含水量对电厂玉米秸秆燃料自加热特性的影响

闫泓池,陈鑫科,马 仑,苏现强,方庆艳

(华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室,湖北 武汉 430074)

0 引 言

在国家碳达峰、碳中和战略方针指导下,寻找新型低碳能源替代化石燃料,降低化石能源消耗势在必行[1-3]。在众多可再生能源中,生物质是可再生能源的重要组成部分,我国每年生物质能源开采量相当于11.7亿t标准煤,占开采清洁能源总量的54.5%,分别是水电的2.0倍和风电的3.5倍[4-5]。此外,生物质的碳中性特性较显著,有效利用生物质能对解决能源问题和生态环境问题具有重要意义。如我国北方地区以直燃发电方式发展利用生物质资源,秸秆资源品种主要包括小麦、玉米、棉花、秸秆以及林业剩余物等[6]。然而,生物质具有能量密度低、季节性和区域性等缺点,为满足生产系统中生物质原料稳定供应,需对大量生物质材料收集、加工、运输和储存[7-8]。在实际过程中,供应链各阶段都存在大量生物质存储[9-10]。在堆积储存过程中,生物质堆垛内部产生的热量无法充分散失到周围环境中,可能发生自加热现象,导致存储温度升高甚至自燃[11-13]。生物质自加热过程中会由于物理、生物、化学作用而引发自加热效应[14-15]。生物质产热作用主要发生在0～70 ℃,生物质堆垛内微生物代谢活动产生热量,从而导致温度升高[15];随温度不断升高,化学产热作用逐渐取代生物产热作用,80～90 ℃ 时[16],化学产热作用逐渐占据主导地位;化学产热温度进一步升高,生物质会发生快速热解、氧化直至自燃[17];物理产热作用主要是水分的吸附、凝结和润湿,该过程贯穿整个自加热过程[15]。

微生物活动是生物质材料自加热的主要原因[18-19]。FERRERO等[18]和KRIGSTIN等[19]通过建模研究发现,自加热启动并通过微生物作用达到化学氧化的临界温度是自燃发生的前提条件,微生物活动及其热效应在自加热过程中至关重要。研究表明[15],生物质在环境中堆积储存时,由于细菌、真菌等微生物活动产热,堆垛内部会快速升温至60～70 ℃,并维持数周。之后温度逐渐下降,或在一定条件下,基于缓慢化学氧化等复杂的化学反应过程,堆垛内部温度逐渐升高至临界温度后,化学氧化反应加速,温度快速升高直至着火[20]。因此,前期生物质生物作用产热过程是决定堆垛能否进入化学氧化产热的关键。国外研究主要集中在木质燃料化学氧化的热效应,对微生物活动产热[20-21]和其他燃料自加热进程[13,22-23]研究相对较少。我国学者对生物质自燃问题已开展了部分研究[24-26],但尚未形成系统的研究内容并建立相应的防范监测体系。研究表明,水分对微生物活动存在较大影响[27-28]。含水量低于临界含水量时,微生物活性极低[29-30];介于临界含水量与适宜微生物生长的最佳含水量时,微生物活性随含水量增加呈线性[31]或指数增加[29-30];含水量超过最佳含水量时,存在水溶性营养物质浓度过低和氧气运输困难等问题,微生物活性随含水量增加趋于平稳或下降[19,30]。探究含水量对微生物活性影响时,集中以呼吸强度体现微生物活性,并未将产热与微生物活性关联,且文献多集中在不同种类生物质临界含水量的确定[32-33],鲜见适宜微生物生长的最佳含水量研究。同时,已有生物质自加热试验均将生物质堆垛视为整体,鲜有对堆垛不同区域自加热现象开展讨论。生物质堆垛越靠近中心处氧气浓度越低,由此将堆垛分为氧气浓度较低的中心层与氧气浓度较高的外层。对堆垛外层储存条件的研究常进行适当开孔通风处理[26]。不过由于外层对流与导热散热量相对中心层更大,堆垛内部温度相对更高[15]。开展基于堆垛中心层的低氧浓度条件下生物质自加热特性试验具有重要意义。

