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泰州生物质颗粒燃料短期储藏特性研究

来源: 管家婆论坛资料中心:2019-01-23 2016 次浏览

  摘要:中国不同地区气候不同,温湿度差异较大,生物质(Biomass)颗粒燃料(fuel)在储藏过程中,会引起颗粒燃料的特性发生变化,从而对燃料的应用产生影响。生物质颗粒燃料的直径一般为6~10毫米。根据瑞典的以及欧盟的生物质颗粒分类标准,若以其中间分类值为例,则可以将生物质颗粒大致上描述为以下特性:生物质颗粒的直径一般为6~8毫米,长度为其直径的4~5倍,破碎率小于1.5%~2.0%,干基含水量小于10%~15%,灰分含量小于1.5%,硫含量和氯含量均小于0.07%,氮含量小于0.5%。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。生物质颗粒燃料发热量大,发热量在3900~4800千卡/kg左右,经炭化后的发热量高达7000—8000千卡/kg。生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。针对玉米秸秆颗粒和木质颗粒两种燃料,采用密封(seal)和露天2种储藏形式,利用高低温(dī wēn)湿热试验箱模拟不同温湿度条件,开展储藏试验。结果表明,生物质颗粒燃料在储藏过程中,影响颗粒燃料全水分的主要因素是温度、湿度和储藏方式;湿度大于70%,玉米秸秆颗粒燃料会出现长毛、发霉现象;木质颗粒燃料在高温(high temperature)、高湿条件时,会出现裂缝及发霉现象。

  0引言

  近年来,随着农村社会经济(Economy)全面发展和农民生活水(flowing water)平的提高,中国农村居民生活用能的消费总量不断增加,对商品能源的需求增长尤为迅速[1~2],这既消耗了大量的能源,又产生大量的温室气体。生物质颗粒燃料是由粉碎的固体生物质原料通过成型(Forming)机压缩成圆柱形的生物质固体成型燃料,具有可再生和CO2零排放等优势,可作为农村居民炊事采暖等燃料,具有广阔的发展前景[3~6]。

  在生物质颗粒燃料储藏过程中,温度、湿度以及储藏方式的不同,可能引起生物质颗粒燃料水分、发热量及机械(machinery)耐久性等特性的变化,从而对颗粒燃料的运输和应用产生不利影响。

  目前,国内外对于温、湿度影响生物质颗粒燃料储藏特性的研究还很少[7~10]。对于生物质颗粒燃料的短期储藏温、湿度条件相关研究则未见报道。

  本文通过密封袋装与平铺于托盘(露天)两种储藏方式,利用高低温湿热试验箱,针对玉米秸秆颗粒和木质颗粒2种燃料,开展短期储藏试验,测试全水分、发热量和机械耐久性,分析储藏过程中温、湿度对生物质特性的影响,以期为各地生物颗粒燃料储藏设计提供参考。

  1试验材料及方法

  1.1试验材料

  选取2009年秋季北京市南郊地区的玉米秸秆和木质燃料(红松),由HM485型生物质固体燃料成型机压制而成。颗粒燃料依据NY/T1880—2010《生物质固体成型燃料样品制备方法》制备,颗粒燃料的规格(specifications)为:直径8mm,长度20~30mm。

  1.2试验设备

  主要包括:GDS225A型高低温湿热试验箱(北京切克试验设备有限企业(Company))、GJ2封装式化验制样粉碎机(河南省鹤壁市天弘仪器(appliance)有限企业)、BSA223SCW型分析天平(赛多利斯科学仪器有限企业)、PL2002型电子天平(瑞士梅特勒托利多企业)、1011A型电热(diàn rè)鼓风干燥(drying)箱(河南省鹤壁市天弘仪器有限企业)、ZDHW5型微机全自动量热仪(河南省鹤壁市天弘仪器有限企业)和KER2400型转鼓试验机。

  1.3试验方法

  1.3.1试验时间

  高低温湿热试验箱工作环境(environment)温度要求为0~40℃,相对湿度不大于90%,空气温、湿度过高,会对高低温湿热试验箱的测量度产生影响。北京地区夏季温度、湿度较高不适宜做试验,为了尽量减少空气条件对试验的影响,试验时间选择(Select)在2011年11月至2012年4月期间进行。

