譚瑞虹，郭康權(quán)，2，胡國田，熊秀芳，楊立魁，薛金儒

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) a機械與電子工程學(xué)院，b水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100；2 陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 楊凌 712100)

生物質(zhì)能是補充替代石化能源的可再生能源[1]。我國農(nóng)業(yè)生物質(zhì)產(chǎn)量十分豐富且分布較廣，2012年全國農(nóng)作物秸稈資源總量達(dá)84 860萬t[2]，其中水稻、小麥、玉米秸稈產(chǎn)量最多，而棉花、油菜[3]秸稈則較為集中。雖然農(nóng)作物秸稈的利用率在逐年提高，但利用方法還不盡合理，燃燒和廢棄所占比重偏多，用作飼料、工業(yè)加工原料、可再生能源開發(fā)利用的比重偏少[4]，原因之一是對秸稈的各種特性，包括熱特性掌握還不夠系統(tǒng)和全面。

秸稈熱特性主要用于分析和模擬秸稈及其材料在傳熱過程中的熱量傳遞及分布，其熱傳導(dǎo)率、比熱容、熱擴散率等技術(shù)參數(shù)既是生物質(zhì)熱能利用的重要基礎(chǔ)性指標(biāo)[5]，又是秸稈氣化、熱解、直接燃燒等能源化利用的重要技術(shù)參數(shù)[6-8]，也是秸稈粉碎熱壓成型、飼料加工等資源化利用的重要基礎(chǔ)參數(shù)[9-10]。國外對農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的熱特性已進行了深入研究，擁有較完善的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)基礎(chǔ)特性數(shù)據(jù)共享平臺[11-13]。國內(nèi)對秸稈資源的研發(fā)利用在近年來才逐漸成為熱點，雖然已對農(nóng)業(yè)生物質(zhì)基礎(chǔ)特性參數(shù)的化學(xué)組成、物理特性、機械特性等進行了[14-16]較為系統(tǒng)的研究，但熱特性的研究仍不夠全面，特別是對秸稈種類和地域等因素的影響研究尚存在明顯不足，關(guān)于西北6省(區(qū))農(nóng)作物秸稈熱特性的分析尚屬空白。

大多數(shù)生物質(zhì)秸稈需要粉碎預(yù)處理成顆粒材料后再轉(zhuǎn)化利用，不同種類粉碎秸稈的堆積密度、粒度分布等物理特性差異較大[17]，加之顆粒材料的復(fù)雜多樣性，其熱特性主要通過實測獲取。KD2 Pro熱物性分析儀依據(jù)瞬態(tài)熱線法原理，能簡便、快捷地同時測定多個熱特性參數(shù)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于顆粒材料熱特性參數(shù)的測定。本研究采用該方法測試了西北6省(區(qū))5種秸稈的熱傳導(dǎo)率、熱擴散率和比熱容等熱特性值，采用Tukey HSD法比較了不同種類、不同省份秸稈熱特性的差異,采用ARCGIS 10.1軟件分析了西北6省(區(qū))農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率的區(qū)域分布特點和規(guī)律，以期為完善我國農(nóng)業(yè)生物質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)共享平臺[18]及開發(fā)新型轉(zhuǎn)化技術(shù)提供相關(guān)依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集與制備

依據(jù)農(nóng)作物秸稈資源調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1701-2009，針對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件、農(nóng)作物播種面積、主要農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)和分布情況，選取適宜當(dāng)?shù)厣L氣候并具有代表性的秸稈品種，采集了陜西、甘肅、寧夏、青海、西藏、新疆等西北6省(區(qū))97個縣(市、區(qū))的小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種成熟作物秸稈樣品共計252個，樣品采集數(shù)量及地域分布分別見表1和圖1。將秸稈樣品分別晾曬至充分干燥，經(jīng)切碎、粉碎、過篩、烘干稱恒質(zhì)量后，分別封裝于自封袋中并編號置室內(nèi)常溫保存。試樣粒徑均小于1 mm。

