新疆乌苏市生物质能试验研究分析

，，， ， ，

(1.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐 830000; 2.新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830047)

新疆乌苏市生物质能试验研究分析

王亮1，樊小朝2，龚文杰2，王鑫2，高强2，尹文俊2

(1.国网新疆电力公司乌鲁木齐供电公司，乌鲁木齐 830000; 2.新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830047)

文中对乌苏市地区九间乡、皇宫镇的棉秆、麦秆以及玉米秆进行试验研究，包括工业成分分析，元素分析，并对发热量、污染以及灰熔融性等方面进行比对，对实际的生物质发电工程具有一定的指导意义。

生物质能；试验研究；发热量

0 引 言

生物质是有机体，利用光合作用贮存能量。生物质能是世界四大能源之一，是可持续发展能源，是世界上最为广泛的可再生能源[1-4]。生物质能利用主要包括：燃烧、热化学及生物化学三方面[5-6]。生物质能作为可再生能源，广受世界各国的关注，如美国的能源农场、印度的绿色能源、日本的阳光计划以及巴西的酒精能源[7]。我国也不例外，“十二五”计划中明确提出发展生物质能作为化石能源替代品[8-9]。因此，本文研究了新疆乌苏市生物质，并进行了实验研究分析，为新疆生物质能的利用提供一定的数据参考。

1 生物质的燃烧

以木材为例，首先加热升温，在200 ℃半纤维素开始分解，再木质素纤维素分解，在300 ℃纤维素的分解急剧进行，在350 ℃分解基本完成，木质素纤维素一直持续到500 ℃。热解物与空气混合燃烧，放出大量的热，约占70%。火焰燃烧结束后，木质素燃烧，无火焰无灰产生[10]。

因此，需要对燃烧成分及产物做一定的研究分析，一些生物质和燃料资源的发热量、元素组成与灰分如图1所示[11]。

生物质发热量不是很高，但含硫量低，灰分也少，所以生物质的燃烧，产生的大气污染问题也相对较小。

图1 各种燃料元素成分及发热量对比

2 生物质试验研究和成分分析

2.1试验样品

乌苏市地区两个乡镇(九间乡、皇宫镇)的棉秆、麦秆以及玉米秆，先自然风干，再用XR-1/100A密封式制样粉碎机粉碎，如图2所示。

图2 乌苏市生物质试验样品

图3 干燥后的样品

首先以两个乡镇棉秆为实验样品，进行试验。

2.2水分

称取一定量的样品，置于鼓风干燥箱内(105～110 ℃)，空气流干燥，到质量恒定，干燥后如图3所示。根据秆样的质量损失计算水的质量分数：

(1)

式中:m1为干燥后质量;m为样品原质量。

原质量为21.1 224 g、21.0 349 g，干燥后为19.9 804 g、19.9 083 g，计算得水分为8.75%、7.21%。

2.3挥发分

将一定量的样品放在带盖的瓷坩埚中，在(900±10)℃马沸炉下，隔绝空气加热7 min。以减少的质量占原质量的分数，减去该棉秆样的水分就得到挥发分。挥发分计算式：

(2)

试验结果，挥发分为78.17%、76.31%。

2.4灰分

称取一定量秆样，放入马弗炉中，以一定的速度加热到(815±10)℃，灰化并灼烧到质量恒定。以残留物的质量占原样质量的质量分数作为棉秆样的灰分。

(3)

试验结果，灰分为3.34%、4.43%。

2.5固定碳

FCat=100-(Aad+Mad+Vad)%

(3)

式中：Mad为水分的质量分数%；Vad为挥发分的质量分数%；Aad为灰分的质量分数%。

计算结果，固定碳为9.94%、12.05%。

2.6硫

在催化剂作用下，样品在空气流中燃烧分解，生成二氧化硫并被碘化钾溶液吸收，电解碘化钾溶液所产生碘，进行滴定，根据电解所消耗的电量计算硫的含量。

试验结果，干基硫为0.141 3%、0.131 1%。

2.7发热量及热容量

将一定量的，在富氧条件下，试样至于密封的氧弹中，完全燃烧，放出的热量被内桶水所吸收，利用水的升温与试样燃烧放出的热量成正比来计算。

试验结果，热容量为16.054 kJ/K、16.579 kJ/K；发热量为17.054 MJ/kg、16.920 MJ/kg。

2.8灰熔融性

灰在一定高温内融化的性质为灰的熔融性，并用灰的变形温度DT、软化温度ST和流动温度FT来表示[12]。将灰制成三角锥，在WS灰熔融性测试仪中加热升温，观察灰锥的形态变化，观测并记录它的四个特征熔融温度：变形温度、软化温度、半球温度和流动温度(℃)。

试验结果：

按照以上方法步骤，对乌苏市地区两个乡镇(九间乡、皇宫镇)的麦秆以及玉米秆的成分进行分析，并进行比对，具体结果如下。

2.9工业成分

九间乡、皇宫镇棉秆、麦秆以及玉米秆工业成分如图4～6所示。

图4 棉秆工业成分

图5 麦秆工业成分

图6 玉米秆工业成分

从图4～6可以看出，棉秆和玉米秆的挥发分含量较高，而且灰分较少，相对小麦秆更适合作燃料。

2.9燃烧污染比对

燃烧产物二氧化硫与硫分是成正比的，硫分比对如图7～8所示。

图7 九间乡生物质硫分对比

图8 皇宫镇生物质硫分对比

从图7～8可以看出，麦秆的含硫量最小，玉米秆的含硫量最多，棉秆的居中，因此，麦秆燃烧对空气污染最小。另外，九间乡生物质硫分要比皇宫镇的高一些，这可能与当地的土壤结构有一定关系，需要更进一步研究。

