关键词：生物质；燃烧；发电；柠条；平茬周期
0引 言
柠条（Caragana intermedia intermedia）属豆科锦鸡儿属。这种沙生灌木具有“平茬复壮”的生物习性（齐根砍下，再切成七八十厘米就成了新苗。砍过的灌木来年新生。3a成材，越砍越旺。如果不砍掉长成的枝干，则生长缓慢，不到7a，就会成为枯枝）。柠条枝条含有油脂，热值在18.83 kJ，污染性低，燃烧过程中产生的硫氧化物极低(0.05%)，二氧化碳的净排放量为负值，即生长中吸收的二氧化碳量大于燃烧后排放的量，有效减少了二氧化碳排放，因而可发展成每3 a砍1次的“绿色煤田”。国家《可再生能源中长期发展规划》已确定中国到2020年，生物质发电任务实现装机容量3 000万kW的总目标，其中，以林木生物质物资源为燃料的生物质直燃发电总装机为1 000万kWc5]。对此，国家林业局于2006年开始在全国范围内实施“林电一体化”工程，主要是结合林业灌木林平茬复壮经营措施，将灌木平茬剩余物作为燃料发电，该项工程已成为促进林业发展和增加绿色电力的重要途径多学者都只对农林废弃物及加工残余物热重进行了分析研究，如秸秆、稻壳、甘蔗渣等7-131的热重研究，而本文是对宁夏柠条的热解过程进行研究。热解动力学是表征热解过程参数对原料转化率影响的重要手段[14]，利用该手段，可深入了解反应过程和机理，预测反应速率及难易程度，既为生物质热化学转化工艺的研究开发提供重要的基础数据，也为柠条类生物质能的开发与利用提供更好、更合理高效的途径。
中国北方利用柠条、沙柳、荆条、紫穗槐等灌木平茬资源作为发电燃料的生产过程中，普遍实行的是在灌木生长4a后，在冬季平茬1次，然后半封闭储存全年供应电厂。该生产过程，在没有掌握灌木资源在不同林龄期、不同时节的热值差异和燃烧后的灰分变化的情况下，盲目平茬利用。没有在灌木枝条热值最高林龄期、或灌木枝条碱金属内含物含量最低的时期收割利用，实际上既浪费资源、又不能减少燃料碱金属对锅炉的腐蚀，更无法做到高质、高效利用和节约资源、降低成本利用目标。宁夏具有丰富的农林资源，以盐池县为例全县年可产农林剩余物43 t，农业秸秆8万t以上，各种林木剩余物资源约35万t，其中灌木林平茬复壮措施年可获得灌木平茬物为24.8万t，占农林资源的58%左右。大部分秸秆可作为畜牧饲料，少量的柠条作为家用，而大量柠条未被利用。本文针对宁夏地区生长的柠条进行了不同林龄期、不同季节时的热值差异和燃烧后的灰分变化的研究，确定了最佳收割林龄期和季节，为宁夏柠条利用奠定了基础。
1研究方法
1.1生长指标
分别取平茬后生长1～5 a和未平茬柠条进行生长指标研究，包括株高，地径和分支数，每种处理调查150～170丛。
1.2工业分析
柠条工业分析按照《固体生物质燃料工业分析方法》(GB/T 28731-2012)国家标准测定。
1.2.1水分测定
称取一定量生物质颗粒至于(105+2)℃干燥箱中在干燥的氮气流中干燥2h，直至质量恒定。
1.2.2挥发分测定
称取生物质固体燃料(I士O.I)g，至于瓷坩埚中，将瓷坩埚放到坩埚架上，并迅速至于已升温到900℃左右加热炉中，关闭加热炉门精确加热7 min后，取下，冷却称其质量。
1.2.3灰分测定
称取生物质固体燃料（1+0.1)g,其均匀平摊与灰皿中，放置加热炉，先升温至250℃左右，保持60 min，然后升温至(550+10)℃，并灼烧2h，冷却后称其质量。
1.3含硫量
柠条全硫按照《固体生物质燃料全硫定方法》
1.4热值测定
柠条发热量按照《固体生物质燃料发热量测定方法》
1.5动力学方法
称取5～15 mg样品，于耐热坩埚内，测试温度范围为20～800℃，升温速率为10℃/min，通入空气，流量：60 mL/min。
2试验
2.1试验仪器
热重分析美国TA仪器公司SDT Q600进行表征测试。
2.2试验样品处理
本试验利用宁夏盐池柠条为测试样品，齐根砍下柠条，自然晾干30d，用微型植物粉碎机进行粉碎，然后筛分出0.08～0.10 mm的颗粒待用。此外，采用宁夏棋盘井产烟煤作为对照试验，采用球磨机将烟煤粉碎，筛分出0.08～0.10 mm的颗粒待用。
3结果与讨论
3.1 不同平茬周期下柠条生长指标对比
如表1所示，柠条林平茬后复壮效果显著。平茬la后，柠条优势枝株高和地径分别达到1.32 m和0.7 cm，是对照未平茬柠条的85.71%和54.61%。优势株高和地径均于平茬后第3年达到对照水平，分别为1.68 m和1.35 cm;
从单丛分枝数来看，平茬后第1年萌生枝条高达45枝／丛，是对照的3.46倍。虽然平茬1～5 a由于竞争单丛分枝数逐渐在极显著减少，但到第5年时仍保留25枝／丛．超过对照1.67倍。柠条林的生长势表明，平茬是柠条复壮极为有效的措施。平茬后1—5a地径的生长规律和优势枝株高基本一致，二者均呈增长趋势且各年度间差异为极显著(P<0.01)。S a生优势枝株高为1.72m，地径为1.50 cm，比la生分别提高了1.30和1.97倍。从单丛分枝数来看，由于竞争在逐年下降，到第5年时较第1年生下降了近1倍。茬后1～2 a的林分株高和地径小于对照，而生长3～5a后与对照差异不显著(P<0.05)。平茬后l—5 a单丛分枝数在逐渐下降，但第5年时分支数仍大于对照。
