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摘 要：以干质量热值测定为基础，对云南省农林常见废弃物进行了生物质原料筛选，对烟杆-玉米杆生物质成型燃料不同配比进行了热值测定，并对不同配比的烟杆-玉米杆生物质颗粒燃料成品的燃烧性能进行了测试。结果表明：木质类样品的干质量热值普遍较高，其次是草本类；秸秆类样品中以烟杆、玉米杆、麦秸的干质量热值较高。综合筛选结果，认为烟杆、玉米杆、麦秸可作为生物质成型燃料加工制作的理想原料。将烟杆与玉米杆按照不同含量进行配比，其中烟杆∶玉米杆=7∶3处理样品热值最高，同时该含量配比的烟杆-玉米杆生物质颗粒燃料成品的综合燃烧性能最好，可作为烟杆-玉米杆生物质成型燃料加工制作的较优配比组合。
关键词：干质量热值；生物质；筛选；烟杆；玉米杆；配比
中图分类号：S216.2 文献标识码：A 文章编号：1006-060X（2016）01-0043-04
Comparison of Calorific Value of Agro-forestry Biomass and Optimal Formula of Tobacco Stem-Cornstalk Briquette
WEN Li-na1，TAO Qiong1，OUYANG Jin2，GAO Fu-hong2，YANG Zheng-quan2，CHEN Jing1，XU Yun1
（1. Institute of Agricultural Environment and Resources， Yunnan Academy of Agricultural Sciences， Kunming 650205， PRC， 2.Kunming Municipal Company of Yunnan Province Tobacco Company， Kunming 650051， PRC）
Abstract：Based on gross caloric value， several common agro-forestry residues in Yunnan were screened for raw material of biomass， and then， the calorific value and combustion characteristics of different formulas of tobacco stem-cornstalk briquette were determined. Results showed that the gross caloric value of wooden material was higher than that of herbal material generally and the gross caloric values of tobacco stem， cornstalk and wheat-residue were higher than those of other straw materials. Synthesizing the results of screening， it argued that tobacco stem， cornstalk and wheat-residue were ideal materials for briquette making. Among several formulas of tobacco stem-cornstalk， the 7∶3 treatment had the highest calorific value and the best combustion characteristics， so it could be a better fit formula for tobacco stem-cornstalk briquette making.
