摘要：檸條是西北地區水土保持，防風固沙造林中的重要灌木樹種，可作為生物質燃料使用，但隨林齡增加出現生長衰退，效益下降等問題。利用平茬技術可以提高檸條利用率，該文以寧夏鹽池平茬1～5 a生檸條為研究對象，對其生長指標、工業分析、硫含量、熱值和熱重進行了分析。結果表明：1）經平茬后的檸條生長指標每年遞增，但3a以后增幅不大，選定平茬期為3a的檸條株高、地徑和分支數分別比6a老齡林提高了16.67%、11.54%和160.00%，表明平茬技術有利于檸條生長。2）通過熱值分析對l～5 a生檸條進行了比較，發現3～5 a生檸條發熱量較好，但三者相差不多；考察了不同月份收割檸條的影響因素，研究表明10-12月檸條各項指標處于最優值。3）比較了檸條和煤的硫含量，分析表明檸條硫含量是煙煤的1/12倍，檸條作為燃料會大大減少硫化物的排放。4）工業分析和熱重分析表明，檸條和煤產生的灰分作相比，檸條產生的灰分是煙煤的1/9倍，可減少顆粒物的排放，有利于環境保護。5）采用一級反應動力學模型和積分法對生物質燃燒動力學參數的研究表明，檸條具有較低的活化能，有利于燃燒。綜上所述，采用平茬期為3a且每年10-12月生的檸條最適宜作為熱電廠燃料。檸條作為發電燃料具有含硫量低，灰分少，對環境保護和減少可吸入顆粒物具有重要的意義。
關鍵詞：生物質；燃燒；發電；檸條；平茬周期
0引 言
檸條（Caragana intermedia intermedia）屬豆科錦雞兒屬。這種沙生灌木具有“平茬復壯”的生物習性（齊根砍下，再切成七八十厘米就成了新苗。砍過的灌木來年新生。3a成材，越砍越旺。如果不砍掉長成的枝干，則生長緩慢，不到7a，就會成為枯枝）。檸條枝條含有油脂，熱值在18.83 kJ，污染性低，燃燒過程中產生的硫氧化物極低(0.05%)，二氧化碳的凈排放量為負值，即生長中吸收的二氧化碳量大于燃燒后排放的量，有效減少了二氧化碳排放，因而可發展成每3 a砍1次的“綠色煤田”。國家《可再生能源中長期發展規劃》已確定中國到2020年，生物質發電任務實現裝機容量3 000萬kW的總目標，其中，以林木生物質物資源為燃料的生物質直燃發電總裝機為1 000萬kWc5]。對此，國家林業局于2006年開始在全國范圍內實施“林電一體化”工程，主要是結合林業灌木林平茬復壯經營措施，將灌木平茬剩余物作為燃料發電，該項工程已成為促進林業發展和增加綠色電力的重要途徑多學者都只對農林廢棄物及加工殘余物熱重進行了分析研究，如秸稈、稻殼、甘蔗渣等7-131的熱重研究，而本文是對寧夏檸條的熱解過程進行研究。熱解動力學是表征熱解過程參數對原料轉化率影響的重要手段[14]，利用該手段，可深入了解反應過程和機理，預測反應速率及難易程度，既為生物質熱化學轉化工藝的研究開發提供重要的基礎數據，也為檸條類生物質能的開發與利用提供更好、更合理高效的途徑。
中國北方利用檸條、沙柳、荊條、紫穗槐等灌木平茬資源作為發電燃料的生產過程中，普遍實行的是在灌木生長4a后，在冬季平茬1次，然后半封閉儲存全年供應電廠。該生產過程，在沒有掌握灌木資源在不同林齡期、不同時節的熱值差異和燃燒后的灰分變化的情況下，盲目平茬利用。沒有在灌木枝條熱值最高林齡期、或灌木枝條堿金屬內含物含量最低的時期收割利用，實際上既浪費資源、又不能減少燃料堿金屬對鍋爐的腐蝕，更無法做到高質、高效利用和節約資源、降低成本利用目標。寧夏具有豐富的農林資源，以鹽池縣為例全縣年可產農林剩余物43 t，農業秸稈8萬t以上，各種林木剩余物資源約35萬t，其中灌木林平茬復壯措施年可獲得灌木平茬物為24.8萬t，占農林資源的58%左右。大部分秸稈可作為畜牧飼料，少量的檸條作為家用，而大量檸條未被利用。本文針對寧夏地區生長的檸條進行了不同林齡期、不同季節時的熱值差異和燃燒后的灰分變化的研究，確定了最佳收割林齡期和季節，為寧夏檸條利用奠定了基礎。