2.9发热量和热容量的比对

燃烧放热的多少与发热量和热容量是成一定的关系，如图9～12所示。

图9 九间乡生物质热容量对比

图10 皇宫镇生物质热容量对比

图11 九间乡生物质发热量对比

图12 皇宫镇生物质热发热对比

由图9～12可见，麦秆的热容量最高，玉米的最低，棉秆的在中间。麦秆的发热量相对较低，玉米秆和棉秆的相对较高。

2.10灰熔融性的比对

图13 棉秆熔融性

图14 麦秆熔融性

图15 玉米秆熔融性

从图13～15可以看出，麦秆熔点最低，其次是棉秆，再就是玉米秆，在生物质发电厂，熔点越低，越容易积灰结渣，因此，从安全经济生产角度来看，玉米秆比较合适。

3 结 论

文中对乌苏市地区两个乡镇(九间乡、皇宫镇)的棉秆、麦秆以及玉米秆进行了试验研究，包括工业成分分析，元素分析，并从发热量、污染以及灰熔融性等方面进行了比对，具体结论如下：

(1)麦秆的热容量最高，玉米的最低，棉秆的在中间；麦秆的发热量相对较低，玉米秆和棉秆的相对较高。

(2)麦秆熔点最低，其次是棉秆，再就是玉米秆，麦秆燃烧容易积灰结渣。

(3)麦秆的含硫量最小，玉米秆的含硫量最多，棉秆的居中，麦秆燃烧对空气污染最小。

另外，九间乡生物质硫分要比皇宫镇的高一些，这可能与当地的生态环境有一定关系，需要更进一步研究。

综上所述，研究得到的结论会对生物质发电工程实际具有一定的指导意义。

致谢：

国家自然科学基金项目：“分层液膜沿非均匀受热斜面流动传热特性分析(51106132)”，新疆教育厅项目(XJEDU2012S05)，新疆大学项目(XJU-SRT-13128)。

[1] 吴金卓，马 琳，林文树.生物质发电技术和经济性研究综述[J].森林工程，2012，28(5)：102-106.

[2] 胡润清，秦世平，樊京春．中国生物质能技术路线图研究[M]．北京: 中国环境科学出版社，2011．

[3] 中华人民共和国可再生能源法[M].北京: 人民出版社， 2010．

[4] 田宜水，赵立欣，孙丽英，等. 农业生物质能资源分析与评价[J]. 中国工程科学，2011，13(2)：24-28.

[5] 车德勇,李 健,李少华,等.生物质掺混比例对煤气化特性影响的试验研究[J].中国电机工程学报,2013,33(5):35-40.

[6] Lee S H，Yoon S J，Ra H W，et al．Gasification characteristics of coke and mixture with coal in an entrained-flow gasify [J]. Energy, 2010, 35(8):3239-3244.

[7] 方 向.典型生物质燃烧特性研究[D]. 北京: 北京交通大学，2011.

[8] 张 燕，佟 达，宋魁彦.生物质能的热化学转化技术[J]. 森林工程,2012,28(2):14-17.

[9] 郗伟东，董 帅，姚玉生，等.吉林省主要生物质县域分布及能源化综合利用布局研究[J]. 安徽农业科学，2012,40(33)：15-22.

[10] 姜 洋.生物质能源成本问题研究综述与分析[J]. 安徽农业科学，2011，39(16):9759-9760．

[11] 霍丽丽，孟海波，田宜水，等.粉碎秸秆类生物质原料物理特性试验[J].农业工程学报, 2012,28(11)：189-195.

[12] 王金星，李 超，刘慧敏，等.烟煤/生物质混燃特性实验研究[J].电力科学与工程.2012,28(2)：56-59.

ExperimentalStudyandAnalysisofBiomassEnergyinXinjiangWusuCity

WANG Liang, GONG Xiao-chao, GONG Wen-jie, WANG Xin, GAO Qiang, YIN Wen-jun

(1.UrumqiPowerCompany,StateGridXinjiangElectricPowerCompany,Urumuqi830000,China;2.CollegeofElectricalEngineering,XinjiangUniversity,Urumqi830047,China)

The wheat straw and cotton stalk of corn stalk were studied in the area of Jiujian and Huanggong Town，Wusu city, Xinjiang. The industrial analysis, element analysis, and the heat, pollution and ash fusibility and other aspects of the comparison were studied. And there is a certain guiding significance to the actual biomass power generation project.

Biomass energy; Experimental study; Thermal power

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.003.013

2013-12-21

：2014-02-25

国家自然科学基金项目；分层液膜沿非均匀受热斜面流动传热特性分析(51106132)；新疆教育厅项目(XJEDU2012S05)；新疆大学项目(XJU-SRT-13128)。

王 亮，男，主要从事供热系统，换热站调节装置研究。

TK262;O1-8

：A

：1009-3230(2014)03-0050-05