生物制成型燃料共燃特性研究*
——以牛糞和青稞顆粒燃料為例

西藏農牧學院 饒月，李靜，于萍萍

顆粒燃料是指由生物質壓縮制成的供暖型燃料，因此具有可再生性、低污染性和實用性[1-2]。目前生物質顆粒燃料主要為木屑、花生殼、稻殼、秸稈、棉籽殼等經過專業技術處理后，生產得到的塊狀能源，在鍋爐燃燒和高原地區供暖領域中具有較好的發展前景。西藏地區居民一般都是將牛糞經自然風干成牛糞餅后作燃料燒茶做飯，或者是簡單堆漚后直接施用到農田，資源的利用效率偏低。據測算，一頭成年牦牛一年可產生糞便2.65t左右（以平均一天產生7.25kg牛糞計算）[3]。青稞作為廣大藏區的主要糧食作物，保證其有效利用率也尤為重要。近年來，國內外大量研究學者對這兩種生物質的燃燒特性進行了大量研究，付文軒[4]等進行了廢棄牛糞生物質燃燒特性的熱重分析，通過對燃燒特征參數提取和計算，討論樣品的著火、燃燒和燃燼性能指標。結果表明，隨著升溫速率增大，可燃性指數、燃燼特性指數和燃燒特征指數均呈增加趨勢。楊鵬[5]等選取鋸末、谷糠、果樹殘枝三種常見的木質類和非木質類有機廢棄物為輔料，通過調節原料配比及含水率，采用擠壓成型和特性測定等方法，分析了原料含水率和原料配比對顆粒成型燃料成型率、全水分、灰分、揮發分、固定碳、含硫量和發熱量的影響。結果表明，牛糞與果樹殘枝2∶1混合是牛糞制備顆粒燃料的最優組合配方。

可以看出，現階段對牛糞和青稞混合燃料燃燒特性的研究較少。本研究以牛糞和青稞顆粒燃料為原料，配置成不同比例（青稞含量為25%、50%、75%）的混合燃料，對比分析三種配比燃料在升溫速率為30℃/min時的可燃特性、揮發分析出特性和綜合燃燒特性。從多方面分析以上三種燃料的燃燒特性，為牛糞、青稞生物質顆粒燃料開發利用提供了更多理論參考和實驗依據。

一、材料與方法

（一）材料處理

牛糞和青稞均取自西藏林芝，經晾曬后打碎成2mm左右的粉末。根據GB/T28730-2012、GB/T28731-2012、GB/T28732-2012、GB/T3--0733-2014、GB/T30727-2014、GB/T28733-2012等國家標準對兩種原料主要進行了工業分析、收到基恒容低位發熱量和碳、氫、氮、氧元素的測定，牛糞和青稞兩種原料的工業分析和元素分析見表1所示。將兩種粉末加工成致密成型燃料，用密封袋封裝保存，置于干燥器內備用。

表1 原料的工業分析和元素分析

（二）儀器及方法

試驗儀器：該試驗在DZSTA 200同步熱分析儀上進行，該儀器的主要性能指標為最高溫度可以達到1200℃；測量范圍為0-2000mg；加熱速率的范圍在1-80℃/min之間；溫度分辨率為0.1℃；溫控方式為升溫、恒溫、降溫。

試驗方法：把做好的牛糞和青稞兩種顆粒燃料切成每份樣品質量為6mg左右，試驗時反應氣為空氣，流量為60ml/min，燃燒溫度范圍為室溫到1000℃。為保證本試驗數據的可靠性，每種樣品均做三組重復試驗。

（三）數據處理

本試驗的著火溫度用切線法來確定，在DTG曲線揮發分析出階段的峰值點做一條垂線與TG，這條垂線與TG曲線交于一點，然后過交點作TG曲線的切線并與失重起始平行線（質量損失為5%時）相交，標記為A點，該點A所對應的溫度為著火溫度，記為Ti。