  1.3.2试验设计

  中国颗粒燃料生产厂家遍布南北,不同地区气候不同,温、湿度差异较大。试验拟采用单因素试验方法,并进行补充试验。

  单因素试验。相对湿度设定(shè dìng)为40%,在不同温度下(低温5℃、中温20℃、高温43℃)进行温度影响试验,以模拟中国不同地区气温。其中需要说明的是,0℃以下,一般微生物(Micro-Organism)活动受到抑制,可不予考虑(consider)。温度设定为25℃,在不同的相对湿度下(低湿15%、中湿45%、高湿70%)进行湿度影响试验。

  补充试验。根据单因素试验,玉米秸秆颗粒燃料在相对湿度70%时,出现轻微发霉现象,木质颗粒燃料表面无变化。为准确确定储藏条件,设计了2组补充试验:试验1(25℃、相对湿度60%)和试验2(43℃、相对湿度90%)。

  1.3.3试验测定(gage)参数选择及测试方法

  生物质颗粒燃料应用前,一般以袋装或料仓等形式进行储藏,短期一般5~7d,长期一般在一个月以上。在储藏期内,储藏环境温度、湿度的不同,可能对颗粒燃料的理化特性产生影响,影响其运输和燃烧特性。其中,全水分变化会影响堆积密度(单位:g/cm3或kg/m3)和发热量,机械耐久性表征在贮藏、运输过程中的抗破碎能力,发热量反映颗粒燃料可供热能力。因此,试验选取全水分、机械耐久性和发热量作为试验测定指标,以获得温、湿度变化对特性的影响。试验在北京市南郊某工厂内进行,试验环境为普通厂房室内环境。

  密封储藏是将燃料储藏于密封容器,防止(fáng zhǐ)尘土以及异物进入。每种颗粒燃料分别称量1.5kg,采用密封袋封装装袋,扎紧袋口,横向均匀放置于托盘。

  露天储藏是将燃料储藏于料仓、简易棚仓或其他经特殊处理的露天位置上。每种颗粒燃料分别称量1.5kg,平铺放置于托盘中,使颗粒燃料与试验箱与特定温、湿度空气充分接触。

  每组样品在高低温湿热试验箱中短期储藏7d后,取出部分样品马上测试全水分,其他部分进行机械耐久性及发热量的测试。

  全水分测定按NY/T1881.2—2010《生物质成型燃料试验方法第2部分:全水分》进行,是在空气中,将生物质固体成型燃料样品置于105℃的温度下干燥至质量(Mass)恒定,然后根据样品质(Character)量损失并修正浮力作用进行计算。

  发热量采用弹筒发热量测定方法,在氧弹中有过剩氧的情况下,在规定条件下燃烧单位质量试样所产生的热量为弹筒发热量。

  机械耐久性按NY/T1881.8—2010《生物质成型燃料试验方法第8部分:机械耐久性》规定,采用KER2400型转鼓试验机,在可控的振动下,使试验样品之间、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(The average value)作为测试结果。

  2试验结果与分析

  2.1单因素试验

  2.1.1温度

  (1)表观观察

  2种颗粒燃料在3种不同储藏温度下短期储藏7d,其表面颜色均未发生变化,玉米秸秆颗粒呈现黄褐色,木质颗粒为红紫色,燃料未出现发霉、长毛现象。说明在此温、湿度条件下,生物质颗粒燃料中的微生物活动得到有效的抑制。

  (2)全水分

  不同温度影响储藏试验颗粒燃料全水分变化规律如表1所示。可以看出,相对湿度为40%时,玉米秸秆和木质颗粒在不同温度下的全水分均有所下降(descend),说明在该温、湿度下,玉米秸秆和木质颗粒的平衡湿含量(干基)分别小于11.0%和11.3%,颗粒燃料处于解湿状态。在燃料表面与空气的水蒸气分压(partial pressure)差的作用下,水分由物料表面向气流扩散,并被气流携带走。如果储藏时间足够长,燃料最终将达到平衡湿含量状态。