1.2 設(shè)備與儀器

試驗儀器主要有9Z-4.5A型秸稈切碎機(河南豫之譯機械設(shè)備有限公司)、FLB-100型萬能高速粉碎機(上海菲力博食品機械有限公司)、標(biāo)準(zhǔn)樣品分級篩(方孔，篩孔尺寸為1.0 mm)、ZXF030電熱真空干燥箱(上海儀器廠有限公司 )、KD2 Pro熱特性分析儀(傳感器SH-1型，美國Decagon公司)、PTT-A1000電子天平(精度0.01 g，福州華志科學(xué)儀器有限公司)、臺式掃描電子顯微鏡(TM3030，日立)及測量容器等。

表1 西北6省(區(qū))小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種農(nóng)作物秸稈樣品的分布Table 1 Distribution of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw samples from 6 provinces (regions) in Northwest,China

圖1 西北6省(區(qū))農(nóng)作物秸稈樣品采集點的分布Fig.1 Distribution of straw samples from 6 provinces (regions) in Northwest,China

1.3 測試方法

KD2 Pro熱特性分析儀測試裝置如圖2所示。

圖2 KD2 Pro熱特性分析儀測試裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of testing device of KD2 Pro thermal characteristic analyzer

其SH-1傳感器為雙針型，探針長30 mm，直徑2.4 mm。其中1個探針在測試時釋放瞬時熱脈沖，另1個探針作為溫度傳感器測量溫度，通過監(jiān)測樣品中給定某一電壓的線性探針的熱耗散和溫度，采用非線性最小二乘法對測量結(jié)果進行指數(shù)積分函數(shù)擬合，計算樣品的熱傳導(dǎo)率、熱擴散率和比熱容。

試驗樣品用藥匙均勻撒入并裝至與容器口齊平，將SH-1型傳感器探針插入容器中心位置并保持豎直，容器內(nèi)壁和探針在各個方向上至少相距15 mm，每15 min測試1個秸稈樣品，測試環(huán)境溫度為(17±1) ℃。

1.4 秸稈微觀顆粒特征的電鏡觀察

選取小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種秸稈樣品，用臺式電鏡(TM3030，日立)放大50倍，觀察并記錄秸稈顆粒的微觀形貌特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類秸稈的熱特性

熱傳導(dǎo)率、熱擴散率、比熱容分別反映物質(zhì)傳導(dǎo)熱量、使溫度趨于均勻一致、吸熱或散熱的能力，變異系數(shù)反映平均值的離散程度。西北6省(區(qū))各種類秸稈樣品熱特性測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果如表2所示。

表2 小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種農(nóng)作物秸稈樣品熱特性的統(tǒng)計與分析Table 2 Statistics of thermal characteristics of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw samples

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同種類同省份秸稈間差異顯著(P<0.05)；CV<5%為弱變異，5%≤CV≤10%為中等變異，CV>10%為強變異[19]，下同。

Note:Different letters indicate significant difference (P<0.05) among types in same provinces.Coefficient of variation (CV)<5% indicates weak variation,5%≤CV≤10% indicates moderate variation,andCV>10% indicates strong variation[20].

由表2可以看出，陜西、甘肅和新疆3個省(區(qū))棉花秸稈的熱傳導(dǎo)率平均值分別為0.132,0.129和0.129 W/(m·K)，比熱容平均值分別為0.677，0.706和0.710 MJ/(m3·K)，熱擴散率平均值分別為0.190，0.182和0.183 mm2/s，棉花秸稈的熱傳導(dǎo)率、比熱容平均值均較其他4種秸稈高，而熱擴散率平均值均低于其他4種秸稈，且棉花秸稈的熱傳導(dǎo)率、比熱容和熱擴散率與其他4種秸稈熱傳導(dǎo)率、比熱容、熱擴散率差異顯著。另外，寧夏、青海小麥、玉米、水稻和油菜類秸稈熱特性之間均無顯著差異，西藏油菜、小麥和玉米秸稈的熱傳導(dǎo)率無顯著差異，而比熱容和熱擴散率差異顯著。