二、結果與分析

（一）TG和DTG曲線分析

圖1為三種不同配比的燃料在升溫速率為30℃/min下的失重（TG）曲線和失重速率（DTG）曲線。可以看出，三種燃料的TG曲線下降的大體趨勢相似，均為一開始略微下降，然后快速下降，最后趨于平緩的燃燒過程。

圖1 三種燃料的TG和DTG曲線

整個燃燒過程主要發生在TG曲線平緩之前，對應DTG曲線上的不同峰值，即TG曲線上一開始的輕微下降階段對應為DTG曲線上的第一個小峰值，在這一階段，燃料的質量損失較小，為燃料的水分蒸發階段。揮發分析出燃燒階段是TG曲線上下降最為迅速的一段，對應DTG曲線上的最大的一個峰值，即最大燃燒速率，在這一階段，燃料內部的揮發分快速析出并燃燒，可以看出，隨著燃料中青稞含量的增加，其最大燃燒速率也增大。DTG曲線上的第三個峰值對應TG曲線上揮發分析出后的一段，這一燃燒階段為燃料的固定碳燃燒階段，最后為燃盡階段。還有一部分沒有燃燒完全。青稞含量為50%和75%時，燃料的剩余灰渣量相近，分別為14.7%和14.9%。即當青稞顆粒的含量大于等于50%時，其剩余灰渣量較少，有利于燃料的燃燒。

表2列出了三種燃料在升溫速率為30℃/min時的著火與燃盡溫度等特性參數、燃燒速率等值。可以看出，三種燃料的著火溫度接近，差值在3℃左右，隨著青稞含量的增加，其燃盡溫度減小，燃料中青稞的含量在75%時，其燃燒速率最大為37.9%·min-1，是青稞含量為50%時的1.3倍，青稞含量為75%時的2.3倍，平均燃燒速率最大為9.1%·min-1。

表2 三種燃料的燃燒特性參數

（二）燃燒特性分析

為了綜合分析這兩種生物質顆粒燃料共燃的燃燒特性，下面從可燃特性指數、揮發分析出特性指數和綜合燃燒特性指數這幾個方面對試驗結果進行分析。

1.可燃特性指數

式中，Cr為生物質的可燃特性指數，Cr值越大，著火溫度越低，生物質越易燃燒，(dw/dt)max為最大燃燒速率；Ti為著火溫度，采用TG-DTG切線法確定。

2.揮發分析出特性指數

式中，Rh為生物質的揮發分析出特性指數，Rh值越大，燃料內部的揮發分越容易遇熱分解，析出速率也越快，揮發分析出也越徹底。Tmax為最大燃燒速率所對應的溫度；△T為揮發分最大析出速率所對應的溫度與著火溫度的溫度差。

3.綜合燃燒特性指數

式中，P為綜合燃燒特性指數，P值越大，燃燒過程越穩定。(dw/dt)mean為平均燃燒速率；Th為燃盡溫度，除了生物質到燃盡階段燃燒的剩余灰渣外，生物質顆粒燃料內部可燃物燃燒到98%時所對應的溫度。

圖2為三種燃料剩余灰渣量的百分比，可以看出，燃料中青稞含量為25%時，其剩余灰渣量最多為40.8%，主要是由于牛糞的灰分含量高，牛糞和青稞顆粒燃料混合時，牛糞過多，在可燃物質燃盡后會在沒燃盡的物質外圍形成一層灰渣層，導致燃料中