Key words： gross caloric value； biomass； screen； tobacco stem； cornstalk； formula
目前我国一次性能源消费仍以煤炭为主，矿物燃料消耗比例过重、能源结构不合理、煤炭高能耗低效率燃烧造成严重环境污染等问题日益突出[1-2]。生物质能是植物叶绿体进行光合作用后形成的可再生有机能源，储量丰富，清洁环保，以生物质能替代煤炭，是缓解能源紧缺、调整能源消费结构、改善生态环境的有效途径[3]。我国生物质能资源的开发利用以农林废弃物，特别是农作物秸秆类为主要原料，利用生物质成型技术，将原本松散细碎的农作物秸秆加工转化为质地致密、形状规则的高品质能源燃料，其燃烧特性明显改善，资源利用率及商品价值大幅提高，且干净卫生，贮存运输方便，可以替代煤炭和薪柴用于生活、生产领域[4-6]。
云南是农业大省，生物质能资源丰富，农林作物种类繁多，以云南省重要的经济作物烟草为例，仅2010年，云南全省烤烟产量就达96万t，根据作物田间秸秆产量与经济产量之比，即秸秆系数（Residue factor）[7]计算，相应的烟秆产量达49.92万t。目前，农林废弃物的能源化利用率不到40%，过剩的农作物秸秆等被堆放在田间地头，造成资源浪费，特别是农作物秸秆直接荒烧，造成严重的空气污染[8]。对农林废弃物进行原料筛选并择优利用，将其转化为生物质能源燃料，是对生物质能资源特别是过剩农作物秸秆有效利用最简单、最直接的途径之一，对保护耕地资源、改善环境质量、促进农林经济可持续发展具有重要意义[9]。
植物干质量热值（GCV）是指1 g植物干物质在恒容条件下完全燃烧后所释放出的热量值，是判断以植物干物质为原料的生物质成型燃料燃烧特性的重要指标。以干质量热值测定为基础，对云南省农林常见废弃物进行了生物质原料筛选，在此基础上，探索以烟杆为主要原料的生物质成型燃料制作工艺，选用玉米杆作为辅助原料，室内进行了烟杆-玉米杆生物质成型燃料制作配比热值研究，并对不同配比的烟杆-玉米杆生物质颗粒燃料成品的燃烧性能进行了测试，以期为工业生产提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 材料与仪器
1.1.1 农林废弃物原料 供试样品主要来源于昆明、腾冲、寻甸、嵩明和功山，原料类别如表1所示。
1.1.2 烟杆-玉米杆生物质成型燃料材料 烟杆、玉米杆采集自寻甸县烟草科技试验基地，均为2015年度成熟后采收的带根茎株，除去泥土等杂质，充分晒干。
1.1.3 烟杆-玉米杆生物质颗粒燃料 由寻甸县烟草科技试验基地加工制作，颗粒直径8 mm，平均长度4 cm，试验样品中纯烟杆、纯玉米杆、烟杆与玉米杆的含量比分别为9∶1、8∶2、7∶3，另以纯烟杆、纯玉米杆作为对照，共5个含量配比的生物质颗粒燃料成品。
1.1.4 全自动量热仪 微机全自动量热仪（永心ZDHW-6H型，鹤壁市永心电子科技有限公司）和生物质新型烘烤机（KM-9，云南名泽烟草机械有限公司）。
1.2 方 法
1.2.1 农林废弃物原料筛选热值测定 所有样品采集后充分晒干，用大功率粉碎机将其充分粉碎呈粉末状，并于干燥条件下分别装袋。用电子天平（精确到0.001 g）称取每个样品1 g左右进行热值测定。每次测定前，用质量范围在0.95～1.05 g的苯甲酸片对量热仪进行标定，环境温度25℃左右。按照微机全自动量热仪使用方法及操作流程，人工充氧、放气，量热仪自动进行各种计算，得到被测样品的弹筒发热量值，即样品的干质量热值（GCV）。每个样品5次重复称样测定，去除结果中的最大值及最小值，取中间3次热值结果的平均值。
