生物質燃料自加熱、自燃及其防范綜述

范朋慧，張輝，盛昌棟

（東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096）

生物質燃料自加熱、自燃及其防范綜述

范朋慧，張輝，盛昌棟*

（東南大學能源與環境學院，江蘇南京 210096）

基于國外在生物質燃料自加熱及自燃方面的研究和工程實踐現狀，對生物質自加熱的機理、主要影響因素、可能的危害和防范措施及經驗進行了系統綜述，以期為國內生物質燃燒電廠等生物質大規模利用企業在燃料儲存時自加熱、自燃及火災的防范提供參考。

生物質燃料；自加熱；自燃；防范措施

生物質燃料資源種類多、分布廣、總量豐富，作為可再生能源，在國內外被廣泛應用于熱能、電力和液體燃料等的生產［1］。由于生物質能量密度低、體積大，且大多數還具有明顯的區域性和季節性，為保證長年運行，燃料的大量儲存是其大規模利用過程的重要環節［2－3］。生物質燃料的特性決定了其在儲存時不僅會有不同程度的干物質損失［4－5］，還可能出現一些涉及生產安全和人員健康的問題，包括自加熱、有害氣體釋放和生物有害物質感染等［6－7］，其中，自加熱特別是其發展成自燃導致的火災可能造成嚴重的財產甚至生命損失［8］，因而是儲存時最重要的安全問題之一。人類對生物質的自加熱及自燃現象很早就有認識，國外從18世紀起就對牧草及其它農業剩余物儲存時的自加熱問題開展了科學研究［9］。近年來，隨著生物質燃料利用規模和用量的日益增加、商品燃料如木丸等國際貿易的顯著擴大，儲存過程中安全和火災事故時有發生，損失和影響都很大［9］，因此，歐美國家普遍對生產、儲存及運輸過程中的自加熱問題及其安全防范非常重視，并進行了大量的基礎和應用研究［10－11］，積累了豐富的防范經驗。近年來，隨著我國對生物質能源大規模利用特別是發電利用的日益重視，新建了大量的生物質特別是秸稈燃燒電廠。由于燃料需求量大，且秸稈等燃料生產具有顯著的季節性，這些電廠均建有或附屬有大型的儲運系統，其中自加熱導致燃料質量、熱量的大量損失，而自燃也時有發生，成為困擾電廠及儲存系統運行的重要安全問題［12］。對于生物質燃料自加熱及自燃問題，我國也開展了一些研究工作［13］，但與國外相比，研究內容還不系統，尚未建立相應的規范體系。作者主要基于國外在生物質燃料自加熱及自燃方面的研究現狀，對自加熱及自燃機理、影響因素、危害性和防范措施等進行系統的綜述，以期為國內生物質大規模利用企業在燃料儲存時自加熱、自燃及火災的防范提供參考。

1 自加熱及自燃機理

生物質在一定的環境溫度下堆積儲存時，因多種反應而產熱，由于其導熱性能一般較差，當堆內的熱量難以向環境擴散時，堆內溫度會逐漸升高即發生自加熱，在一定條件下自加熱過程可能加速，直至燃料的著火溫度而自燃。該過程一般包括內部溫度逐漸升高的自加熱、溫度快速升高的自加熱加速和發生陰燃或產生火焰的自燃3個階段［14］。目前，對這一過程和現象的定性認識已較一致，但由于其涉及到的產熱機理多而復雜，影響因素也多，加之生物質種類多且特性差異大，已有的研究對這些機理的認識仍有限。因此，對自加熱及自燃過程進行理論和定量的描述仍然是困難的。

生物質自加熱及自燃涉及多種放熱過程，包括生物過程（主要是真菌、細菌等微生物的活動及新鮮生物質的呼吸作用）、化學過程（氧化反應、水解、熱分解、揮發性成分的氧化等）和物理過程（水分的吸附、凝結和潤濕）［15］。這3種機理過程可獨立發生，也可同時發生［9］，而何種機理起控制作用則取決于溫度、濕度等條件和燃料特性。

