储存方式对生物质燃料玉米秸秆储存特性的影响

田宜水^1,2，徐亚云^1,2,3，侯书林³，赵立欣^1,2，姚宗路^1,2，孟海波^1,2

　　（1.农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所，北京100125；2.农业部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京100125；3.中国农业大学工学院，北京100083）

　　摘要：为了解不同储存方式对农作物秸秆理化特性变化规律的影响，该文针对整株、打捆、粉碎3种预处理方式、且分别储存在露天、覆盖、密封条件下的秸秆进行为期5个月的试验研究。结果表明，粉碎秸秆的全水分、灰分较高，分别比整株与打捆秸秆高出约3.46%、3.83%与5.95%、4.62%；但挥发分较整株、打捆秸秆分别低5.81%、4.47%；密封储存全水分、灰分较露天、覆盖储存高，挥发分较露天、覆盖储存低。秸秆储存期间，温度平均值变化不明显，极差仅在3.24～3.71℃之间，温度最高值可达50℃左右，故应保持良好的通风。发热量与全水分呈负相关变化，与整株和打捆秸秆相比，粉碎秸秆发热量下降约1000kJ/kg左右。秸秆长期储存时，应优先选择整株或打捆秸秆，露天和覆盖储存则需要进一步研究。

　　0引言

　　农作物秸秆是一种具有多用途的可再生生物资源，每吨干物质秸秆的热值相当于0.5t标准煤，其S含量却远低于煤，是一种清洁、可再生能源，具有广阔的发展前景。根据统计，2013年全国秸秆理论可收集资源量为8.3亿t，综合利用率达77.1%，尚有1.9亿t未得到有效利用^[1-5]。

　　由于农业生产间断性与工业连续性存在一定的矛盾，如何安全储存秸秆是其规模化利用的关键问题。刘建辉等^[3]对水稻、小麦、玉米、油菜和棉花5种秸秆在遮雨通风条件下试验分析，得出其性能参数的变化规律。谢祖琪等^[4]对小麦秸秆进行储存研究，结果表明，储存前后的芯部温度均在安全范围内，绝干热值无明显变化。张中波等^[5]对玉米和木质颗粒成型燃料在露天、半封闭、袋装条件下试验研究，得出了颗粒燃料全水分、颗粒密度和机械耐久性等理化特性的长期储存数据。WilliamASmith等^[6]对玉米秸秆和高粱进行全水分和干物质损失的测试分析，得出合适的堆垛形状、方向和储存方式能够有效保持原料水分和干物质的结论。KevinLKenney等^[7]对生物质原料的灰分、碳水化合物、水分等进行分析讨论，为提高原料质量、减少可变性提供了依据和方法。上述研究虽然对秸秆的储存和理化特性进行了初步研究，但是对玉米秸秆在不同预处理、不同储存方式的研究较少，缺少秸秆安全储存的试验数据。

　　本文通过采取3种不同的储存方式（露天、覆盖、密封），针对整株、打捆、粉碎等预处理方式的玉米秸秆进行长期储存试验，每月中旬取样并测量全水分、热值、灰分等理化特性，分析各指标的变化规律，以及不同预处理和储存方式对秸秆自身特性的影响，以期为秸秆的安全储存提供理论依据和基础数据。

　　1材料与方法

　　1.1试验材料

　　选取山东省肥城市2013年秋季所产玉米秸秆。

　　1.2试验设备

　　本试验仪器主要包括：KZR70A型温度记录仪和Pt100温度传感器（北京昆仑中大工控技术发展有限公司），测试精度为±0.2%F.S；RT-34静音碾磨式粉碎机（北京环亚天元机械技术有限公司）；XL-1箱型高温炉（河南省鹤壁市天弘仪器有限公司）；101-3A电热鼓风干燥箱（鹤壁市华维科力煤质仪器有限公司）；ZDHW-5型微机全自动量热仪（河南省鹤壁市天弘仪器有限公司）。