同地域不同種類秸稈的熱特性之間存在顯著性差異，可能是由不同種類秸稈的化學(xué)組成和構(gòu)造不同所致。小麥、玉米、水稻、油菜和棉花秸稈主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素組成。西北地區(qū)小麥、水稻和玉米秸稈以纖維素>半纖維素>木質(zhì)素，油菜和棉花秸稈則以纖維素>木質(zhì)素>半纖維素[20]；與其他4種秸稈相比，棉花秸稈的木質(zhì)素含量最高[21]。本研究對小麥、玉米、水稻、油菜、棉花5種秸稈顆粒微觀結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果如圖3所示。圖3顯示，小麥、水稻秸稈均為空心莖，粉碎后的顆粒形狀均為長條形薄皮，粒徑大小分布不均；玉米、油菜秸稈由外皮和結(jié)構(gòu)疏松的髓組成，外皮的體積比小于髓，粉碎后的顆粒由長條形的薄皮和大小不一的髓組成，顆粒幾何形狀復(fù)雜多樣；棉花秸稈是由少量外皮和大量木質(zhì)化程度較高的髓構(gòu)成的硬莖桿，皮粉碎成為細(xì)長纖維，髓為均勻的粒狀顆粒。秸稈的化學(xué)組成和構(gòu)造影響秸稈粉碎的顆粒形狀、粒徑分布和孔隙率等物理特性，對于多孔顆粒介質(zhì)，顆粒表面特征是影響顆粒集合傳熱的重要參數(shù)[22]，因此棉花秸稈的熱物性顯著不同于其他4種秸稈。

2.2 不同地域秸稈的熱特性

不同省份同種類農(nóng)作物秸稈的熱特性統(tǒng)計分析結(jié)果見表3。由表3可知，在研究區(qū)域內(nèi)，陜西小麥秸稈分別與甘肅、青海、新疆和西藏小麥秸稈的熱傳導(dǎo)率差異顯著，并與其他5省(區(qū))小麥秸稈的比熱容差異顯著；西藏玉米秸稈分別與陜西、甘肅兩省份玉米秸稈的熱擴散率差異顯著；陜西油菜秸稈與西藏油菜秸稈的比熱容有顯著性差異；各省(區(qū))水稻、棉花秸稈的熱特性無顯著差異。陜西、甘肅和新疆3省棉花秸稈熱傳導(dǎo)率的變異系數(shù)均為弱變異，說明其受地理位置和氣候等因素影響較小。同種類不同省份的農(nóng)作物秸稈相比，因品種、生態(tài)環(huán)境和氣候條件等因素對秸稈的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一定的影響[23-24]，導(dǎo)致其熱特性出現(xiàn)了差異。

表3 西北地區(qū)小麥、玉米、水稻、油菜、棉花等5種農(nóng)作物秸稈熱特性的統(tǒng)計與分析Table 3 Statistics of thermal characteristics of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw samples in Northwest,China

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示不同省份同類秸稈間差異顯著(P<0.05)。

Note:Different letters indicate significant difference (P<0.05) among provinces for same straw.

2.3 西北地區(qū)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)秸稈熱傳導(dǎo)率的空間分布

由表2可知，西北6省(區(qū))棉花秸稈的熱特性與其他4種秸稈熱特性差異顯著，且部分省份小麥、玉米、水稻、油菜4種秸稈的熱擴散率、比熱容之間也有顯著差異，而熱傳導(dǎo)率在所研究區(qū)域間無顯著差異。因此，本研究采用ArcGI S10.1軟件的空間插值法，根據(jù)232個小麥、玉米、水稻和油菜秸稈樣品的地理分布信息及其熱特性測試結(jié)果，獲取樣本目標(biāo)地點之外地區(qū)的熱特性空間區(qū)域分布信息，從宏觀上研究西北地區(qū)農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率的區(qū)域分布特征。