3.2柠条工业分析、元素分析和热值分析
生物质工业分析，元素分析和热值分析是评价其作为热发电燃料一项重要指标。表2为不同年生柠条的工业分析、全硫分析和低位发热量数据。收割的柠条自然晾干，让其自然脱水，从表2可以看出不同年生柠条水分基本保持不变，维持在3%～4%。柠条中灰分含量较少，且含量随年份增长不断增加，这是由于柠条中无机物质在生物质体内不断累积造成的；柠条林龄到第3年时灰分增加呈缓慢趋势，这是由于柠条逐渐生长成熟，体内无机物质累计较慢，燃料所含灰分越少对环境造成的污染越小，并且灰分会附着在锅炉外表面．影响锅炉的热传导和安全性。柠条的挥发分随林龄的增长不断增加，但增加趋势缓慢。从全硫数据来看，柠条全硫含量较低，为普通烟煤的1/10，且随林龄的增长不断减小，但3a以后柠条全硫含量变化很小。柠条的低位热值能直接体现出作为燃料的利用价值，从表中可以看出，柠条低位热值随着林龄增长，热值不断增加，且到第3年增加缓慢，第3年到第5年的热值维持在19 500 kj/kg，为标煤(29308 kj/kg)的66.5%。从低位发热值来看3a生柠条适宜作为生物质燃料。从灰分、挥发分、全硫含量和低位发热值来看，3a生柠条适宜做生物质燃料。
表3为3a生不同月份收割的柠条工业分析、全硫和低位热值。柠条收割下来自然晾干，各个月份的含水量基本保持不变。从2月开始，柠条灰分逐渐增多，且在4-8月增长最快，但到10月份以后开始下降，结果与柠条生长情况相吻合。柠条挥发分从2月开始逐渐增加，到6月份含水量最大，随后逐渐下降。柠条全硫含量的测定可以看出，柠条在10-12月硫含量最低。柠条低位热值从2月开始不断升高，8月份之前升高较快，10-12月升高变缓，但差别不大。从灰分、挥发分、全硫含量和低位热值综合分析，10-12月是柠条收割的最佳时期。此期间，柠条灰分较少，有利于锅炉的热利用，并且排放的粉尘较少，对环境危害较小；全硫含量处于全年最低值，较低的硫含量对环境危害较小，低位热值处于全年最高，而较高的放热量，能节约一定量的柠条量、降低单耗，更有利于柠条作为生物质燃料。
从图2中可以看出，宁夏盐池柠条失重主要在3个温度范围。第1个温度范围是100℃以内，主要脱出的是，条中所含自由水，为水分蒸发特征。第2个温度范围是在250～330℃，主要失质量是柠条中存在大量羧基，羟基等官能团脱水缩合和小分子物质与氧气发生氧化反应造成的，且在这个温度范围内柠条的失质量率最大。第3个温度范围是330～480℃，主要失质量是生物质中大分子化合物与氧气发生氧化反应。
5种不同林龄生的柠条在500℃以后失质量率趋于平衡，并且5种热重曲线线型基本一致，但是从最后情况来看，la生柠条质量损失最大，约为99.0%，这是因为新成长的生物质无机元素累计较少，大部分主要为有机物。2a和3生质量损失率基本一致，为95.4%，但是4a生和Sa生生物质失质量率有所减少，分别为92.1%和91.1%从热重分析来看，la生生物质失质量最多，但3a生与其相差不大，综合考虑3a生最适宜做燃料发电。这与生物质工业分析结果趋势相一致。
此外，对3a生生物质，宁夏某褐煤和宁夏某烟煤做了热重测试。从图3中可以看出，烟煤和褐煤在350℃才开始分解，这是因为煤中所含挥发分较少，从350℃开始，煤中化合物与空气中的氧气发生氧化反应，并开始失质量，且质量快速下降。烟煤质量损失率最低为52.1%，褐煤为82.4%，生物质为95.4%。可见煤的灰分较高，增加对环境的压力，而柠条的灰分远远小于煤粉，对环境危害较小，这就说明生物质部分替代煤作为发电燃料具有很高的环保和经济价值。
4结论与讨论
本文对宁夏盐池柠条生长特性，工业分析，硫含量分析，热值和热重分析进行了系统研究，综合考虑，平茬期为3a且10-12月生的柠条各项特性最为适合。此外，从多方面研究了宁夏柠条的各项特征，为其作为生物质燃料提了基础数据，指明了清晰思路。
采用一级反应动力学模型和积分法计算柠条动力学参数，与试验计算的相关系数在0.9以上，说明一级反应动力学模型是可行的。用一级反应动力学模型和积分法计算得到的柠条动力学参数表明：生物质的活化能相对较低，在10℃/min的升温速率下，试样在挥发分逸出与燃烧阶段的活化能为2.31～2.77 kj/mol，在固定碳燃烧阶段的活化能为35.26—40.45 kVmol。
宁夏盐池柠条作为宁夏地区特有植物，具有高热值，低灰分，较快的生长速率和特定的平茬复壮特征，可部分替代煤作为热电厂发电燃料，对可吸入颗粒物的排放有一定改善作用，可提高宁夏地区生态环境，并提高其经济价值。
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