圖1所示為生物質燃料的自加熱過程。微生物活動導致的溫度升高主要在0～70℃，其中以20～60℃范圍內的貢獻最為重要［15］。溫度低于20℃時主要是嗜冷微生物活動產熱；20～50℃范圍內以嗜溫微生物活動產熱為主，約在40℃達到峰值；40～70℃以嗜熱微生物活動產熱為主，約在60℃達到峰值。當溫度高于70℃時，大多數微生物將死亡，微生物活動顯著減少，產熱也明顯下降［16］。因此，微生物活動產熱所能達到的溫度很少超過70℃，遠低于生物質燃料的著火溫度，而此后的溫度升高直至著火自燃由化學氧化放熱所主導。

化學氧化放熱發生在相對較高的溫度，與微生物活動明顯不同。一般在80℃以上可檢測出氧化反應［17］，但在有水分催化作用下氧化反應可在更低的溫度下進行［18］。有研究認為化學氧化放熱甚至可能開始于40℃，60～70℃時其作用可超過微生物活動產熱。與微生物活動產熱一樣，氧化反應產熱機理也十分復雜，如Walker等［19］發現，80℃時纖維素即可與O2反應，148～173℃時纖維素緩慢分解，熱解產物與O2反應放熱，182℃時纖維素不穩定，達到著火點。如果儲存的生物質內部溫度超過80～ 90℃，則氧化反應作用加強導致放熱顯著增加而有發生自燃的風險。

圖1 生物代謝反應和化學放熱反應作用下的生物質自加熱過程示意圖［15］Fig.1 Contributions of biological metabolic reactions andchemicalexothermicreactiontothe self-heating process of biomass

大量的實際觀察［11，15，20－21］表明，除新鮮生物質的呼吸作用是最初氧消耗和產熱的主要原因外，細菌、真菌等微生物活動產熱導致溫度快速升高至60～70℃并可維持數周，此后數月內溫度可維持不變然后逐漸降低［20］（圖1中實線）。或在一定條件下因緩慢氧化反應等復雜過程放熱溫度可逐漸升高，直至快速升高至著火［21］（圖1中虛線）。發生自燃需要生物質的溫度達到80～90℃以上［21］，此后的氧化放熱足以加熱生物質和驅動快速的熱解、氧化反應直至自燃［16－17］。這些表明微生物活動和氧化反應放熱機理在生物質燃料自加熱過程中的重要性，即微生物反應提供初始溫度升至足夠高，直至能啟動化學氧化過程以升溫至著火點。

2 影響自加熱及自燃的因素

實際過程中，生物質燃料本身的物理化學特性（水分含量、堆積尺寸和密度、顆粒尺寸、燃料種類和特性等）和其儲存的環境條件（氧濃度、溫度、濕度、通風條件）等因素都會不同程度地影響自加熱及自燃過程。

2.1 水分含量

水分含量是生物質燃料自加熱的最重要影響因素之一。通常，潮濕的生物質具有很強的自加熱傾向，這是因為，自加熱的最重要過程是在水分足夠時的微生物生長和呼吸作用，而水分是微生物活動的3個必要條件之一（其它兩個是O2和養分）［16］。微生物所需養分主要是水溶性碳水化合物成分，而只有這些成分濃度高于一定值時才能被微生物利用［22］，因此當水分低于某一臨界值時微生物活動減少；當水分太高（＞65%）時，會因水的浸出作用導致養分流失［23］，還可能因微生物過度生長導致養分和O2相對缺乏［22］，從而抑制微生物活動而產熱減少；而當水分含量在臨界水分和50%～60%之間時，隨水分增加，微生物活動呈指數增加［24］，自加熱也顯著加快。