由空間插值可得西北地區(qū)小麥、玉米、水稻和油菜秸稈4種農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率的區(qū)域分布如圖4所示。由圖4可以看出，在陜西省，農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率以中南部為中心向全省周邊呈規(guī)律性漸變，熱傳導(dǎo)率逐漸增加，西安市秸稈熱傳導(dǎo)率值最低，為0.083 W/(m·K)，榆林地區(qū)秸稈的熱傳導(dǎo)率值最高，為0.113 W/(m·K)。甘肅農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率在慶陽、平?jīng)鼋唤绲臇|部出現(xiàn)最小值，為0.101 W/(m·K)，在酒泉和省內(nèi)東南部的部分區(qū)域有最大值，為0.116 W/(m·K)，從整體上看，甘肅省秸稈熱特性變化無明顯規(guī)律性。在寧夏，秸稈熱傳導(dǎo)率的空間分布具有明顯規(guī)律性，從南部到北部農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率逐漸減小，熱傳導(dǎo)率為0.107～0.119 W/(m·K)。青海的8個行政區(qū)中，大部分地區(qū)為牧區(qū)[25]，在農(nóng)作物種植區(qū)西寧和海東，秸稈的熱傳導(dǎo)率為0.107～0.119 W/(m·K)。新疆農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率為0.104～0.119 W/(m·K)，其中新疆西北部農(nóng)作物秸稈熱傳導(dǎo)率的空間分布呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，即從伊寧、哈密兩地區(qū)向塔城方向逐漸減小。西藏主要農(nóng)作物小麥、油菜多分布在藏南，其品種品質(zhì)等性狀變化較小[26]，導(dǎo)致秸稈熱傳導(dǎo)率空間分布較為穩(wěn)定，熱特性變化較小。

圖4 西北地區(qū)小麥、玉米、水稻和油菜秸稈熱傳導(dǎo)率的區(qū)域分布Fig.4 Regional distribution of thermal conductivity of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw in Northwest,China

綜上可知，西北6省(區(qū))秸稈熱特性空間分布的總體特征表現(xiàn)為：熱傳導(dǎo)率從西北的新疆到東南部的陜西呈逐漸減小趨勢，其值為0.083～0.122 W/(m·K)。

3 結(jié) 論

1)西北6省(區(qū))小麥、玉米、水稻、油菜和棉花5種秸稈熱特性指標(biāo)的平均值分別為：熱傳導(dǎo)率0.103～0.132 W/(m·K)，熱擴散率0.182～0.232 mm2/s，比熱容0.473～0.710 MJ/(m3·K)。對同一研究區(qū)域而言，陜西、甘肅和新疆棉花秸稈的熱特性與其他4種秸稈的熱特性有顯著差異；寧夏、青海的小麥、玉米和油菜秸稈的熱特性之間均無顯著差異；西藏油菜、小麥和玉米秸稈熱傳導(dǎo)率無顯著差異，但比熱容和熱擴散率差異顯著。對同一種類秸稈而言，小麥、玉米、油菜秸稈的熱特性在部分省份差異顯著，而水稻、棉花秸稈熱特性在所研究區(qū)域內(nèi)均無顯著差異。

2)不同種類農(nóng)作物秸稈的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致棉花與小麥、玉米、水稻、油菜4種秸稈熱特性值有明顯差異；對不同地域同種類農(nóng)作物秸稈而言，如小麥、玉米、油菜秸稈，因秸稈品種、種植環(huán)境、氣候條件等不同，其熱特性存在明顯差異。

3)各省(區(qū))秸稈熱特性的空間分布特點為：陜西省農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率以中南部為中心向全省周邊逐漸增大；甘肅省農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率無明顯規(guī)律性；寧夏農(nóng)作物秸稈的熱傳導(dǎo)率從區(qū)內(nèi)南部至北部逐漸減小；青海東部秸稈熱傳導(dǎo)率空間分布變化不大；新疆西北部秸稈熱傳導(dǎo)率的空間分布呈現(xiàn)明顯規(guī)律性；西藏秸稈熱傳導(dǎo)率空間分布穩(wěn)定，變化較小?？偟膩砜?，西北6省(區(qū))農(nóng)作物秸稈熱特性的空間分布從西北至東南部呈逐漸減小趨勢。

4)在新疆、青海和西藏地區(qū)，因采樣條件、采樣時間、種植制度等因素的限制，本研究未能獲取足夠的成熟秸稈樣品，致使新疆、青海和西藏的采樣點較少，且采樣數(shù)量上略顯不足，對該地區(qū)的熱傳導(dǎo)率空間結(jié)構(gòu)特征研究帶來一定的影響，但仍能從局部反映出新疆西北部、青海東部和西藏南部農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的熱特性特點。