  在露天状态下,玉米秸秆和木质颗粒的全水分在43℃时更高,均为10.2%。考虑到本试验温度设定为5、20和43℃,其水蒸气分压分别为3.49×102、9.36×102和3.459×103Pa。可知,虽然相对湿度均为40%,但温度较高时(43℃),空气中的水蒸气分压则较高,造成物料表面与空气的水蒸气分压差较低,干燥速率低;另外,生物质颗粒经成型后,较为致密,水分迁移速度较慢,在储藏7d后燃料的全水分还较高,未达到平衡湿含量状态。

  当环境温度过低(5℃)时,水蒸气分子极其不活跃,燃料表面的水蒸气分压偏低,储藏7d后,其全水分仍维持在较高水平,分别为7.4%和8.7%。

  当温度20℃时,物料表面的水蒸气分压较高,干燥速率高,秸秆和木质颗粒燃料全水分数值更低,分别为3.6%和4.6%,基本可以认为是达到了平衡湿含量状态。

  密封状态下,玉米秸秆和木质颗粒的全水分变化与露天状态下基本一致,但各温度变化范围(fàn wéi)较小,说明密封的储藏方式对水分蒸发有一定的抑制作用。

  值得注意的是,在5℃和43℃时,密封状态下的燃料的全水分均小于露天状态。考虑到密封袋相当于一个封闭(fēng bì)空间(Space),其空气中水蒸气含量应低于高低温湿热试验箱,燃料与空气中的水蒸气为达到动态平衡,需要失去更多的水分,造成燃料全水分的降低。

  综上所述,在中湿条件下(相对湿度40%)短期储藏,燃料基本处于解湿状态,全水分低于初始值。

  温度过高或过低时,干燥速率均较低,没有达到平衡湿含量。当温度20℃时,干燥速率较高,基本可以认为是达到了平衡湿含量状态。

  (3)机械耐久性

  在不同温度下,玉米秸秆和木质颗粒的机械耐久性无显著变化,均大于95%,符合要求(表2)。

  可认为温度、湿度对玉米秸秆和木质颗粒燃料的机械耐久性影响不显著,在输送过程中可保持颗粒燃料的完整性而不被破坏。其中,玉米秸秆颗粒的机械耐久性有所下降,而木质颗粒燃料的机械耐久性则略有上升。这说明全水分对机械耐久性的影响与材料性质有关。

  (4)发热量

  表3为不同温度情况下,秸秆颗粒和木质燃料的发热量。可以看出,3种温度下发热量均有所增加,这是因为通过解湿过程,其全水分降低,从而造成发热量上升,这对燃烧过程是有利的。

  2.1.2湿度

  (1)表观观察

  玉米秸秆和木质颗粒燃料储藏7d后,在相对湿度为15%、45%时,其表面颜色均未发生变化,玉米秸秆颗粒呈现黄褐色,木质颗粒为红紫色,燃料未出现发霉、长毛现象。

  当储藏相对湿度达到70%时,露天贮藏条件下,玉米秸秆颗粒燃料表面出现丝状的绿毛,如1所示。说明在此温度和湿度条件下,玉米秸秆颗粒燃料出现了轻微的霉变现象,经过简单处理可进行试验(除去发霉部分)。其他几种情况则未发生任何变化。说明在温度25℃、相对湿度70%条件下,玉米秸秆颗粒燃料中的微生物活动较为活跃,应避免在此环境下储藏。

  (2)全水分

  不同湿度储藏条件下,玉米秸秆和木质颗粒燃料的全水分变化规律如2所示。

  露天情况下,随着环境空气相对湿度的增加,颗粒燃料的全水分均有所增加,趋向平衡湿含量状态。

  在相对湿度为15%时,玉米秸秆和木质颗粒全水分分别为8.8%和10.7%,低于颗粒燃料的初始全水分;在相对湿度为70%时,则达到更大值,分别为14.1%和15.1%。其中,木质颗粒燃料的变化幅度较大。这说明颗粒燃料的全水分在温度相同的情况下,相对湿度越高,燃料的全水分则越大。

