79.85 低位发热量 Gross calorific value/(kJ・ kg-1 )

14764 18266 注:依据《NY/T 1881.2-2010 生物质成型燃料试验方法》. 1.2 试验设备 本试验仪器主要包括:YBJL-8901 型温湿度记录 仪(北京威铭首旺电子机械设备有限公司)、GJ-2 袋 装式化验制样粉碎机(河南省鹤壁市天弘仪器有限公 司) 、 XL-1 箱型高温炉 (河南省天弘仪器有限公司) 、 SA223S-CW 型分析天平(赛多利斯科学仪器(北京) 有限公司)、101-1A 型电热鼓风干燥箱(河南省鹤壁 市天弘仪器有限公司)、ZDHW-5 型微机全自动量热 仪(河南省鹤壁市天弘仪器有限公司)、KER-2400 型 转鼓试验机、堆积密度测量装置(容积为

5 L). 1.3 试验方法 1.3.1 试验时间 中国北方地区,3 月份气温逐渐回暖,至8月份温度一直处于上升期,在此期间温度变化由低至 高,6 月份进入雨季,空气湿度变大,天气状况对 于颗粒燃料的储藏机理影响较大.所以,选择

2011 年3月至

8 月期间作为试验时间. 为准确记录试验期间空气温湿度变化量,采用 YBJL-8901 型温湿度记录仪每

8 h 记录

1 次空气温 湿度,每月记录

90 组数据,分别计算月记录数据 平均值作为每月平均温度和湿度,见图 1. a. 温度 a. Temperature b. 湿度 b. Moisture 图1温湿度变化曲线 Fig.1 Curve of temperature and humidity 1.3.2 储藏方式的选择 目前,生物质颗粒燃料储藏方式多数为采用袋 装的形式堆积在仓库中[12] ,储藏过程中通风条件较 差.另外,也有采用料堆和料仓[13] 等形式.为了对 比生物质颗粒燃料在不同储藏条件下,长期储藏时 其理化特性的变化规律,采用了编织袋袋装、自制 半封闭储藏装置、露天平铺等

3 种方式,每种方式 开展

1 组试验. 计算试验中堆积密度、全水分等测量所需颗粒 燃料质量,预计

6 个月份试验共需颗粒燃料

24 kg, 考虑试验过程中的损耗等,每组试验颗粒燃料准备

50 kg. 试验在北京南郊工厂内进行,储藏环境为普通 厂房室内环境. 袋装储藏:每种颗粒燃料分别称量

50 kg,采 用聚丙烯塑料编织袋装,扎紧袋口,横向放置于地 面.按照《NY/T 1881.2-2010 生物质固体成型燃料 采样方法》使用取样铲分

4 层采样,每层取

1 kg 样品.每次采样完成后,重新扎紧袋口袋装. 半封闭储藏:每种颗粒燃料分别称量

50 kg, 采用边长为

4 mm 的方形孔筛网,自制的半封闭储 藏装置储藏,保证装置边缘储藏的颗粒燃料与空气 部分接触.采样时,放倒容器使燃料流出,使用取 样铲分

4 层采样,每层取

1 kg,每次采样完成后, 将燃料放回半封闭容器并直立放置. 露天储藏:每种颗粒燃料分别称量

50 kg,堆积 成山状,平铺放置于地面带孔铁板上,使颗粒燃料与 空气充分接触.采样时,依据标准,对颗粒燃料堆划 分8个区,每个区取 0.5 kg 样品.每次采样完成后, 颗粒燃料重新堆积放置. 考虑料堆高度可能仅影响颗 粒燃料机械性能,对其他特性影响不大,本文未考虑 该因素.图2为颗粒燃料

3 种储藏方式实物图. a. 袋装 a. Bagging b. 半封闭 b. Semi-enclosed c. 露天 c. Open-air 图2颗粒燃料储藏方式 Fig.2 Storage mode of pellet fuels 增刊

1 张中波等:生物质颗粒燃料储藏理化特性变化规律

225 1.3.3 试验测定参数选择及测试方法 生物质颗粒燃料在储藏一段时间后,运输到工 厂、家庭,应用于供暖、供热.在储藏期内,随着 储藏时间的增加,颗粒燃料的理化特性均会发生变 化, 随之影响其运输特性及燃烧产生的热值. 其中, 全水分变化会影响堆积密度和热值,堆积密度决定 储藏机构的结构设计及容量计算,机械耐久性表征 在储藏、运输过程中抗破碎能力,工业分析可判定 颗粒燃料储藏过程中灰分、挥发分、水分的变化, 热值反映颗粒燃料可供热能力.因此,本试验选取 了全水分、密度、堆积密度、机械耐久性、热值等 参数作为试验指标,并对颗粒燃料进行工业分析, 得出储藏时间对各种参数的影响. 取样时间为每月 15~20 日期间,按前述方法 采样后, 分别进行编号, 使用密封袋完全密封保存. 每项试验取子样完成后及时排出空气.测试方法依 据《NY/T 1881.2-2010 生物质固体成型燃料样品的 制备方法》、《NY/T 1881.2-2010 生物质成型燃料 试验方法》 等进行. 机械耐久性试验采用 KER-2400 型转鼓试验机,在可控的振动下,通过在试验样品 之间、样品与测试器内壁之间发生碰撞,然后将已 磨损和细小的颗粒分离出来,根据剩余的样品质量 计算机械耐久性.每个参数测量

2 次,取其平均值 作为测试结果.堆积密度及密度、灰分等统一按标 准转换为干燥基作为基准进行分析. 为了比较不同储藏形式的........