　　1.3试验方法

　　1.3.1试验时间

　　中国华北平原地区，玉米秸秆普遍11月份开始收集，然后进行储存，次年5、6月份小麦秸秆可收集、储存并利用。玉米秸秆收集后，初始全水分含量很高，需一段时间风干处理，因此试验时间为2014年1月份至5月份。

　　1.3.2存储方式的选择

　　试验地点为山东省肥城市王庄镇，试验环境为室外。把所选试验原料分为整株、打捆、粉碎3种形式，分别在露天（自然环境下直接储存）、覆盖（防水布遮住顶部）、密封（先塑料包裹，再用防水布全部遮盖）条件下储存，储存地面为未经过处理的土地。

　　整株秸秆：选用3组约1t经风干后的整株玉米秸秆进行堆垛，长、宽、高尺寸约为：2400mm×2300mm×2160mm。

　　打捆秸秆：选择3组约2.5t经HB3060型打捆机处理的玉米秸秆捆进行堆垛，长、宽、高尺寸约为：2400mm×2300mm×2160mm。选取600mm×460mm×360mm的秸秆捆120捆，每层20捆，共堆积6层。

　　粉碎秸秆：选择3组约1.5t经9ZR-14型铡揉机处理的粉碎玉米秸秆进行堆垛，半径、高度约为：1500mm×2000mm。

　　1.3.3试验方法

　　全水分：整株和粉碎秸秆，由上而下分3层取样；打捆秸秆则分4层取样。样品制备完成后，按照NY/T1881.2-2010进行测试。

　　工业分析、发热量：取样后，使用密封袋保存并进行编号，按照《NY/T1881.1-2010～1881.8-2010生物质固体成型燃料试验方法》制样和测试。

　　温度：整株秸秆分3层，每层安装3个Pt100温度传感器；打捆秸秆分4层，每层安装3个传感器；粉碎秸秆分3层，顶层安装一个传感器，中间和底层分别安装3个传感器。具体安装位置见图1。

　　2试验结果与分析

　　山东省肥城市属暖温带温润性季风气候，冬季寒冷少雪，春季较干多风，全年平均气温13℃，年平均降水量700～800mm，风向一般为东南风。为分析环境温度和湿度对试验的影响，从2014年1月开始每8h记录1次空气温湿度，每天记录3组数据，储存期间月环境平均温湿度数值见图2，其中1月7日、31日小雨；2月5日、16日、17日、26日雨夹雪；3月11日、18日号小雨；4月15日、18日、20日小雨，25日中雨；5月10日中大雨。环境温度总体呈上升趋势，仅2月份因降雪平均温度最低为0，5月份上升到20℃；环境湿度与降雨有关，一般在45%～65%之间，3月份进入春季，因季节变化平均湿度最低达46%。

　　2.1表观观察

　　秸秆长期储存时，表面颜色均逐渐变深，说明秸秆表层可能发生氧化，整株和粉碎秸秆料堆逐渐变矮，有坍塌趋势。整株和打捆状态下，露天、覆盖储存的秸秆相对干燥，密封则较潮湿；粉碎秸秆露天储存10d左右时，出现白烟，表明秸秆此时自身生理作用强，产生的水蒸气遇冷空气后冷凝。粉碎状态下，密封秸秆外部最潮湿，腐烂现象严重。

　　2.2全水分变化分析

　　图3为3种预处理（整株、打捆、粉碎）秸秆分别以露天、覆盖、密封形式储存时整垛全水分的变化规律。从整体来看，存储方式比预处理对全水分影响更为显著。同一预处理方式时，密封储存时玉米秸秆全水分变动幅度最大，以整株秸秆为例，密封条件下储存，玉米秸秆全水分标准差达9.024%，分别比露天和覆盖条件高4.7%和2%；同一储存方式时，粉碎秸秆变化最大，以露天储存为例，储存期间，粉碎秸秆全水分标准差达6.839%，比整株和打捆秸秆高2.5%和1.6%，具体统计数据见表1。