1.2.2 烟杆-玉米杆生物质成型燃料制作配比热值测定 用大功率粉碎机将烟杆、玉米杆充分粉碎呈粉末状，并于干燥条件下分别装袋。按照烟杆粉末与玉米杆粉末的不同含量比（9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5和4∶6）将相应样品充分混匀，以此作为该研究的6个处理，另外以纯烟杆粉末、纯玉米杆粉末作为对照，共计8个处理。称样及热值测定方法同1.2.1。根据热值测量结果，分析对比上述8个处理样品的热值大小，确定最佳配比。
1.2.3 烟杆-玉米杆生物质颗粒燃料成品燃烧性能测试 分别称取5个含量配比的生物质颗粒燃料成品，每个配比2 kg。利用生物质新型烘烤机（KM-9，云南名泽烟草机械有限公司），对各个配比成品的燃烧性能进行测试（见表3）。观察并记录：点火时间、达到最高燃烧温度耗时、最高燃烧温度、持续燃烧时间、充分燃烧后的灰分重量以及结焦重量。
2 结果与分析
2.1 农林废弃物原料筛选结果
由表1可知：供试样品的干质量热值由高到低依次为树枝（寻甸）>锯末（昆明）>烟杆（嵩明）>松球（腾冲）>核桃壳（昆明）>锯末（腾冲）>飞机草（寻甸）>玉米杆（嵩明）>树枝（嵩明）>罗勒（嵩明）>麦秸（腾冲）>柠檬草（嵩明）>锯末（寻甸）>烟杆（功山）>烟杆（寻甸）>豆杆（昆明）>油菜杆（腾冲）>玉米芯（寻甸）>玉米杆（寻甸）>玉米芯（嵩明）。所有供试样品中，以木质类树枝（寻甸）的干质量热值最高，达18 247 J/g；秸秆类玉米芯（嵩明）的干质量热值最低，为15 165 J/g。
表1 供试样品及其热值测定结果
原 料来 源热值（GCV，J/g）
锯 末昆 明18 038
锯 末腾 冲17 774
锯 末寻 甸16 957
树 枝嵩 明17 506
树 枝寻 甸18 247
核桃壳昆 明17 824
松 球腾 冲17 912
罗 勒嵩 明17 472
柠檬草嵩 明17 363
飞机草寻 甸17 652
豆 杆昆 明16 543
麦 秸腾 冲17 451
油菜杆腾 冲16 262
玉米芯嵩 明15 165
玉米芯寻 甸16 204
玉米杆嵩 明17 565
玉米杆寻 甸16 024
烟 杆嵩 明18 012
烟 杆寻 甸16 844
烟 杆功 山16 924
由上述热值测定结果可以看出：木质类农林废弃物的干质量热值普遍较高，供试的7个木质类样品，其干质量热值由高到低依次为树枝（寻甸）>锯末（昆明）>松球（腾冲）>核桃壳（昆明）>锯末（腾冲）>树枝（嵩明）>锯末（寻甸）；草本类农林废弃物的干质量热值较木质类稍低，供试的3个草本类样品，其干质量热值由高到低依次为飞机草（寻甸）>罗勒（嵩明）>柠檬草（嵩明）；秸秆类农林废弃物中，烟杆（嵩明）、玉米杆（嵩明）、麦秸（腾冲）的干质量热值分别高于飞机草（寻甸）、罗勒（嵩明）和柠檬草（嵩明），其余秸秆类样品的干质量热值均较草本类低。
由表1还可以看出，因采集来源不同，供试3个锯末样品的干质量热值相差264～1 080 J/g，2个树枝样品干质量热值相差741 J/g，2个玉米芯样品干质量热值相差1 038 J/g，2个玉米杆样品干质量热值相差1 541 J/g，3个烟杆样品的干质量热值相差80～1 168 J/g。不同地点同种样品间干质量热值的差异，可能与样品采集地的气候环境、种植条件、土壤养分和植物本身的生长状况等因素有关。
木质类农林废弃物如锯末、树枝等，虽然热值较高，但多是以木材为原料，经机械或化学方法加工后的剩余物。我国森林资源有限，大量利用木质材料加工制作生物质燃料的可行性不强；松球、核桃壳等原料来源易受生产区域限制，而草本类原料因用途窄，产量低，也不适合用作生物质燃料加工。供试样品中，烟杆、玉米杆、麦秸3种秸秆类原料热值中等，并且烤烟是云南省重要的经济作物，玉米、小麦是云南省主栽农作物，烟杆、玉米杆、麦秸资源丰富，便于就地取材，生产、运输、应用成本较低，可作为生物质成型燃料加工制作的理想原料。
2.2 烟杆-玉米杆生物质成型燃料制作配比热值测定结果