除影響微生物活動外，水分還顯著影響化學氧化反應及其產熱和傳熱過程［11，17－18］。前文指出，水分可催化氧化反應在低溫下進行，此外，生物質中的水分也影響熱擴散系數和比熱，水分蒸發帶走汽化潛熱，生物質吸濕放熱產生吸附熱，水分有利于生物質成分的水解反應，而水蒸氣運動還有利于O2向內擴散等。

2.2 堆積尺寸和密度

生物質燃料堆積儲存時自加熱過程中的熱量和堆內溫度的變化取決于堆積尺寸，其中內部產熱量正比于堆積體積，而向外傳熱量正比于堆積外表面積，因此自加熱傾向取決于體積／表面積之比（V／A）。增加V／A會導致自燃的臨界環境溫度降低。當環境溫度超過臨界值時，內部反應放熱超過向外散熱，溫度將持續升高，最終自燃。相比起來，堆的形狀比堆的高度對溫度的影響更大［20］。

堆積密度主要影響傳熱過程。堆積的生物質材料可看作多孔介質，其內部熱量主要通過導熱及孔隙內對流（氣體包括水蒸氣流動）形式向外擴散。如果燃料堆壓實，那么其內部空氣循環（對流傳熱）弱，因而熱量不易向外擴散而易導致自燃［17］。

2.3 顆粒尺寸

顆粒尺寸對自加熱過程的影響主要有兩方面。小顆粒表面積大，可滋生更多的微生物而導致產熱多［20］；顆粒小或小顆粒多則儲存時堆積密實、滲透率低，影響熱量的向外擴散，只有顆粒尺寸足夠大（如對于木片，＞100 mm）時，才能提供足夠的滲透率以通過自然對流的形式向外散熱，因此，小顆粒意味著更高的溫度和更多的微生物生長。此外，小顆粒也因表面積大而有利于氧化反應。當然，小顆粒導致的低滲透率一定程度上不利于O2向堆內擴散而降低微生物活動和氧化反應速度［17］。一般地，小顆粒儲存時更易發生自加熱，且自加熱速度快，自燃風險也大［17，20］。

2.4 燃料種類及其特性

微生物活動導致自加熱的臨界水分含量隨生物質種類而變化［22］，這可能是因生物質組成和主導微生物種群不同導致的［17］。如稻草水分低于22%～29%、牧草水分低于25%～30%時幾乎沒有微生物活動［24］，甘蔗渣水分低于29%時微生物活動顯著減弱，而約20%時則停止［21］。對于氧化反應放熱過程，不同的生物質熱分解特性一般不同，影響產物的氧化放熱；一些易氧化成分如木質生物質的脂肪酸含量也不同，因而具有不同的氧化放熱特性；此外不同的生物質著火溫度不同，如木質生物質大致為250℃［25］，而草本生物質略低（如麥秸的著火溫度為220℃）［26］。這些都意味著不同生物質燃料在自加熱和自燃特性上的差異。

2.5 儲存環境條件

氧濃度影響微生物的活動和氧化反應［16－17］。雖然有些細菌可在厭氧條件下生存，但降低氧濃度可抑制絕大多數微生物的活動；降低氧濃度也可以降低氧化反應及其放熱速度［21］，因此采用覆蓋的方式限制O2進入生物質堆可抑制自加熱及自燃過程。

環境溫度也會影響微生物的活動，如在冬季，微生物的活動及其產熱會顯著降低。對于氧化反應過程，一般只有在環境溫度高于臨界著火溫度的條件下才能自燃。

環境濕度主要影響堆積燃料和環境空氣之間的水分交換。濕度低有利于燃料的水分蒸發、自然干燥和冷卻；而濕度高時，燃料易吸附水分而釋放吸附熱有利于自加熱，因而較干燥的生物質在潮濕環境中吸濕過程的物理放熱對自加熱過程起重要作用［9］。