　　农作物秸秆成型过程中，玉米秸秆的最佳成型水分为15%^[8]。由表1知：整株状态下，秸秆露天储存时，全水分平均值为14.5%，临近最佳成型水分，其次为露天和密封储存。打捆状态下，同上，露天储存时秸秆最利于成型，密封储存因全水分含量较高，不便作为成型燃料使用。粉碎状态下，覆盖秸秆全水分含量为16.8%，较易于成型，而露天和密封储存全水分含量均高出5%左右，不利于成型。因此，玉米秸秆作为成型燃料使用时，应该选择整株或者打捆状态，并在露天条件下储存。

　　在露天条件下，玉米秸秆料堆（除底部外）与外部环境完全接触，降雨（雪）将直接落到料堆顶部并渗透至料堆中，受环境影响最大。整体上，整株、打捆、粉碎秸秆全水分随温度、湿度上升而呈上升趋势。整株和打捆秸秆全水分分别从初始的11.73%和12.08%，增加至5月份最高点，为21.12%和26.95%；3月份时整株秸秆全水分最低，为9.74%，原因在于3月份空气较为干燥，相对湿度为46%；打捆秸秆变化则不明显，说明打捆秸秆较为密实，水分扩散速率较慢。粉碎秸秆全水分整体偏高，最高达30.86%，与其他相比明显存在滞后性，原因在于秸秆粉碎后，比表面积增加，且破坏了其表皮覆盖的蜡质层结构，吸水性较好。

　　在覆盖条件下，玉米秸秆料堆（除顶部、底部外）与外部环境完全接触，受环境影响较大。另外，受防雨布遮挡，降雨（雪）无法渗透，可能形成局部积水现象。整体上，整株和打捆秸秆全水分基本相同，与环境湿度变化一致，3月份时最低，分别为10.89%和11.04%，4月份比2月份全水分含量分别降低了3.7%和2%，可能因为达到平衡含水率后，温度越高，分子活性越大，全水分降低。粉碎秸秆全水分最高，3月份达到峰值28.06%，原因可能是秸秆表层遭到破坏后，2月末吸收大量水分，散失较慢。

　　在密封条件下，玉米秸秆料堆几乎与外界隔离，受环境影响最小，另外，受密封布遮挡，降雨（雪）无法渗透，会导致秸秆自身产生的水分无法顺利排出。整体上，三者处理方式秸秆全水分变化一致，分别从初始的11.73%、12.08%和8.62%，增加至3月份最高点，即32.76%、23.49%和33.52%，最后下降到5月份的11.08%、11.36%和19.62%。变化趋势与其他储存方式相比，存在明显的滞后性，其中，整株和粉碎秸秆因密度小，全水分较高，打捆秸秆则偏低。

　　由以上分析可知，粉碎秸秆全水分含量高且变化幅度较大，本文以粉碎秸秆为例，分析每层全水分的变化规律，如图4。

　　露天储存时，第1层受环境影响最明显，4月份时全水分最低为12.28%。第2层受环境影响较小，全水分处于第1、3层之间，从初始含水率8.62%上升至2月份的24.5%后，几乎不再发生变化。第3层全水分从初始8.62%升高到3月份的29.44%后，一直保持在25%以上，原因可能是受到地表温度、水分的影响。覆盖储存时，秸秆堆只有侧面接触环境，第1层3月份后全水分持续降低，可能受覆盖影响，外界降水无法渗入。第2、3层全水分变化与环境湿度相比，略有滞后，可能因为秸秆组织受到破碎后，散失水分较慢导致。密封储存时，3层秸秆全水分变化趋势基本一致。其中，第1层含量最高，因为密封后，蒸发水分，可能停留在密封布下表面。

　　2.3温度变化分析

　　图5为整株、打捆、粉碎秸秆分别在露天、覆盖、密封条件下储存时的日平均温度变化情况。整体略高于环境温度，变化规律与环境温度基本保持一致。其中，仅在第25天时低于环境温度，可能是因为季节变化或者全水分较低导致。说明秸秆长期储存时，温度随时间变化规律主要受外界环境影响。

