我国木薯茎秆资源的能源利用

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摘 要 通过介绍生物质能源在我国的利用情况以及木薯茎秆的基本特性，探讨了生物质联产形式以及木薯茎杆的能源利用，并以实际数据对照分析其经济效益。结果表明，通过生物质联产方式能实现木薯茎秆的能源利用，保障联产系统高效能。
关键词 生物质能源；木薯茎秆；能源利用
中图分类号：S533 文献标志码：C 文章编号：1673-890X（2014）10--2
生物质能源主要是指以在土地上种植的能源植物作为能源生产的原材料。在世界物质能源缺口日益增大的国际化背景下，研究生物质能源利用方式可以在一定程度上缓解能源危机。木薯茎秆是一种优质的生物质能源，作为产热原料，可释放出大量的热能。有学者在以木薯秆热值开发的基点研究中，利用木薯秆厌氧发酵生产沼气，效果显著[1]。国外关于木薯茎杆的应用可以追溯到20世纪30年代，成熟的“木屑颗粒机”便是木薯茎秆的利用方式之一[2]。在我国南方地区如广西、海南等地，木薯被广泛种植。其凭借生命力强、成长快、易于繁殖等优势，已成为许多当地居民补充体内能量的主要来源。因此，对我国木薯茎秆资源的能源利用进行深入研究，具备明显的社会效益和重大的经济效益。
1 生物质能源在我国的利用情况
中国生物质能源的发展始于农村家用沼气，出现时间可以追溯到20世纪中期。沼气使用主要以秸秆为原材料进行生物质产热。这些年来，我国陆续施工了许多沼气工程。至2006年，有近4 000个大中型沼气池建成，每年有大约3亿m³的沼气生产能力，到2007年，有大约2 000万农户利用了沼气池，有近90亿m³的沼气年产量，这为约8 000万农民提供了便利[3]。
在生物质应用的过程中，人们开始关心哪些生物原料能产生较好的能效转化效果，而木薯茎杆开始吸引使用者和研究者的眼球。
2 木薯茎秆能源利用的特点
2.1 木薯茎杆燃料的特点
木薯茎杆燃料有高效应用价值。尽管它的平均热值略低于软木的燃料，但与埃及能源作物灰草相当，熔点也与灰草接近。高灰熔点体现着低风险的结渣。与传统玉米秸秆相比，木薯茎杆的灰分含量略高。
一般情况下，木薯茎杆和别的燃料的燃烧特性有很大的不同，其有较高的钾、钙含量与较低的硅含量[4]，这使它具备优质燃料的条件，但燃烧机理不同于其他生物燃料。在燃烧系统需要专门的工艺来减少氮氧化物，如常用的烟气净化工艺，或者采用无火焰燃烧方式等可有效降低氮氧化物的排放量。木薯茎杆燃烧有害物质的含量不是很高，但在一些地区也有出现含量高的情况，需要做进一步的处理。
2.2 原料堆放能改变其燃烧特性
木薯茎杆是一种很有前景的直燃燃料，具有较好的燃烧性能。木薯茎杆经过长久地堆积后，燃料特性会有改变。其中，发热量增加，使燃料的热特性增强，减少了氯与硫的含量，能够防止锅炉结渣[5]。但灰分会变得多，使温度有所下降，会增加结垢的几率，加大氮在尾气中的含量。木薯茎杆整株的叠加和捆绑的堆积密度为70 kg/m³左右，而茎条和粉末与茎条的堆积密度在120～140 kg/m³之间[6]。故木薯茎杆整株的叠加和捆绑的堆积密度要小于茎条和粉末与茎条的堆积密度，这说明的木薯茎杆的空隙率大，易于燃烧，其燃烧的热能转化率也高。堆放密度数据显示木薯茎杆燃烧效果优良，适合在产业链设计与生产管理中推广。
2.3 生物质能联产
国内学者[7]为对比以往的发电方法与生物质能联产方式，以木薯为原料，设计了木薯秆40万t（年消耗50%的水含量），生物质能联产、热电联产、单一发电的三种生产方式。在单一的方式中，许多能量损失在冷却塔的冷却与烟气中，燃料的能量转化比电能少很多。在热电联产里，使用的是低温加热装置代替，该装置使年发电量减少了许多。但每年采暖热得到大幅地增加，能源利用效率上升至90%，在生物质能联产里，锅炉内干物质含水量约为10%[8]。这种生产方式的效率可以通过加入蒸汽干燥或优化加热装置来提高。在此前提下，还能增加热负荷，这可能是一个木器厂、米面厂或别的类似工厂。每个工厂电耗小于30 W。这三种方式的年产量相比，产出最大的是生物质能联产方式。
2.4 木薯茎杆粉末燃烧特性