在生物质自加热特性研究试验样品选择与试验设备方面,以往实验室规模试验中,被测样品多以粉末形态[26,34-38]储存于较小体积(小于10 L)的容器内,然而实际应用中农林类燃料大量堆积且多以秆状或片状形态储存[29,39]。基于此可进一步组织更符合实际条件的试验方案,开展生物质自加热特性研究:在试验样品方面,采用原始秸秆形态样品较粉末形态更具代表性;在试验设备方面,构建体积更大且保温性能更优的试验箱有利于更好探究生物质自加热过程中的热量积累现象。

笔者设计并搭建了内部储存空间120 L自加热保温试验箱,并测试其保温性能,构建系统热平衡方程;以10～15 cm长度自然风干下的玉米秸秆样品为研究对象,将不同含水量玉米秸秆置于保温箱中储存至温度稳定,试验期间通过对比不同含水量的玉米秸秆内部温度和产热特性,探究含水量对自加热过程的影响;最后,通过分析不同含水量时样品内部微生物比生长速率,探究不同含水量玉米秸秆内部的微生物活性差异。

1 试 验

1.1 试验材料与预处理

采用当季新鲜收割且自然风干的玉米秸秆,可避免试验原料经历多样、复杂的中间处理及储存过程导致其组成和特性改变,保证样品一致性和可比性。工业分析依据GB/T 28731—2012《固体生物质燃料工业分析方法》,元素分析依据ASTM E777—17a《垃圾衍生物燃料分析样品中碳和氢的标准测试方法》和ASTM E870—82(2019)《木材燃料分析的标准测试方法》,分析测定结果见表1。为尽可能保持玉米秸秆原始形态,对玉米秸秆采取如下预处理:用铡刀对玉米秸秆适当切段,每段玉米秸秆长度为10～15 cm,以便后续放置于试验箱内开展试验。切段后的玉米秸秆晾晒2 d后置于阴凉干燥仓库中备用。

表1 玉米秸秆样品的工业及元素分析

1.2 120 L自加热保温试验箱

设计并搭建的120 L自加热保温试验箱如图1所示。为保证较好的保温效果,保温箱采用内外双层结构。内层采用厚60 cm泡沫保温箱,保温箱内部尺寸为长53 cm、宽48.5 cm、高47.5 cm,总容积约120 L;外层则在泡沫保温箱基础上包裹一层75 mm阻燃橡胶保温棉,并在保温箱外侧贴一层锡纸。同时,在保温箱底部高5 cm位置安装一片亚克力材质开孔筛板,用于渗漏水排出和插入测点定位棒。

图1 120 L自加热保温试验箱示意Fig.1 Schematic diagram of 120 L self-heating insulation test chamber

保温试验箱内部设置9个测温点,分别在保温箱水平截面几何中心位置、几何中心与其中1条边中点位置、几何中心与其中1个角中点位置3处设置定位点A、B、C;并在3处定位点将测点定位棒插入亚克力筛板孔中固定,而后3根测点定位棒分别沿各自高度6、18与30 cm设置3个测温点。测温点具体分布方式:A处由下至上,依次为A1、A2、A3;B处由下至上,依次为B1、B2、B3;C处由下至上,依次为C1、C2、C3。同时在自加热试验箱四周布置测温点,用于环境温度采集。这些测温点实时监测不同位置样品的温度及环境温度,并通过数据采集器与计算机连接。

1.3 玉米秸秆自加热特性试验

玉米秸秆自加热试验开始前,首先测试装置保温特性。在箱内填入35 cm纯净水,用电加热棒加热,同时用绝缘棒将水充分搅拌均匀,直至保温箱中水整体升温至60 ℃;然后,从水面垂放下一根热电偶,保持其测点悬停在水体几何中心处;最后,盖上保温试验箱的泡沫盖与保温棉,并用锡纸胶带对外部接缝处密封处理。在数据采集端每隔1 min记录一次内部水温与外部环境温度。后续可分析保温箱在一定内外温差作用下的散热量,进而构建保温箱系统热平衡方程。