由表2可知，纯烟杆热值较纯玉米杆热值高，其原因可能是烟杆中木质素、挥发分含量相对较高，且所含焦油有一定的助燃作用，而玉米杆中Si元素含量较高，造成其灰分较多，可燃成分相对较少。
表2 烟杆-玉米杆不同配比热值
配比处理热值（GCV，J/g）
烟杆∶玉米杆=9∶117 368
烟杆∶玉米杆=8∶217 510
烟杆∶玉米杆=7∶317 866
烟杆∶玉米杆=6∶417 853
烟杆∶玉米杆=5∶517 757
烟杆∶玉米杆=4∶617 493
纯烟杆17 259
纯玉米杆16 907
将烟杆与玉米杆按照不同含量配比混合后的样品热值较纯烟杆样品热值高，其原因可能是添加适当比例的玉米杆后，样品整体结构及内部空隙率优化，进而提高了混合样品颗粒在燃烧过程中的动力学特性。矫振伟等[10]研究发现，混合生物质颗粒具有易着火和单峰值热解特性，可改善单一成分生物质燃料的燃烧性能，测试结果与其结论一致。
不同含量配比中，以烟杆∶玉米杆=7∶3处理样品热值最高，达17 866 J/g。因此，可将烟杆与玉米杆含量比为7∶3作为烟杆-玉米杆生物质成型燃料制作的较优配比组合。
2.3 烟杆-玉米杆生物质颗粒燃料成品燃烧性能测试结果
由表3可知，供试5个含量配比的生物质颗粒燃料成品，点火时间均在5 s之内；达到最高燃烧温度耗时以烟杆∶玉米杆=8∶2配比最慢，需26 min，纯烟杆配比最快，仅需15 min；纯烟杆配比的最高燃烧温度可达450℃，其次为烟杆∶玉米杆=7∶3配比；各个含量配比的生物质颗粒燃料成品（2 kg）以烟杆∶玉米杆=7∶3配比的持续燃烧时间最长，为46 min，与纯玉米杆配比的持续燃烧时间相当，且较其他含量配比的持续燃烧时间延长10 min左右；从各个含量配比的生物质颗粒燃料成品（2 kg）燃烧后的结焦情况来看，烟杆∶玉米杆=7∶3和烟杆∶玉米杆=8∶2两个配比的燃烧较为充分，结焦量均为0，但烟杆∶玉米杆=8∶2配比的生物质颗粒燃料成品燃烧后灰分较多。
表3 不同含量配比烟杆-玉米杆生物质颗粒燃料燃烧性能
配比处理点火
时间（s）达到最高
温度耗时（min）最高燃
烧温度（℃）持续燃
烧时间
（min）灰分
重量
（g）结焦
重量
（g）
烟杆∶玉米杆=9∶1<519384341652.70
烟杆∶玉米杆=8∶2<526420361750
烟杆∶玉米杆=7∶3<522440461300
纯烟杆<5154503411010.45
纯玉米杆<5251854512020.33
注：持续燃烧时间以2 kg燃料计算。
综合以上观察指标，烟杆∶玉米杆=7∶3含量配比的生物质颗粒燃料成品燃烧性能最优。
3 小结与讨论
研究表明，木材中木质素含量为27%～32%，禾苗类植物木质素含量为14%～25%[11]。木质素含量的多少，与植物干物质的燃烧特性密切相关。对秸秆类生物质而言，挥发分和固定碳含量与其热值呈极显著正相关，而灰分含量与其热值呈极显著负相关[12]。通过测试发现，木质类农林废弃物的干质量热值较草本类高，且烟杆热值较玉米杆热值高，两项测定结果与上述结论一致。
通过对烟杆进行化学分析可知，烟杆成分组成与木材相似，主要是纤维素、半纤维素和木质素等[13]。烟杆中碳含量达40%以上，因此将烟杆或烟杆与其他秸秆混合后的生物质原料压缩成型后，密度可达0.8～1.3 kg/m3，能量与中值煤相当。热值测定结果表明，将烟杆与玉米杆以含量比7∶3进行配比，其热值高达17 866 J/g，相当于标准原煤的61%（我国规定标准原煤的热值为29 309 kJ/kg），理论上讲，1.64 t该燃料相当于1 t标准原煤。由此可见，烟杆-玉米杆生物质成型燃料的应用前景十分广阔。
测试供试样品的热值均以干质量热值表示，未考虑样品本身灰分含量的影响。下一步的深入研究将以去灰分热值（AFCV）为重点，探讨样品灰分含量对烟杆-玉米杆生物质成型燃料热值的干扰作用。
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（责任编辑：肖彦资）