木薯茎杆可用作蒸汽干燥与蒸汽发电的颗粒材料，木薯秆粉燃烧被认为是最节省费用的。有效的功率调整与高性能的粉末燃烧过程与整合良好的功率调整能够证明上述说法。40 kg木薯秆在机械作用下被粉碎成粒径小于1 mm，并用专门的实验装置对木薯秆粉末燃烧进行了实验[8]。据测试，木薯秆氮含量很高，其燃烧时，烟气中一氧化碳含量少，表明燃料燃烧充分。其锅炉底灰松软，很容易将其从锅炉内清除，不会引起机械故障。飞灰的含量比别的生物质燃料要高，粉尘排放高，因此，未来安装的设备需考虑清洁，而干的烟尘，能够通过目前的过滤技术解决。燃烧的实验表明，在蒸汽锅炉冷却部分积累有大量的粉尘，这和木薯秆粉组成成分有联系，这些粉尘很软，易于被清理。
2.5 木薯茎杆压制颗粒性状及燃烧特性
通常木薯秆颗粒样品粉碎使用6 mm筛锤式粉碎机，采用生产能力300 kg/h的小环模压辊式颗粒制粒机压制木薯秆颗粒，把少量蒸汽经由专门设备加进磨碎的木薯秆里，并进行压模。木薯茎杆含水率是一个非常重要的参数，造粒过程中，木薯茎杆含水率确定在10%～15%之间[9]。
为了让住宅或其他小型燃烧装置也能够使用木薯杆颗粒燃料，专门用两种颗粒燃烧炉进行了试验。第一，燃烧炉装进低灰燃料后，在较短的燃烧时间内，燃烧器很快充满灰，与空气分开。第二，应用生物技术研制的高灰颗粒燃烧器，把木薯秆用两种家用颗粒燃烧炉燃烧，炉内温度高达千度以上，无明显结焦出现。两种燃烧炉只出现小渣颗粒，但易消碎，不坚硬。没有燃烧的颗粒被引入锅炉底部继续燃烧，在底部的空气相对较少。要使木薯秆颗粒燃烧充分，需从燃烧炉与木薯秆颗粒性质两方面来考虑改进。
3 木薯茎杆作为生物质能源的经济效益分析
作为具有良好经济效益的生物质能源，木薯秆的成本低廉，带来的效益逐年上升。基于其他生物质原料价格分析和目前的木薯茎杆按成本为零的无用物来估计，其市场价为250元/t。在国内大部分地区，生物质能源价格=生产价格+政府补贴。国内大部分地区的商业用电价格为1元/（千瓦小时）其辅助能源消耗的功率较大，约为丹麦1倍。根据中国颗粒燃料市场现状与煤颗粒所替代的情况，假定800元/t的颗粒价格，再加上政府补贴，总额为900元/t[10]。大部分地区木薯秆颗粒与煤的热值相当，但热效率高出至少50%。除了各种生态效益，每年的维修成本大约为设备总金额的10%，而丹麦不到6%。一个生物质能联产厂的总费用大约为4亿元，8 000 h的年运营量，可生产16万t左右的固体颗粒，其总能效大于95%。
在制备颗粒燃料时，当达到近20%的年生产能力时，基本可保证成本。对于生物质能联产，当达到近40%的年生产能力时，投资回收期约为5～6年，会有一定收益。目前，在国内用颗粒燃料代替煤的情况比较少，但今后的燃料颗粒的发展空间很大。中国政府对此非常重视，并采取有效的办法来促进对其的利用，计划在2020年时，颗粒燃料要达到5千万t的年产量。随着一系列有利于可再生能源发展的税收措施的出台，颗粒燃料的价格一定会有所降低。
4 结语
木薯茎杆作为农副产品其可利用价值较高且具备良好的燃烧特性，是我国高质量的生物质能源之一。通过对国内外生物能联产的方式探讨，表明木薯茎杆在该领域的应用所能获得的总能效超过95%，具有可观的经济前景。
参考文献
[1]张庭婷.木薯秆处理厌氧发酵生产沼气的研究[D].广西大学，2009（6）.
[2]肖波，周英彪，李建芳.生物质能源经济技术[M].北京：化学工业出版社，2006：207-218.
[3]黄开秋.我国的木薯种植情况概述[J].广西农业科学，2012（1）.
[4]刘飞.浅析木薯秆应用的推广办法[J].河南农业，2011（5）.
[5]赵光辉.贵州木薯茎秆资源的能源利用[J].中国工程科学.2011（2）.
[6]刘平.木薯渣饲料资源化开发研究[J].养殖与饲料，2009（1）.
[7]陶光灿，谢光辉.广西木薯茎秆资源的能源利用[J].中国工程科学.2011（2）.
[8]廖新华主编.广西壮族自治区统计局编.广西统计年鉴[M].中国统计出版社，2009.
[9]郑萍.木薯秆国内应用的具体情况[J].江西农业学报，2011（7）.
[10]薛忠，郭向明，黄正明，等.木薯茎秆机械力学特性试验研究[J].中国农机化学报，2014（1）.
（责任编辑：刘昀）