  在使用密封袋密封的情况下,其全水分基本保持不变,玉米秸杆和木质颗粒分别在7.8%~8.1%和8.1%~9.1%,且均低于其初始全水分。

  综上所述,颗粒燃料的全水分与环境湿度、温度和储藏方式等有关。

  (3)机械耐久性

  在不同湿度下玉米秸秆和木质颗粒燃料的机械耐久性皆大于95%,如表4所示。全水分对机械耐久性的影响不显著。

  (4)发热量

  表5为不同湿度下,玉米秸秆颗粒和木质燃料的发热量。可以看出,3种湿度下,发热量均有所变化,这是因为通过增湿或解湿过程,其全水分发生变化,从而造成发热量的变化。

  由上可知,玉米秸秆颗粒燃料虽然出现了轻微发霉的现象,但是其全水分等数值与其他湿度情况下的数值差距较小,说明颗粒燃料经简单处理可以保持其燃烧特性。但可以预见,如果储藏时间大于7d,颗粒燃料发霉现象会更加严重,应考虑增加通风除湿设施。

  2.2补充试验

  2.2.1试验1

  在单因素试验中,当相对湿度70%时,玉米秸秆颗粒燃料出现了发霉的现象,本试验选择相对湿度为60%,储藏颗粒燃料7d,表观观察是否发霉,并进行特性试验。本试验的温度为25℃。

  试验结果表明:2种不同储藏方式下,颗粒燃料均未出现发霉、长毛现象,可安全储藏。密封储藏条件下,玉米秸秆颗粒全水分为7.3%,木质颗粒燃料为8.6%。露天储藏条件下,玉米秸秆颗粒燃料全水分为8.9%,木质颗粒燃料为9.8%,高于密封储藏条件。颗粒燃料的机械耐久性并无大的变化,均大于95%。玉米秸秆颗粒燃料密封储藏方式下,发热量为14.8MJ/kg,木质颗粒燃料为18.0MJ/kg。

  露天条件下,玉米秸秆颗粒燃料发热量为14.5MJ/kg,木质颗粒燃料为17.9MJ/kg,不同储藏形式在此温、湿度下,数值差距很小,并不影响燃烧性能。

  由单因素试验知,玉米秸秆颗粒燃料在温度25℃,相对湿度70%时,会产生发霉现象,而本组试验表明,温度25℃,相对湿度60%时,未出现变质现象,玉米秸秆颗粒燃料储藏湿度应低于60%。

  2.2.2试验2

  试验2温度为43℃,相对湿度为90%,本试验观察在高温、高湿情况下,颗粒燃料是否会发霉、变质。试验结果表明:露天储藏条件下,当储藏湿度达

  到90%时,玉米秸秆颗粒燃料表面完全被霉菌覆盖而且出现了白斑,如3所示。说明在此相对湿度下,玉米秸秆颗粒燃料被黄曲霉菌侵蚀严重,颗粒燃料已完全不能使用。密封储藏的玉米秸秆颗粒燃料,由于隔绝空气,其表面颜色未发生变化,仍然呈现黄褐色,未出现发霉、长毛的现象。当储藏湿度达到90%时,木质颗粒燃料产生了严重的破裂,并且表面出现了长毛、发霉的现象,如4所示。说明在此湿度下,木质颗粒燃料也霉菌侵蚀,颗粒燃料已不能使用。密封储藏的木质颗粒燃料,隔绝空气,在安全水分下,表面颜色未发生变化,仍然呈现红紫色,燃料未出现发霉、长毛的现象。

  3结论

  (1)影响颗粒燃料全水分和发热量的主要因素是温度、相对湿度和储藏方式。其中,温度和相对湿度影响燃料和全水分和干燥速率。相对湿度越高,则全水分越高。封闭方式对水分蒸发有一定的抑制作用。

  (2)当温度为25℃、相对湿度70%时,露天贮藏条件下,玉米秸秆颗粒燃料会出现长毛、发霉的现象,相对湿度为60%时未出现变质现象,玉米秸秆颗粒储藏相对湿度一般应低于60%。在高湿地区,储藏玉米秸秆颗粒燃料时,应考虑增加通风除湿设施。

  (3)木质颗粒燃料高温(43℃)、高湿相对湿度(90%)条件下,颗粒燃料表面会出现裂缝、发霉现象,在此条件下不宜长期储藏。

  


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