　　整株状态下，露天储存时秸秆温度变化最小，标准差为3.498%，覆盖、密封储存秸秆略高，分别为3.573%和3.646%。其中，密封秸秆温度平均值最高，且在测试最后1天达到峰值，为26.68℃，高出环境温度5℃左右，可能因为气候变暖，太阳辐射增强，自身理化作用释放能量。打捆状态下，玉米秸秆以露天、覆盖、密封形式储存时，温度变化最相近，标准差分别为3.536%、3.364%和3.337%。同整株状态，密封秸秆仍在测试最后1天日平均温度最高，达24.80℃，略高于环境温度，略低于上述整株状态。粉碎状态下，露天储存秸秆温度变化最大，标准差为3.71%，覆盖和密封储存较小，标准差分别为3.43%、3.24%。相比整株和打捆状态，密封秸秆温度平均值仍为3种储存方式中最高，但在第20天达到最高为23.88℃。

　　为研究24h内秸秆垛芯部温度变化情况，选择整株秸秆进行分析讨论（图6），试验当天环境温度在16～30℃之间，由于太阳直射关系，环境温度一般在早上8:00左右上升，晚上8:00左右下降。3种储存方式的全水分平均值分别为13.12%、11.46%和11.08%。

　　露天储存时，秸秆料堆与外部环境完全接触，受环境温度影响最大。0～8h几乎维持平衡，温度变化曲线在露天和密封储存曲线之间，8～12h从19.9℃增加至34.5℃后无明显变化，然后在20h左右下降到28℃。可以知道，整体变化趋势与环境温度变化相同，只是数值略有升高，原因可能是经太阳直射后，外界热量传入秸秆垛。

　　覆盖储存时，由于遮雨布遮盖，受环境温度影响较小。与另外2种方式比较，温度曲线在1～8h最高，8～15h从20.4℃缓慢增加至27.6℃后无明显变化，最后在20h左右下降到24.8℃。试验期间，温度变化最小，且最接近环境温度。原因可能是覆盖秸秆密度大、受太阳直射影响小，内、外部温度达到平衡。

　　密封储存时，由于密封布影响，温度变化与环境温度变化相差最大。与另外2种方式比较，温度曲线在第1～8小时最低，第8～14小时从18.5℃迅速升高至44.5℃，第14～18小时下降至33.5℃后达到动态平衡，最高温度相比外界环境升高了17℃。可能因为密封条件下分子活性大、微生物活性强，放热多。

　　可以知道，露天和覆盖条件下储存的秸秆，温度波动较小；密封条件下储存的秸秆，峰值最大达45℃左右，且变化迅速，因此储存时应该注意通风散热，避免自燃。

　　2.4发热量变化分析

　　发热量是生物质原料能源化利用的重要评价指标之一^[5-9]。由表2可见，整体来看，玉米秸秆收到基低位发热量随时间呈下降趋势，2月份下降较为明显，且与全水分呈负相关变化，可能因为秸秆全水分较大导致。以整株秸秆为例，分别露天、覆盖、密封储存时，1～5月份Qar降低了1512、1608、1612kJ/kg；其中，密封储存秸秆发热量平均值最低，仅11547kJ/kg，分别较露天、覆盖储存下降661、642kJ/kg。

　　如果扣除水分影响，以干燥基为基准进行分析，整株状态下，露天储存秸秆发热量在12109～14333kJ/kg之间，1－2月份下降趋势明显，降低了686kJ/kg，可能因为全水分较大，受软腐菌、霉菌等侵入，导致腐败，有机物被微生物分解为CO₂和H₂O；3－4月份则略有提高，可能因为季节、气候变化，全水分含量降低，秸秆中纤维素、木质素等消耗减少导致；覆盖储存秸秆发热量在11619～14252kJ/kg之间，其中1－2月份比整株储存略低，3～5月份略高300kJ/kg左右；密封储存秸秆发热量明显降低，发热量在10003～13779kJ/kg之间，原因在于缺乏雨水冲刷^[6-7]。

