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(1.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830000; 2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

新疆烏蘇市生物質(zhì)能試驗(yàn)研究分析

王亮1，樊小朝2，龔文杰2，王鑫2，高強(qiáng)2，尹文俊2

(1.國網(wǎng)新疆電力公司烏魯木齊供電公司，烏魯木齊 830000; 2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

文中對烏蘇市地區(qū)九間鄉(xiāng)、皇宮鎮(zhèn)的棉稈、麥稈以及玉米稈進(jìn)行試驗(yàn)研究，包括工業(yè)成分分析，元素分析，并對發(fā)熱量、污染以及灰熔融性等方面進(jìn)行比對，對實(shí)際的生物質(zhì)發(fā)電工程具有一定的指導(dǎo)意義。

生物質(zhì)能；試驗(yàn)研究；發(fā)熱量

0 引 言

生物質(zhì)是有機(jī)體，利用光合作用貯存能量。生物質(zhì)能是世界四大能源之一，是可持續(xù)發(fā)展能源，是世界上最為廣泛的可再生能源[1-4]。生物質(zhì)能利用主要包括：燃燒、熱化學(xué)及生物化學(xué)三方面[5-6]。生物質(zhì)能作為可再生能源，廣受世界各國的關(guān)注，如美國的能源農(nóng)場、印度的綠色能源、日本的陽光計(jì)劃以及巴西的酒精能源[7]。我國也不例外，“十二五”計(jì)劃中明確提出發(fā)展生物質(zhì)能作為化石能源替代品[8-9]。因此，本文研究了新疆烏蘇市生物質(zhì)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究分析，為新疆生物質(zhì)能的利用提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 生物質(zhì)的燃燒

以木材為例，首先加熱升溫，在200 ℃半纖維素開始分解，再木質(zhì)素纖維素分解，在300 ℃纖維素的分解急劇進(jìn)行，在350 ℃分解基本完成，木質(zhì)素纖維素一直持續(xù)到500 ℃。熱解物與空氣混合燃燒，放出大量的熱，約占70%?；鹧嫒紵Y(jié)束后，木質(zhì)素燃燒，無火焰無灰產(chǎn)生[10]。

因此，需要對燃燒成分及產(chǎn)物做一定的研究分析，一些生物質(zhì)和燃料資源的發(fā)熱量、元素組成與灰分如圖1所示[11]。

生物質(zhì)發(fā)熱量不是很高，但含硫量低，灰分也少，所以生物質(zhì)的燃燒，產(chǎn)生的大氣污染問題也相對較小。

圖1 各種燃料元素成分及發(fā)熱量對比

2 生物質(zhì)試驗(yàn)研究和成分分析

2.1試驗(yàn)樣品

烏蘇市地區(qū)兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(九間鄉(xiāng)、皇宮鎮(zhèn))的棉稈、麥稈以及玉米稈，先自然風(fēng)干，再用XR-1/100A密封式制樣粉碎機(jī)粉碎，如圖2所示。

圖2 烏蘇市生物質(zhì)試驗(yàn)樣品

圖3 干燥后的樣品

首先以兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)棉稈為實(shí)驗(yàn)樣品，進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2水分

稱取一定量的樣品，置于鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)(105～110 ℃)，空氣流干燥，到質(zhì)量恒定，干燥后如圖3所示。根據(jù)稈樣的質(zhì)量損失計(jì)算水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

(1)

式中:m1為干燥后質(zhì)量;m為樣品原質(zhì)量。

原質(zhì)量為21.1 224 g、21.0 349 g，干燥后為19.9 804 g、19.9 083 g，計(jì)算得水分為8.75%、7.21%。

2.3揮發(fā)分

將一定量的樣品放在帶蓋的瓷坩堝中，在(900±10)℃馬沸爐下，隔絕空氣加熱7 min。以減少的質(zhì)量占原質(zhì)量的分?jǐn)?shù)，減去該棉稈樣的水分就得到揮發(fā)分。揮發(fā)分計(jì)算式：

(2)

試驗(yàn)結(jié)果，揮發(fā)分為78.17%、76.31%。

2.4灰分

稱取一定量稈樣，放入馬弗爐中，以一定的速度加熱到(815±10)℃，灰化并灼燒到質(zhì)量恒定。以殘留物的質(zhì)量占原樣質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為棉稈樣的灰分。

(3)

試驗(yàn)結(jié)果，灰分為3.34%、4.43%。

2.5固定碳

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

(3)

式中：Mad為水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%；Vad為揮發(fā)分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%；Aad為灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)%。

計(jì)算結(jié)果，固定碳為9.94%、12.05%。

2.6硫

在催化劑作用下，樣品在空氣流中燃燒分解，生成二氧化硫并被碘化鉀溶液吸收，電解碘化鉀溶液所產(chǎn)生碘，進(jìn)行滴定，根據(jù)電解所消耗的電量計(jì)算硫的含量。