通風有利于燃料的干燥和堆積燃料與環境之間的對流換熱，因此適當的通風措施是室內儲存時防止自加熱和自燃的主要技術措施之一。

2.6 金屬

生物質燃料堆內部如果有金屬塊特別是鐵塊的存在則可能導致自燃。這是因為金屬及其氧化物（如鐵銹）對氧化反應有催化作用［17］，顯著增加氧化放熱速度而使自加熱過程加速［27］。因此，儲存生物質應避免其內部夾雜有金屬。

3 自加熱及自燃的危害

伴隨著自加熱過程的是各種導致產熱的反應過程，如微生物降解、相對較高溫度下氧化和熱分解反應等，它們是生物質燃料儲存時熱量、質量損失的主要原因［4，5，8，20，28－29］。有報道指出，半年到一年的儲存可導致熱量損失10%～24%，干物質損失2%～17%。

自加熱及自燃也會導致嚴重的健康和安全問題［9］。微生物生長特別是霉菌等對人體健康有害。自加熱過程會釋放窒息性氣體（如CO）和刺激性氣體（如醛、酮等）。自加熱及自燃時的陰燃過程的熱分解、燃燒會釋放大量的有害、有毒和可燃氣體，當燃料室內或封閉儲存（如筒倉儲存木丸燃料）時，可能有可燃氣體和粉塵爆炸的危險［9］。

最嚴重的危害是因自燃導致的。由于自加熱導致的自燃而引發火災并不少見，自燃嚴重影響生物質燃料儲存和利用過程的安全，產生巨大的能源浪費和經濟損失，此外自燃釋放的氣體、顆粒物也會嚴重污染環境，因此控制燃料儲存時自加熱過程、防止自燃是生物質發電廠及其儲運系統安全生產必須要解決的問題。

4 自加熱及自燃的防范措施

基于大量的研究和工程實踐，國外在生物質燃料儲存時自加熱及自燃的防范方面積累了豐富的經驗，主要包括儲存、監測和自燃火災消防等，現簡要綜述如下。值得指出的是，國外公開文獻中的經驗主要是針對木質生物質燃料和木丸，而關于草本生物質的相對較少。

4.1 生物質燃料儲存的一般原則

儲存前盡可能干燥，儲存時保持干燥。對于大多數生物質燃料，當水分低于20%時幾乎沒有微生物活動，因此，降低或抑制微生物活動和控制自加熱的首選措施是干燥。例如剛收割的稻草水分一般在40%～75%，需要干燥至約18%以下再打捆［24］，并且存放在干燥的地方，做好雨、雪防潮準備。當在室內成堆儲存新鮮生物質時，如果存在自然對流，則會降低燃料的含水量，同時也會降低干物質損失，因此加強通風也是防止自燃的一個有效措施。

在室外木質生物質儲存時的經驗（一般也適應于草本生物質）［9］包括：1）如果可能，儲存干燥燃料（水分＜20%）避免微生物生長；2）限制同一堆內燃料水分的差異；3）不同種類、質量的燃料不應混合儲存，而應分堆堆放；4）盡可能采用小堆，縮短儲存期，遵循“先進先用”的原則；5）采用細長堆，長度方向沿主風向，堆底寬度為堆高的兩倍；6）避免堆積過高（不同木質燃料的最大堆積高度見表1），避免長度方向高低不平；7）不要壓實；8）避免堆內有金屬物體。

草類生物質儲存的一般經驗［8］包括：1）打捆的水分要求＜20%，捆的密度越大、尺寸越大，需要越干；2）因干、濕草交界處易自燃，應避免，不得已則鮮、濕草堆放在外部而非中間，非常鮮、濕草則不堆；3）小的方捆堆每層之間應留一些空氣通道，室內儲存時保證良好的通風；4）實時進行溫度監測。

表1 不同木質燃料的最大堆積高度［9］Table 1 Maximum storage heights for different types of wood fuelsm