自加热试验主要探讨玉米秸秆在试验箱内储存时,含水量对其内部产热与微生物代谢生长特性影响。含水量是影响生物质储存时自加热过程的重要因素,主要体现在微生物活动[40]、化学氧化反应及其产热和传热过程2方面[39,41]。基于湿基20%～95%含水量设置了6组对比试验,即含水量分别为20%、35%、50%、65%、80%、95%(基于湿基,原始含水量为7.69%)。由于单次试验所需玉米秸秆样品量大,故不适合采用机械雾化加湿后在低温环境中充分浸润的方式提高样品含水量;本文在自制旋转滚筒中采用雾化加湿(雾化粒径约5 μm)充分搅拌的方式提高样品初始含水量。

玉米秸秆在雾化加湿达到目标含水量后,填入保温试验箱中。填充高度为35 cm,利用重力进行自然堆积,密度为61.11 kg/m3,与实际电厂燃料储存时整包秸秆的堆积密度相近。试验样品填装完毕后将氧气浓度测试仪放置在样品顶部,而后盖上保温试验箱的泡沫盖与保温棉,并用锡纸胶带对外部接缝处密封。在数据采集端每隔1 min记录一次内部所有测点温度、外部环境测点温度与样品顶部的氧气浓度。自加热试验箱置于约24 ℃实验室内。自加热试验箱的外观与布置方式如图1所示。

2 结果与讨论

2.1 试验装置保温特性及系统热平衡方程构建

60 ℃温水保温特性试验过程中,测点温度随时间变化如图2所示。可知环境温度为(24±2) ℃,变化幅度相对较小;装置内部水温随时间呈线性下降,且1 d内温降仅4.4 ℃,装置保温效果相对较好。

图2 保温试验过程中内部水温随时间变化Fig.2 Water temperature variation respect with time during the insulation experiment

装置系统热平衡方程为式(1)。适用于保温试验的系统热平衡及相关公式为式(2)～(5),并依据系统保温试验相关数据,得到试验装置散热方程为式(6)。

(1)

(2)

Qout=kAΔT2,

(3)

ΔT2=Tin-Tout,

(4)

(5)

Qout=0.774 51ΔT2,

(6)

式中,QS为系统内部产热,J/(sm3);Qin为系统吸收外界热量,J/(sm3);Qout为系统向外界环境散发热量,J/(sm3);Cp(H2O)为水的比热容,J/(kgK);m(H2O)为水的质量,kg;T1为箱内测点处水温,℃;ΔT1/Δt为水温随时间变化,℃/s;T2为内部水温与外部环境温度差值,℃;Tin为内部水温,℃;Tout为外界环境温度,℃;k为总传热系数,W/(m2℃);A为传热面积,m2;λ1、λ2分别为泡沫箱和保温棉的导热系数,W/(m℃);δ1、δ2分别为泡沫箱和保温棉的壁厚,m;h1、h2分别为箱内水的等效换热系数和箱外空气的对流换热系数,W/(m2℃)。

玉米秸秆自加热过程系统热平衡方程为式(7)。由式(7)～(13)可得玉米秸秆自加热过程中系统内部产热,即QS-all:

(7)

(8)

Qout=KAΔT3=0.774 51ΔT3,

(9)

(10)

(11)

ΔT3=Taverage-Tout,

(12)

QS-all=QS1+QS2,

(13)

式中,Cp为玉米秸秆比热容,J/(kgK);m为玉米秸秆质量,kg;Taverage为样品内部平均温度,℃;ΔTaverage/Δt为样品内部平均温度随时间变化,℃/s;QS1为玉米秸秆内微生物有氧呼吸产热,J/(sm3);QS2为微生物无氧呼吸产热,J/(sm3);Q(H2O)为水分吸附、凝结过程中吸收、释放热量总和,J/(sm3);m′(H2O)为玉米秸秆内水分质量,kg;T3为内部平均温度与外部环境温度差值,℃;TAi、TBi、TCi分别为试验装置内A、B、C组的测点温度,其中i=1、2、3分别对应测点在6、18、30 cm高度的温度,℃;QS-all为玉米秸秆内部微生物产热总和,J/(sm3)。