　　打捆状态下，发热量总体比整株状态略高，在10076～15060kJ/kg之间，分别以露天、覆盖、密封方式储存时，变化规律与整株秸秆相似，可能因为打捆预处理后，秸秆密度大且温度略低，微生物活性较低所致。

　　粉碎状态下，发热量最低，在9521～12904kJ/kg之间，原因可能是秸秆粉碎后，表皮及蜡质层受到破坏，更易受软腐菌、霉菌等侵入。

　　3种状态下，粉碎秸秆发热量最低不便使用，打捆秸秆略高可优先选择；3种储存条件下，密封储存发热量最低，不适于燃烧利用，应合理根据成本等影响因素选择露天或覆盖储存方式。

　　2.5工业分析

　　工业分析包括一般样品水分、灰分、挥发分和固定碳，其中，灰分和挥发分对原料利用影响较大，故本试验主要分析灰分和挥发分的变化规律，试验数据以干燥基为基准。

　　2.5.1灰分

　　表3数据显示：随秸秆储存时间延长，灰分含量先迅速上升再略微降低，3－4月份分别降低了3.1%、1.5%、6.1%，可能因为降雨增多，冲刷掉一部分灰分，符合本文对发热量变化的分析。3种秸秆状态下，整株和打捆秸秆灰分含量较低且随时间变化小，粉碎秸秆灰分含量高，最高达24%，可能是在秸秆粉碎处理过程中，混入其他杂质所致。

　　2.5.2挥发分

　　表4数据显示：秸秆1－2月份下降趋势明显，如整株秸秆分别降低了9.15%、7.4%、8.4%，3个月后变化较小，原因可能受微生物分解作用影响。3种秸秆状态下，整株和打捆秸秆挥发分含量相近且较高，达72%左右，粉碎秸秆明显降低，数值仅68%左右。

　　3结论

　　1）秸秆储存过程中，储存条件比预处理方式对全水分影响大。粉碎秸秆平均全水分含率最高达19.16%，整株和打捆秸秆较低，分别为15.71%和15.34%。由于环境湿度和自身理化作用影响，露天和密封储存时的全水分含量较覆盖储存高。同一秸秆垛比较时，每层全水分含量变化规律相同，但数值有明显区别，可能因为预处理时秸秆组织发生破坏，吸水或散失水的能力不同。

　　2）秸秆长期储存时，平均温度普遍比环境温度高。秸秆温度变化与外界环境、全水分含量密切相关，3种不同预处理方式的秸秆，日平均温度变化不明显，极差仅在3.24～3.71℃之间。整株秸秆在露天、覆盖、密封条件下储存时温度最高值分别为40.8、35.4、44.7℃，打捆秸秆上述数据为32.7、30.3、35.8℃，粉碎秸秆为40.5、39.3、43.7℃，打捆秸秆易于安全储存，整株、粉碎秸秆储存量多时，应该保持环境通风良好。

　　3）以干燥基为基准时，整株和打捆秸秆发热量相近，平均值在14000kJ/kg左右，粉碎秸秆较低在13000kJ/kg左右，且密封储存较露天和覆盖储存低，长期储存时，受微生物和雨水冲刷影响。以收到基为基准时，发热量明显降低，发热量与全水分呈负相关变化。整体来说，秸秆灰分随时间升高，1～5月份增加了3%左右；挥发分降低，1～5月份降低了约6%，其中，粉碎秸秆灰分含量最高，挥发分最低，且在不同储存条件下无明显变化。

　　4）从秸秆高效利用角度考虑：粉碎秸秆因发热量和挥发分低、含水率和灰分高，不利于能源利用，打捆秸秆比整株秸秆易储存，但成本较高；3种储存条件下，密封储存不建议使用，露天和覆盖储存因各参数指标变化不一致，需要进一步研究。

　　[参考文献]

　　[1]崔明，赵立欣，田宜水，等.中国主要农作物秸秆资源能源化利用分析评价[J].农业工程学报，2008，24(12)：291－296.