4.2 自加熱及自燃的檢測與監控

自燃開始通常以陰燃的形式出現在生物質堆內部。如果通過氣體檢測，則一般是在燃燒較強烈而產生氣體如CO較多時才能檢測出來，這個過程需要很長時間。但是自燃前都有一些跡象，因而一般可通過定期檢測溫度來監測［30］。例如草類在儲存兩周到兩個月時間內都可能發生自燃，因此在儲存開始兩天之內就需要開始溫度檢測，并在10天到兩周時間內進行日常的溫度監測，監測可持續兩個月，這取決于儲存條件和草的水分；當溫度接近70℃，至少每天檢查溫度以監測溫度的變化趨勢；當溫度在70～80℃時，應考慮翻堆干燥和冷卻；80～90℃時，應進行防火預警和停止通風以減少氧氣供應；如果溫度＞100℃時則要求消防到場，但應避免翻動草垛，防止遇空氣著火。

當在室內儲存生物質時，應同時監測溫度和氣體組分。由于生物質自加熱會形成醛、羧酸和CO、CO2、CH4等氣體，可能會因其濃度過高形成劇毒環境，對進入的人員造成傷害，因此可以采用溫度探頭測量燃料表面或靠近表面的溫度，并且使用CO氣體分析儀或基于氣體傳感器的更先進的火災探測系統綜合地監測儲存堆。目前國外的生物質燃料室內儲存系統一般還包括強制通風和除濕系統，用于控制儲存燃料的熱狀況和水分含量［9］。

4.3 自燃的消防

生物質燃料自燃的消防與其它大多數產品的處理方式不同，一般不宜用水滅火和降低堆的溫度［20］，因而限制了滅火劑的選擇。目前國內外常用消防泡沫滅火，泡沫為顆粒表面提供一個持久的覆蓋面，可降低表面熱輻射和火勢快速蔓延的風險。只有在較大明火或有增強火勢的塵埃云出現時才采用水來盡快地抑制火焰和滅火［9］。

5 結論

生物質燃料儲存時的自加熱不僅導致熱量、質量損失，而且會釋放大量有害、有毒和污染性氣體，嚴重時還會導致自燃和火災，是影響生物質大規模應用過程安全、經濟性的重要問題。隨著生物質大規模利用技術在我國的快速發展和大量生物質燃燒電廠及其儲運系統的建立，自加熱及自燃的有效防范顯得十分重要。目前，我國生物質電廠大量燃用秸稈等草本生物質，這類燃料的自加熱及自燃問題較為突出，而國外較多的研究特別是防范經驗主要是針對木質燃料，關于草本生物質燃料儲存的公開經驗相對較少。盡管如此，國外已有的研究成果和經驗仍可作為我國生物質燃燒電廠等生物質大規模利用企業燃料儲存時自加熱及自燃防范的參考。考慮到草本生物質在特性、儲存方式上與木質燃料有一定的差異，在我國開展和加強生物質特別是草本生物質燃料自加熱及自燃防范方面的研究是十分重要和必要的。

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Review on Self-heating and Spontaneous Combustion of Biomass Fuels and Their Prevention

FAN Peng-hui，ZHANG Hui，SHENG Chang-dong
（School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China）

Based on the overseas researches and experiences of engineering practices，the mechanisms of biomass self-heating，the critical influencing factors，the potential hazards，the protective measures and experience were systematically reviewed.The purpose is suggested for biomass fired power plants as well as other large-scale biomass users to prevent self-heating，spontaneous combustion and fire during fuel storage.

Biomass fuels；Self-heating；Spontaneous Combustion；Preventive measures

TQ35

A

1673-5854（2014）04-0051-06

10.3969／j.issn.1673-5854.2014.04.010

2014-03-28

范朋慧（1988—），女，河南濮陽人，碩士生，從事生物質焦低溫下動力學特性研究；E-mail：ff＿0621＠163.com

*通訊作者：盛昌棟（1967—），男，安徽繁昌人，教授，博士，從事煤粉和生物質燃燒及其污染防治研究工作；E-mail：c.d.sheng＠seu.edu.cn。