2.2 玉米秸秆自加热特性分析

2.2.1 含水量对玉米秸秆自加热过程中温度的影响

不同含水量玉米秸秆在试验箱内储存时,内部各测点温度随时间变化如图3所示。6组样品内部温度变化规律相似,存在诱导期、温度上升期、温度下降平稳期3个阶段。同时,实验室环境温度为(24±2) ℃,变化幅度较小,环境温度变化对自加热进程的影响相对较小。

图3 不同含水量玉米秸秆样品自加热过程中内部温度随时间变化Fig.3 Temperature variation respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

试验样品经过短暂诱导期后进入温度上升期,27 ℃后样品内部温度升高速率加快,样品内部发生明显的自加热反应。不同含水量的样品均在试验开启后1.5 d内达到各自对应的峰值温度,并进入温度下降阶段,样品内部温度下降至温度稳定,最终样品温度与室温保持一定温差。不同初始含水量的玉米秸秆最终温度都稳定在(31±2) ℃,与环境温度之间存在7 ℃左右温差。

在温度上升期,不同初始含水量样品内,样品中、上层区域温度较高,样品下层区域温度相对较低。其中,样品下、中、上层区域以底层试验装置亚克力筛板作为基准面,按照竖直方向区分,分别为0～120、120～240、240～360 mm。各区温度差异现象所处位置的样品含水量、氧浓度和散热条件综合作用的结果[15]。随玉米秸秆初始含水量增加,最高温区域出现由中层中心区域(20%、35%、50%)向顶层中心区域(65%、80%、95%)转移。

自加热热量积累的初始阶段,玉米秸秆内部产热来源主要为微生物生长代谢,而水分对这一过程至关重要。含水量低于某一临界含水量时,微生物失活,中层区域保温性能相较顶层和底层更好,因此低含水量的中层最先出现高温区;含水量在临界和适宜微生物生长的最佳含水量时,随含水量增加,可供微生物利用的水溶性碳水化合物溶出量增加,微生物活性呈线性或指数增加[15,29-31],且保温箱顶层有一定空腔氧气供给相较其他区域较多,故高含水量的顶层最先出现高温区。

表2 初始含水量对玉米秸秆自加热最大温度升高值的影响

通过观察玉米秸秆的自加热过程发现,样品内外温差随着含水量的增加先增加后减少,在含水量50%时,内外温差达到最大。低水分环境不利于微生物生长代谢,而高含水量玉米秸秆相较低含水量玉米秸秆,水分吸收了更多热量。为了更加准确判断微生物代谢活动强度,进一步从产热角度进行相关分析。

2.2.2 含水量对玉米秸秆自加热过程中产热的影响

依据试验箱内部系统热平衡方程及其相关方程,绘制不同含水量时玉米秸秆自加热过程中内部产热随时间变化曲线,如图4所示。可知6组样品内部产热变化规律相似,存在诱导期、产热上升期、产热下降平稳期3个阶段。

图4 不同含水量玉米秸秆样品自加热过程中内部产热随时间变化Fig.4 Heat production variation respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

试验初始阶段,由于雾化加湿后样品温度略高于环境温度,存在一定向外释放热量阶段,该部分热量不属于微生物自加热产热,同时该过程与诱导期有一定重合。在诱导期后,样品内部产热缓慢上升,但由于初始含水量对微生物代谢活动的影响[28],产热初值存在差异。进入产热上升期,样品内部产热显著升高,表明样品内部发生了明显的自加热作用。随含水量增加,玉米秸秆内部微生物活动产热峰值先升高后降低,并在含水量80%时出现最高产热峰值157 J/(sm3)。最后,进入产热下降平稳阶段,玉米秸秆内部产热下降至稳定,不同初始含水量玉米秸秆最终稳定热值相差不大,各含水量玉米秸秆储存稳定后产热基本维持在10～20 J/(sm3)。