　　[2]王久臣，戴林，田宜水，等.中国生物质能产业发展现状及趋势分析[J].农业工程学报，2007，23(9)：276－282.

　　[3]刘建辉，谢祖琪，姚金霞，等.农作物秸秆在遮雨通风条件下的储存研究[J].西南农业学报，2012，25(5)：1889－1894.

　　[4]谢祖琪，余满江，庹洪章，等.小麦秸秆储存机理研究[J].西南大学学报，2011，33(7)：130－136.

　　[5]张中波，田宜水，侯书林，等.生物质颗粒燃料的储藏理化特性变化规律[J].农业工程学报，2013，29(1)：223－229.

　　[6]William A Smith, Ian J Bonner, Kevin L Kenney, et al.Practical considerations of moisture in baled biomass feedstock[J].Biofuels, 2013, 4(1): 95－110.

　　[7]Kevin L Kenney, William A Smith, Garold L Gresham, et al.Understanding biomass feedstock variability[J].Biofuels, 2013, 4(1): 111－127.

　　[8]霍丽丽，田宜水，赵立欣，等.生物质原料持续供应条件下理化特性研究[J].农业机械学报，2012，43(12)：107－113.

　　[9]霍丽丽，孟海波，田宜水，等.粉碎秸秆类生物质原料物理特性试验[J].农业工程学报，2012，28(11)：189－195.

　　[10]田宜水，姚宗路，欧阳双平，等.切碎农作物秸秆理化特性试验[J].农业机械学报，2011，42(9)：124－145.

　　[11]樊蜂鸣，张百良，李保谦，等.大粒径生物质成型燃料物理特性的研究[J].农业环境科学学报，2005，24(2): 398－402.

　　[12]田宜水，孟海波，孙丽英，等.秸秆能源化技术与工程[M].北京：人民邮电出版社，2010：129－133.

　　[13]熊昌国，谢祖琪，易文裕，等.农作物秸秆能源利用基本性能的研究[J].西南农业学报，2010(5)：1725－1732.

　　[14] Yuan J S, Wang X, Stewart Jr NS.Biomass feedstock：diversity as a solution[J].Biofuels, 2001, 2(5): 491－493.

　　[15]周晶，吴海涛，丁士军，等.秸秆资源收获季节性及其能源供应持续性分析[J].资源科学，2011，33(8)：177－183.

　　[16]霍丽丽，田宜水，赵立欣，等.农作物秸秆原料物理特性及测试方法研究[J].可再生能源，2011，29(6)：86－92.

　　[17] 周捍东，徐长妍，丁沪闽，等.木材散碎物料基本堆积特 性的研究[J].木材加工机械，2002，13(6)：7－17.

　　[18]Athanasios A Rentizelas, Athanasios J Tolis, Ilias PTatsiopoulos, et al.The Storage problem and the multi-biomass supply chain[J].Renewable Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(4).

　　[19]艾玉春，王炜，李鹏霞，等.甘蔗在贮藏期间营养与生理 变化研究[J].食品科学技术学报，2013，31(2)：37－42.

　　[20]庹洪章，刘建辉，谢祖琪，等.秸秆成型加工技术的试验 研究[J].西南大学学报，2009(11)：133－139.

　　[21]赵丽华，莫放，余汝华，等.贮存时间对玉米秸秆营养物 质损失的影响[J].中国农学通报，2008，24(2)：4－7.

　　[22] Sokhansanj S, Turhollow A, Cushman J, et al.Engineering aspects of collecting corn stover for bioenergy[J].Biomass and Bioenergy, 2002, 23(5): 347－355.

　　[23] Ragland K W, Aerts D J.Properties of wood for combustion analysis[J].Bioresource Technology, 1991, 37(2): 161－168.