圖2 三種燃料的剩余灰渣量

表3為三種燃料的可燃特性指數Cr、揮發分析出特性指數Rh和綜合燃燒特性指數P的值。從表3可以看出，燃料中青稞的含量為25%時，其可燃特性指數、揮發分析出特性指數和綜合燃燒特性指數的值均最小，分別為2.3×10-4mg·min-1·℃-2、1.92×10-4mg·min-1·℃-2和2.3×10-6 mg2·min-1·℃-2。隨著燃料中青稞含量的增加，三種指數的值也有不同程度的增大，青稞含量增加到50%時，三種指數分別增加0.85倍、1倍和2.1倍。青稞含量增加到75%時，三種指數分別增加1.3倍、1.7倍 和3.2倍。所以在青稞含量為75%時，燃料的這三種指數的值最大，分別為5.28×10-4mg·min-1·℃-2、5.13×10-4mg·min-1·℃-2和9.7×10-6mg2·min-1·℃-2。這三種燃燒特性指數能分別從燃料的可燃程度揮發分析出程度和燃燒過程的穩定性等方面綜合分析燃料，其數值越大，燃燒的可燃程度、揮發分析出程度和燃燒的穩定性能也越好。所以可以從表3中清晰地看出燃料中青稞的含量為75%時，其燃燒特性最佳。

表3 三種燃料的燃燒特性指數

三、結論

（1）燃料中青稞顆粒的含量大于等于50%時，其剩余灰渣量較少，有利于燃料的燃燒。青稞的含量在75%時，其燃燒速率最大為37.9%·min-1，是青稞含量為50%時的1.3倍，青稞含量為75%時的2.3倍。

（2）從三種特性指數分析可得，燃料中青稞含量為75%時，可燃特性指數Cr揮發分析出特性指數Rh和綜合燃燒指數P的值均最大，分別為5.28×10-4mg·min-1·℃-2、5.13×10-4mg·min-1·℃-2和9.7×10-6 mg2·min-1·℃-2。

相關鏈接

顆粒燃料（英語：Pellet fuel）是從生物質壓縮制成的供暖燃料。最常用類型是木顆粒。作為木頭燃料的一種形式，木顆粒通常從鋸木及其他木制品產生的壓實的鋸末或其他廢物制成。其他木本生物質能源包括棕櫚核殼，椰子殼，以及整樹移除或在伐木之后剩余的樹梢和樹枝等，否則有助于補充土壤養分。還有草類也可以顆粒化，形成草顆粒。顆粒被制造成幾種類型和等級燃料用于發電廠，家庭，和在兩者之間其他應用。顆粒是非常致密的并可制備低含水量（低于10%），使它們能夠以非常高的燃燒效率被焚燒。

此外，它們的規則的幾何形狀和小尺寸使自動送料能做到非常精細的校準。它們可以通過螺旋推運器進料或由氣動輸送供給到燃燒器。它們的高密度也允許緊湊的存儲和合理的長距離運輸。它們可叢罐車方便地被吹入至在客戶的場所的儲倉或筒倉。

自1993年以來，范圍廣泛的顆粒爐，中央供暖爐，及其他供暖器具已經被開發和銷售。隨著2005年以來的化石燃料價格的飆升，對顆粒供暖的需求在歐洲和北美有所增加，并且一個龐大的產業正在興起。據國際能源署的任務40工作組，木屑顆粒的生產已由2006年到2010年間增加了一倍，至超過1400萬噸。在2012年的報告中，生物質能資源中心表示，它預計在北美地區木顆粒的生產在未來五年內將會再增加一倍。

顆粒被制造是首先把木質材料通過一個錘磨機變成均勻的生面團狀物質，再被壓縮而成。這些物質被送入壓縮機，在那里通過模具擠成顆粒，模具通孔具有所需大小的尺寸 （直徑一般為6毫米，有時8毫米或更大)。壓縮機的高壓使木材的溫度大大增加，并且木質素略微塑化形成天然“膠水”在它冷卻時把粒料粘一起。

顆粒可以被從草生物質和不含有木質素的其它非木本形式制成：干燥的酒糟谷粒（一種釀造工業副產品）可以被添加，以提供必要的耐久性。康奈爾大學新聞2005年的新聞報道表明，草顆粒生產在歐洲比北美更先進。它建議作為原料草的好處包括其短生長時間（70天），且易于種植和加工。