微生物生长代谢作用产热由有氧呼吸产热和无氧呼吸产热2部分组成。样品储存于试验箱的开始阶段,箱体内部各处有一定氧气,产热主要来源为微生物有氧呼吸,随着试验箱各处氧气浓度下降,微生物代谢逐渐转为无氧呼吸,生物质内部热源开始降低。玉米秸秆在试验箱内堆积储存时,其内部微生物有氧呼吸产热集中在前期;后期转而进入无氧呼吸产热阶段,稳定后各含水量生物质的无氧呼吸产热数值相差不大。有氧呼吸产热受含水量影响较大,随含水量增加,有氧呼吸产热峰值先增加后降低。含水量20%时,样品内部有氧呼吸产热峰值最小,为28 J/(sm3);含水量80%时,样品内部有氧呼吸产热峰值最大,为157 J/(sm3)。各含水量生物质样品无氧呼吸产热基本维持在10～20 J/(sm3)。含水量对微生物呼吸作用产热的影响显著,充足的氧气供给程度能显著提升生物质自加热过程的产热量。

依据图4绘制玉米秸秆自加热过程中内部产热峰值随含水量变化曲线,如图5所示。其中,Qmax,S-all为玉米秸秆峰值产热量,J/(sm3)。样品含水量低于35%时,峰值产热量差异较小;样品含水量在35%～80%时,峰值产热量与含水量呈线性关系,每增加15%含水量峰值产热量平均增加33.43 J/(sm3);样品含水量超过80%时,峰值产热量开始下降,80%含水量为玉米秸秆峰值产热量拐点。

图5 玉米秸秆样品自加热过程内部峰值产热随含水量变化Fig.5 Internal peak heat production of corn straw varies with water content during self-heating

2.2.3 含水量对玉米秸秆自加热过程中氧气消耗速率的影响

一直很好奇雅昌到底有着怎样的魅力，不仅被视为深圳印刷业的一张名片，更被称为一家“文化艺术服务机构”，这次走访或许让我们初步找到了答案。

玉米秸秆在试验箱储存过程中,不同含水量样品内部氧气浓度随时间变化如图6所示。随含水量增加,样品内部氧气消耗速率先加快后减慢,且在含水量80%时,氧气消耗速率最快,与产热分析结果一致。不同含水量玉米秸秆储存过程中,其内部氧消耗速率随时间变化如图7所示,峰值氧气消耗速率随含水量增加先升高后降低,并在含水量80%时氧气消耗速率最高。

图6 不同含水量玉米秸秆样品自加热过程中内部氧气浓度随时间变化Fig.6 Oxygen concentration variation respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

图7 不同含水量玉米秸秆样品自加热过程中内部氧气消耗速率随时间变化Fig.7 Oxygen rate variation respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

(14)

(15)

式(14)为微生物有氧呼吸作用总反应式;式(15)表明1 mol葡萄糖完全燃烧释放的热量达2 804 kJ。微生物有氧呼吸所产生的能量并非完全以热能形式散失,部分用于微生物生长。现假设微生物有氧呼吸产生的能量全部以热能形式散失,并基于氧气消耗速率随时间变化曲线,绘制Q′S-all随时间变化曲线,拟合QS-all随时间变化曲线,明确玉米秸秆内部微生物有氧呼吸产生的能量以热能形式散失的比例,具体如图8所示。其中,Q′S-all为QS-all的理论值。

图8 不同含水量玉米秸秆样品自加热过程中Q′S-all与QS-all随时间变化Fig.8 Q′S-all and QS-all respect with time of corn straw during self-heating under different water contents

由图8可以看出,理论和实际产热曲线一致性比较好,证明微生物通过有氧呼吸产出能量为完全燃烧的部分能量,其余能量用于微生物生长繁殖,或有机物未被完全分解。随着样品内部含水量由20%增至95%时,有氧呼吸产生热量占完全燃烧释放热量的比例依次为1/8.2、1/7.7、1/7.2、1/6.7、1/6.3、1/6.5,即微生物有氧呼吸产生的能量以热能形式散发的比例先增加后降低,并在含水量80%时达到最大比例。

