吉林省玉米秸秆资源用作生物质颗粒燃料原料的可行性研究

刘冰 孟黎鹏 李继平 崔铁花 付晓霞

(吉林省林业科学研究院，吉林 长春 130033)

吉林省是我国重要的商品粮生产基地[1]，耕地土质肥沃，集中连片，素有“黄金玉米带”的美称。由于吉林省玉米种植面积较大，所以其副产物——秸秆产量也较大。

秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称，玉米秸秆通常指玉米在收获后的剩余部分。秸秆光合作用产生的氮、磷、钾、钙、镁和有机质利用价值丰富，如果把秸秆资源有效转化利用，秸秆将成为宝贵的可再生的生物资源[2]。但是一直以来大量的秸秆资源或是被直接就地焚烧，或是直接被废弃在田中，造成了巨大的资源浪费和环境污染[3]。由此可见玉米秸秆作为生物质能源长期以来并未得到足够的重视和很好的利用[4]。实际上，欧美一些发达国家很早就将生物质作为能源进行综合利用[5]。20世纪70年代，美国、加拿大等多个国家尝试生产并应用颗粒燃料[6]。经过20年的发展，现在技术已极为成熟，在瑞典、丹麦及奥地利等欧洲国家，也进行了生物质能的开发和应用[7]。

本文对采集自吉林省东部、中部和西部的玉米秸秆进行分析，通过测定其热值和灰分，分析吉林省不同区域玉米秸秆资源的燃烧性能，并通过与木材燃烧性能的比较，进而探讨其用作生产生物质颗粒燃料的原料的可行性。从而促进吉林省玉米秸秆资源化工程建设，改善农村生态环境、提高农民生活质量，实现农业可持续发展[8]。

1 吉林省玉米秸秆资源情况

2020年吉林省玉米年产量为2 973.44×104t[9]。根据已有的研究结果[3,10]，确定的吉林省玉米的草谷比为1.32，收集系数为0.91，计算得出吉林省玉米秸秆可收集资源量(见表1)。吉林省玉米秸秆资源量为3 571.70×104t。空间分布上，长春市、松原市和四平市玉米秸秆资源量分别位于吉林省前三位，长春市秸秆资源量最高，达到1 188.24×104t，占吉林省玉米秸秆资源总量的33.27%；其次为松原市和四平市，分别占玉米秸秆资源总量的19.03%和13.38%。可以看出吉林省玉米秸秆资源主要集中在中部地区和偏西部地区的粮食主产区。

表1 2020年吉林省各地区玉米秸秆可收集资源量

2 试验原料及主要设备

2.1 试验原料

本次试验的原料为玉米秸秆和木粉，玉米秸秆分别采集自吉林省的东部、中部和西部。包括：东部的延边州；中部长春市(九台、农安、德惠)、四平市；西部的大安市、扶余市。共计20余个村(屯)。木粉为杨木、刺槐枝条和杂木分别粉碎而成。

2.2 试验主要设备

(1)马弗炉：SX2-8-10T，济南精锐分析仪器有限公司；(2)电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9070A，上海精宏实验设备有限公司；(3)电子分析天平：FA1004B，上海精天电子仪器设备有限公司；(4)微机自动量热仪：ZDHW-6000，鹤壁市银华仪器仪表有限公司；(5)秸秆纤维制备机：定制，哈尔滨东大林业技术装备有限公司；(6)粉碎机：2500C，永康市红太阳机电有限公司。

3 试验方法与结果

3.1 试验方法

(1)采集样品，仅以品种区别，不分离根茎叶杆，实现秸秆的全株利用。(2)带回实验室后，进行清洗，清除掉表面的泥土等杂质。(3)烘箱干燥，干燥到一定程度，进行粉碎，粉碎目数30目。(4)烘绝干，为了直观对比各类秸秆资源的热值和灰分，以绝干状态下的秸秆资源为基准进行检测。(5)封袋保存，进行热值和灰分的检测，检测方法参照相应的国家标准。(6)木粉的制作是将枝条清洗后，烘干、粉碎、绝干处理、封袋保存，再进行热值和灰分的检测。

3.2 试验结果

吉林省东部、中部、西部的玉米秸秆热值和灰分检测结果详见表2、表3、表4。木粉的热值和灰分检测结果见表5。

表2 吉林省东部玉米秸秆热值和灰分检测结果

表3 吉林省中部玉米秸秆热值和灰分检测结果

表4 吉林省西部玉米秸秆热值和灰分检测结果

表5 木材热值和灰分检测结果

4 结果与分析

通过玉米秸秆和木粉的热值测定结果(见图1)，可以看出吉林省东、中、西部玉米秸秆的热值相差不大，其中东部玉米秸秆的热值最低，中部玉米秸秆的热值最高。即使是最低的东部地区，其玉米秸秆的热值也超过了4 200cal/g，相当于木粉热值(4 680cal/g)的90%以上，折算成标准煤，1t玉米秸秆的发热量相当于0.6t标准煤。

图1 吉林省东、中、西部玉米秸秆与木材热值比较

通过玉米秸秆和木粉的灰分测定结果(见图2)，可以看出吉林省东、中、西部玉米秸秆的灰分相差不大，其中东部玉米秸秆的灰分最高，明显高于木粉，中、西部玉米秸秆的灰分相对较低，甚至比木粉略低。

图2 吉林省东、中、西部玉米秸秆与木材灰分比较

通过比较玉米秸秆和木粉的热值和灰分这两项燃烧性能指标，可以看出，玉米秸秆作为农业生产剩余物，完全可以加以利用，替代木材用于生物质颗粒燃料的生产。

5 结论

通过测定采样自吉林省东、中、西部玉米秸秆的热值和灰分，并与木材的热值和灰分进行对比，结果显示：玉米秸秆的热值达到4 200cal/g以上，相当于木材热值(4 680cal/g)的90%以上。玉米秸秆的灰分与木材十分接近，其中东部地区玉米秸秆灰分比木材略高，中、西部地区玉米秸秆灰分比木材略低，综合看基本持平。由此可见，从燃烧性能上，玉米秸秆替代木材用于生物质颗粒燃料的生产是可行的。

总体来说，吉林省东部、中部、西部各个区域内的玉米秸秆的热值和灰分差异不大，用于生物质颗粒燃料加工来说，基本可以认为没有太大差异。但从玉米秸秆资源分布和可用量来考虑，应以长春市、松原市、四平市和吉林市为重点。这4个地区玉米秸秆总收集量约占全省的77%，交通相对方便，村屯相对密集，秸秆收储运体系更容易建立。由此可见，在资源供给上，玉米秸秆替代木材用于生物质颗粒燃料的生产亦是可行的。