1研究方法
1.1生長指標
分別取平茬后生長1～5 a和未平茬檸條進行生長指標研究，包括株高，地徑和分支數，每種處理調查150～170叢。
1.2工業分析
檸條工業分析按照《固體生物質燃料工業分析方法》(GB/T 28731-2012)國家標準測定。
1.2.1水分測定
稱取一定量生物質顆粒至于(105+2)℃干燥箱中在干燥的氮氣流中干燥2h，直至質量恒定。
1.2.2揮發分測定
稱取生物質固體燃料(I士O.I)g，至于瓷坩堝中，將瓷坩堝放到坩堝架上，并迅速至于已升溫到900℃左右加熱爐中，關閉加熱爐門精確加熱7 min后，取下，冷卻稱其質量。
1.2.3灰分測定
稱取生物質固體燃料（1+0.1)g,其均勻平攤與灰皿中，放置加熱爐，先升溫至250℃左右，保持60 min，然后升溫至(550+10)℃，并灼燒2h，冷卻后稱其質量。
1.3含硫量
檸條全硫按照《固體生物質燃料全硫定方法》
1.4熱值測定
檸條發熱量按照《固體生物質燃料發熱量測定方法》
1.5動力學方法
稱取5～15 mg樣品，于耐熱坩堝內，測試溫度范圍為20～800℃，升溫速率為10℃/min，通入空氣，流量：60 mL/min。
2試驗
2.1試驗儀器
熱重分析美國TA儀器公司SDT Q600進行表征測試。
2.2試驗樣品處理
本試驗利用寧夏鹽池檸條為測試樣品，齊根砍下檸條，自然晾干30d，用微型植物粉碎機進行粉碎，然后篩分出0.08～0.10 mm的顆粒待用。此外，采用寧夏棋盤井產煙煤作為對照試驗，采用球磨機將煙煤粉碎，篩分出0.08～0.10 mm的顆粒待用。
3結果與討論
3.1 不同平茬周期下檸條生長指標對比
如表1所示，檸條林平茬后復壯效果顯著。平茬la后，檸條優勢枝株高和地徑分別達到1.32 m和0.7 cm，是對照未平茬檸條的85.71%和54.61%。優勢株高和地徑均于平茬后第3年達到對照水平，分別為1.68 m和1.35 cm;
從單叢分枝數來看，平茬后第1年萌生枝條高達45枝／叢，是對照的3.46倍。雖然平茬1～5 a由于競爭單叢分枝數逐漸在極顯著減少，但到第5年時仍保留25枝／叢．超過對照1.67倍。檸條林的生長勢表明，平茬是檸條復壯極為有效的措施。平茬后1—5a地徑的生長規律和優勢枝株高基本一致，二者均呈增長趨勢且各年度間差異為極顯著(P<0.01)。S a生優勢枝株高為1.72m，地徑為1.50 cm，比la生分別提高了1.30和1.97倍。從單叢分枝數來看，由于競爭在逐年下降，到第5年時較第1年生下降了近1倍。茬后1～2 a的林分株高和地徑小于對照，而生長3～5a后與對照差異不顯著(P<0.05)。平茬后l—5 a單叢分枝數在逐漸下降，但第5年時分支數仍大于對照。
3.2檸條工業分析、元素分析和熱值分析
生物質工業分析，元素分析和熱值分析是評價其作為熱發電燃料一項重要指標。表2為不同年生檸條的工業分析、全硫分析和低位發熱量數據。收割的檸條自然晾干，讓其自然脫水，從表2可以看出不同年生檸條水分基本保持不變，維持在3%～4%。檸條中灰分含量較少，且含量隨年份增長不斷增加，這是由于檸條中無機物質在生物質體內不斷累積造成的；檸條林齡到第3年時灰分增加呈緩慢趨勢，這是由于檸條逐漸生長成熟，體內無機物質累計較慢，燃料所含灰分越少對環境造成的污染越小，并且灰分會附著在鍋爐外表面．影響鍋爐的熱傳導和安全性。檸條的揮發分隨林齡的增長不斷增加，但增加趨勢緩慢。從全硫數據來看，檸條全硫含量較低，為普通煙煤的1/10，且隨林齡的增長不斷減小，但3a以后檸條全硫含量變化很小。檸條的低位熱值能直接體現出作為燃料的利用價值，從表中可以看出，檸條低位熱值隨著林齡增長，熱值不斷增加，且到第3年增加緩慢，第3年到第5年的熱值維持在19 500 kj/kg，為標煤(29308 kj/kg)的66.5%。從低位發熱值來看3a生檸條適宜作為生物質燃料。從灰分、揮發分、全硫含量和低位發熱值來看，3a生檸條適宜做生物質燃料。