2.3 玉米秸秆内部微生物的代谢活性

水分对微生物有氧呼吸活动至关重要,微生物有氧呼吸是在有机物表面以溶液形式发生,分解易降解的碳水化合物和水溶性营养物质[23,42-44],同时产生CO2和水,并释放热量。这一过程中,含水量过低时[30],对微生物活动起抑制作用;含水量过高时,水膜会阻碍氧气扩散至样品内部,此外,还存在浸出作用,造成营养物质流失,二者都不利于微生物生长[29-30];处于二者之间时,随含水量增加,微生物代谢活动加强。

基于此,采用菌体生长比速μ(h-1)表征微生物代谢活动。菌体生长比速是单位质量细胞在单位时间内增加的细胞质量(式(16)),μ越大,生物生长繁殖速度越快,自加热反应越明显,定义式为式(17)。假设菌落数与单位时间内氧气消耗速率呈正比,即式(18),k′为比例系数。倍增时间为式(19),并依据菌落数与倍增时间存在关系式为式(20)。玉米秸秆在试验箱内储存时,其内部微生物生长比速随时间、氧气浓度变化如图9所示。

图9 不同含水量玉米秸秆样品自加热过程中内部微生物平均生长比速随时间、氧气浓度变化Fig.9 Average growth rate of microorganisms respect with time and oxygen concentration of corn straw during self-heating under different water contents

图10 不同含水量玉米秸秆样品堆积储存7 d结果Fig.10 Results of corn straw samples stored for seven days under different water contents

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

式中,X为菌落数,g/L;Xi为ti时刻的菌落数,g/L;dx/dt为单位时间内所增加的细胞质量,g/(Lh);TD为倍增时间,即细胞质量增加1倍所需要的时间,h。

由图9可知,玉米秸秆在试验箱储存过程中,随时间推进,氧气浓度逐渐降低,内部微生物生长比速下降。由图9(a)可知,试验持续8 h左右时变为负值,微生物群落数量开始减少。由图9(b)可知,小麦秸秆中微生物群落数量在氧气体积分数降至7%～10%时停止生长。样品初始含水量增加可提高微生物生长比速,但氧浓度降至一定程度时,微生物生长受到抑制,且前期微生物生长越快,缺氧后样品比生长速率越低。推测出现这种现象的原因是大量微生物厌氧呼吸产生的有害物质抑制了微生物进一步生长。试验箱内不同含水量的玉米秸秆堆积储存7 d后的结果,可知其表面由菌丝覆盖;含水量80%时菌丝生长最充分。图9、10分析结果与产热分析结果一致,从菌落角度证明水分对微生物活动的影响。

在储存过程中,随氧气消耗,菌落平均生长速度降低,氧气消耗完全时,有氧呼吸菌落的平均生长周期结束。含水量低于临界含水量时[30],导致大量微生物失活,菌落平均生长速度较慢,生长周期远高于高含水量的菌落;含水量在临界含水量和适宜微生物生长的最佳含水量之间时,随含水量增加,可供微生物利用的水溶性碳水化合物溶出量增加,微生物活动呈指数增加,菌落平均生长速度加快,周期缩短[29-30];含水量高于最佳含水量时,由于水膜阻碍氧气扩散至样品内部,以及水的浸出作用抑制微生物活动[29-30]。

3 结 论

1)通过保温试验定量分析了该装置的保温特性,确定系统散热方程,并构建了试验箱系统热平衡方程。

2)玉米秸秆通过自加热能达到的最高温度和峰值产热均随其含水量增加先升高后降低,含水量50%时样品内部达最高温度41.1 ℃,含水量80%时样品内部最高峰值产热为157 J/(sm3)。

3)玉米秸秆峰值产热量受含水量影响,含水量低于35%时,峰值产热量差异较小;含水量在35%～80%,峰值产热量与含水量呈线性关系,每增加15%含水量,峰值产热量平均增加33.43 J/(sm3);含水量超过80%时,峰值产热量下降。

4)玉米秸秆内部微生物比生长速率与氧气消耗速率存在正比例关系,二者随含水量增加均先升高后降低,含水量80%时氧气消耗速率达到最高值0.056%/min,此时微生物代谢活性最强。