試驗(yàn)結(jié)果，干基硫?yàn)?.141 3%、0.131 1%。

2.7發(fā)熱量及熱容量

將一定量的，在富氧條件下，試樣至于密封的氧彈中，完全燃燒，放出的熱量被內(nèi)桶水所吸收，利用水的升溫與試樣燃燒放出的熱量成正比來計(jì)算。

試驗(yàn)結(jié)果，熱容量為16.054 kJ/K、16.579 kJ/K；發(fā)熱量為17.054 MJ/kg、16.920 MJ/kg。

2.8灰熔融性

灰在一定高溫內(nèi)融化的性質(zhì)為灰的熔融性，并用灰的變形溫度DT、軟化溫度ST和流動(dòng)溫度FT來表示[12]。將灰制成三角錐，在WS灰熔融性測試儀中加熱升溫，觀察灰錐的形態(tài)變化，觀測并記錄它的四個(gè)特征熔融溫度：變形溫度、軟化溫度、半球溫度和流動(dòng)溫度(℃)。

試驗(yàn)結(jié)果：

按照以上方法步驟，對烏蘇市地區(qū)兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(九間鄉(xiāng)、皇宮鎮(zhèn))的麥稈以及玉米稈的成分進(jìn)行分析，并進(jìn)行比對，具體結(jié)果如下。

2.9工業(yè)成分

九間鄉(xiāng)、皇宮鎮(zhèn)棉稈、麥稈以及玉米稈工業(yè)成分如圖4～6所示。

圖4 棉稈工業(yè)成分

圖5 麥稈工業(yè)成分

圖6 玉米稈工業(yè)成分

從圖4～6可以看出，棉稈和玉米稈的揮發(fā)分含量較高，而且灰分較少，相對小麥稈更適合作燃料。

2.9燃燒污染比對

燃燒產(chǎn)物二氧化硫與硫分是成正比的，硫分比對如圖7～8所示。

圖7 九間鄉(xiāng)生物質(zhì)硫分對比

圖8 皇宮鎮(zhèn)生物質(zhì)硫分對比

從圖7～8可以看出，麥稈的含硫量最小，玉米稈的含硫量最多，棉稈的居中，因此，麥稈燃燒對空氣污染最小。另外，九間鄉(xiāng)生物質(zhì)硫分要比皇宮鎮(zhèn)的高一些，這可能與當(dāng)?shù)氐耐寥澜Y(jié)構(gòu)有一定關(guān)系，需要更進(jìn)一步研究。

2.9發(fā)熱量和熱容量的比對

燃燒放熱的多少與發(fā)熱量和熱容量是成一定的關(guān)系，如圖9～12所示。

圖9 九間鄉(xiāng)生物質(zhì)熱容量對比

圖10 皇宮鎮(zhèn)生物質(zhì)熱容量對比

圖11 九間鄉(xiāng)生物質(zhì)發(fā)熱量對比

圖12 皇宮鎮(zhèn)生物質(zhì)熱發(fā)熱對比

由圖9～12可見，麥稈的熱容量最高，玉米的最低，棉稈的在中間。麥稈的發(fā)熱量相對較低，玉米稈和棉稈的相對較高。

2.10灰熔融性的比對

圖13 棉稈熔融性

圖14 麥稈熔融性

圖15 玉米稈熔融性

從圖13～15可以看出，麥稈熔點(diǎn)最低，其次是棉稈，再就是玉米稈，在生物質(zhì)發(fā)電廠，熔點(diǎn)越低，越容易積灰結(jié)渣，因此，從安全經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)角度來看，玉米稈比較合適。

3 結(jié) 論

文中對烏蘇市地區(qū)兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)(九間鄉(xiāng)、皇宮鎮(zhèn))的棉稈、麥稈以及玉米稈進(jìn)行了試驗(yàn)研究，包括工業(yè)成分分析，元素分析，并從發(fā)熱量、污染以及灰熔融性等方面進(jìn)行了比對，具體結(jié)論如下：

(1)麥稈的熱容量最高，玉米的最低，棉稈的在中間；麥稈的發(fā)熱量相對較低，玉米稈和棉稈的相對較高。

(2)麥稈熔點(diǎn)最低，其次是棉稈，再就是玉米稈，麥稈燃燒容易積灰結(jié)渣。

(3)麥稈的含硫量最小，玉米稈的含硫量最多，棉稈的居中，麥稈燃燒對空氣污染最小。

另外，九間鄉(xiāng)生物質(zhì)硫分要比皇宮鎮(zhèn)的高一些，這可能與當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境有一定關(guān)系，需要更進(jìn)一步研究。

綜上所述，研究得到的結(jié)論會(huì)對生物質(zhì)發(fā)電工程實(shí)際具有一定的指導(dǎo)意義。

致謝：

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：“分層液膜沿非均勻受熱斜面流動(dòng)傳熱特性分析(51106132)”，新疆教育廳項(xiàng)目(XJEDU2012S05)，新疆大學(xué)項(xiàng)目(XJU-SRT-13128)。

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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

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目；分層液膜沿非均勻受熱斜面流動(dòng)傳熱特性分析(51106132)；新疆教育廳項(xiàng)目(XJEDU2012S05)；新疆大學(xué)項(xiàng)目(XJU-SRT-13128)。

王 亮，男，主要從事供熱系統(tǒng)，換熱站調(diào)節(jié)裝置研究。

TK262;O1-8

：A

：1009-3230(2014)03-0050-05