表3為3a生不同月份收割的檸條工業分析、全硫和低位熱值。檸條收割下來自然晾干，各個月份的含水量基本保持不變。從2月開始，檸條灰分逐漸增多，且在4-8月增長最快，但到10月份以后開始下降，結果與檸條生長情況相吻合。檸條揮發分從2月開始逐漸增加，到6月份含水量最大，隨后逐漸下降。檸條全硫含量的測定可以看出，檸條在10-12月硫含量最低。檸條低位熱值從2月開始不斷升高，8月份之前升高較快，10-12月升高變緩，但差別不大。從灰分、揮發分、全硫含量和低位熱值綜合分析，10-12月是檸條收割的最佳時期。此期間，檸條灰分較少，有利于鍋爐的熱利用，并且排放的粉塵較少，對環境危害較小；全硫含量處于全年最低值，較低的硫含量對環境危害較小，低位熱值處于全年最高，而較高的放熱量，能節約一定量的檸條量、降低單耗，更有利于檸條作為生物質燃料。
從圖2中可以看出，寧夏鹽池檸條失重主要在3個溫度范圍。第1個溫度范圍是100℃以內，主要脫出的是，條中所含自由水，為水分蒸發特征。第2個溫度范圍是在250～330℃，主要失質量是檸條中存在大量羧基，羥基等官能團脫水縮合和小分子物質與氧氣發生氧化反應造成的，且在這個溫度范圍內檸條的失質量率最大。第3個溫度范圍是330～480℃，主要失質量是生物質中大分子化合物與氧氣發生氧化反應。
5種不同林齡生的檸條在500℃以后失質量率趨于平衡，并且5種熱重曲線線型基本一致，但是從最后情況來看，la生檸條質量損失最大，約為99.0%，這是因為新成長的生物質無機元素累計較少，大部分主要為有機物。2a和3生質量損失率基本一致，為95.4%，但是4a生和Sa生生物質失質量率有所減少，分別為92.1%和91.1%從熱重分析來看，la生生物質失質量最多，但3a生與其相差不大，綜合考慮3a生最適宜做燃料發電。這與生物質工業分析結果趨勢相一致。
此外，對3a生生物質，寧夏某褐煤和寧夏某煙煤做了熱重測試。從圖3中可以看出，煙煤和褐煤在350℃才開始分解，這是因為煤中所含揮發分較少，從350℃開始，煤中化合物與空氣中的氧氣發生氧化反應，并開始失質量，且質量快速下降。煙煤質量損失率最低為52.1%，褐煤為82.4%，生物質為95.4%。可見煤的灰分較高，增加對環境的壓力，而檸條的灰分遠遠小于煤粉，對環境危害較小，這就說明生物質部分替代煤作為發電燃料具有很高的環保和經濟價值。
4結論與討論
本文對寧夏鹽池檸條生長特性，工業分析，硫含量分析，熱值和熱重分析進行了系統研究，綜合考慮，平茬期為3a且10-12月生的檸條各項特性最為適合。此外，從多方面研究了寧夏檸條的各項特征，為其作為生物質燃料提了基礎數據，指明了清晰思路。
采用一級反應動力學模型和積分法計算檸條動力學參數，與試驗計算的相關系數在0.9以上，說明一級反應動力學模型是可行的。用一級反應動力學模型和積分法計算得到的檸條動力學參數表明：生物質的活化能相對較低，在10℃/min的升溫速率下，試樣在揮發分逸出與燃燒階段的活化能為2.31～2.77 kj/mol，在固定碳燃燒階段的活化能為35.26—40.45 kVmol。
寧夏鹽池檸條作為寧夏地區特有植物，具有高熱值，低灰分，較快的生長速率和特定的平茬復壯特征，可部分替代煤作為熱電廠發電燃料，對可吸入顆粒物的排放有一定改善作用，可提高寧夏地區生態環境，并提高其經濟價值。
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