生物质的物理特性

  生物质的分布、自然状态、尺寸、堆积密度、高位发热量、含水率及熔点等物理特性对燃料的收集、运输、储存和相应的燃烧技术有极大的影响，下面我们便来一一的介绍。
1、含水率
    水分是生物质原料一个易变的因素，新鲜的木材或秸秆的含水量高达50%～60%，自然风干后为8%～20%。水分是燃料中不可燃的部分。根据与燃料的结合情况，生物质燃料所含的水分可分为两部分：一部分存在干细胞腔内和细胞之间，称为自由水，可用自然干燥的方法去除，与运输和储存条件有关，在5%～60%变化；另一部分为细胞壁的物理化学结合水，称为生物质结合水，一般比较固定，约占5%。
    含水率影响燃烧性能、燃烧温度和单位能量所产生的烟气体积。
    含水率高的生物质在燃烧时水分的蒸发要消耗大量的热，热值有所下降，点火困难、燃烧温度低，产生的烟气体积较大。因此，在直接燃烧过程中要限制原料的含水量，预先对燃料进行干燥处理。
    原料含水率对生物质成型技术也有重要影响。生物质体内的水分也是一种必不可少的自由基，流动于生物质团粒间，在压力作用下，与果胶质或糖类混合形成胶体，起黏结剂的作用，因此过于干燥的生物质材料在通常情况下是很难压缩成型的，甚至颗粒表面碳化，并引起黏结剂自燃。生物质体内的水分还有降低木质素的玻变（熔融）温度的作用，使生物质在较低温度下成型。但是，含水率太高将影响热量传递，并增大物料与模具的摩擦力。秸秆在热压成型时，环（平）模块状燃料含水率控制在16 %～20%，其他含水率一般为8%～15%。
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    原料含水率的高低直接影响生物质的储存，根据作者的研究，含水率在25%以上的秸秆，如果不进行预干燥就堆积储存，易霉烂变质，失去应有的燃料特性。
2、堆积密度
    堆积密度式指包括燃料颗粒空间在内的密度，反映了单位容量中燃料的质量，一般在自然堆积情况下进行测量。堆积密度在很大程度上影响着生物质利用反应床的几何尺度和对附属设备的迭取，并对其利用的经济性有直接影响。与煤相比，生物质普遍具有密度小、体积大、含氧量高的特点。例如，纯褐煤的密度为560～600 kg/m³，玉米秸秆的堆积密度为150～240 kg/m³，硬木木屑堆积密度为320 kg/m³左右。

    图2. 28中给出了部分生物质原料在颗粒尺度为15～25 mm时的堆积密度。从图中可看到，实际存在着两类的植物原料，一类是包括硬木、软木、玉米芯等在内的所谓硬材，它们的堆积密度为250～300 kg/m³；另一类主要包括各种秸秆即所谓软材，它们的堆积密度远小于木质燃料。例如，玉米秸的堆积密度相当于木材的1/4，麦秸的堆积密度相当于木材的1/10以下。
    堆积密度对生物质的热化学利用有重要的影响。当受热时，挥发分从空隙处析出后，剩余的木炭机械强度较高，可以保持原来的形状，从而形成孔隙率高、均匀的优良反应层，而秸秆炭的机械强度很低，不能保持原有的形状，细而散的颗粒也降低了反应层的活性和透气性。从白杨木、麦秸和玉米秸秆自然风干后的生物质原料纵剖面的显微结构，可以明显看出，木材质地紧密，而麦秸和玉米秸秆仅靠细而疏松的纤维状物质支撑着原料的形状。
    秸秆内部分子间距大，堆积密度低，这些特点决定了秸秆具有较大的可压缩性。但是较低的堆积密度需要占用的堆放空地更大，对生物质的存储和运输非常不利，尤其是秸秆类型生物质。秸秆的堆放体积庞大，搬运、运输、码垛需要消耗较多的人力财力，运输有一定的困难，尤其是远距离大规模运输成本太高。如果除去人工费和含水率及运输损耗，成本将会更高．而且较大的体积对较大型的生物质燃烧系统带来一定的困难，直接制约了秸秆燃烧技术的推广和应用。
3、生物质原料工业成分分析
    生物质工业成分分析是参照煤的工业分析方法，主要测定原料中水分、挥发分、灰分及固定碳的含量。生物质原料的工业分析成分并不具有唯一性，因为所沿用的煤质工业分析方法相当于隔绝空气的热解，但按标准方法测得的工业分析成分有助于与煤炭等其他固体燃料相比较。热解开始，首先是水分蒸发选出，然后是燃料中的有机物热解析出各种气态产物，即挥发分，生物质原料中的挥发分物质中，一部分是常温下不凝结的简单气体，如一氧化碳、氢气、二氧化碳、甲烷等；另一部分则在常温下凝结成液体，其中包括水和各种较大分子的烃类，其析出量与加热速率密切相关。挥发分析出后，剩余物为固定碳和灰分，结构松散状，气流的扰动就可使其解体悬浮起来，迅速进入炉膛的上方孔间，形成飞灰颗粒。通常秸秆燃烧产生的飞灰量高达5%，远远高于木质燃料产生的飞灰量，木材燃烧产生的飞灰量约为0. 5%。较多飞灰颗粒也增加了对受热面的撞击次数，加剧了锅炉受热面管子的磨损腐蚀。表2.5是部分生物质原料的工业分析数据。
表2-5部分生物质原料的工业分析

    从表2.5所列的部分生物质原料的工业分析数据可以看出，生
物质原料的挥发分远高于固定碳的含量，一般为76%～86%（干基），与煤炭的工业分析数据正好相反，这样，在热利用时就表现出与煤炭不一样的特点。秸秆类生物质在燃烧时，一般在350℃，就有80%的挥发分析出。
4．发热量
    生物质原料的发热量（热值）在生物质的热利用过程中是最重要的理化特性，决定了其进行工业利用的可行性。
    生物质原料的发热量（热值）是指在一定温度下，单位质量的燃料完全燃烧后，在冷却至原来的温度时所释放的热量，单位是MJ/kg。根据燃料中的水蒸气是否释放汽化潜热，将热值分为高位热值和低位热值，二者的公式分别为
Q_GW=0.3491X_c+1.1783X_h+0.1005X_s-0.0151X_n-0.1034X_o-0.0211X_灰
式中，Q_GW为高位发热量，X_C、XH、X_S、X_N、X_o、X_灰分别为碳( C)、氢(H)、硫(S)、氮(N)、氧(O)和灰分的干基质量分数(%)。
Q_DW=Q_GW-25（9H+W）
    根据上面的公式，高位发热量和低位发热晕之差是水蒸气的汽化潜热。由于低位热值接近于生物质在大气压下完全燃烧时放出的热量，通常计算采用低位热值，生物质的热值一般为14～19 MJ/kg。
    表2.6为部分生物质原料的发热值。生物质燃料的发热量与劣质煤相当。实际上各种原料的发热量差别上要是由灰分多少引起的，除去灰分后（无水无灰），各种生物质原料的发热量不会有人大的误差。
表2-6部分生物质燃料发热值

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