谭瑞虹，郭康权，2，胡国田，熊秀芳，杨立魁，薛金儒

(1 西北农林科技大学 a机械与电子工程学院，b水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100；2 陕西省农业装备工程技术研究中心，陕西 杨凌 712100)

生物质能是补充替代石化能源的可再生能源[1]。我国农业生物质产量十分丰富且分布较广，2012年全国农作物秸秆资源总量达84 860万t[2]，其中水稻、小麦、玉米秸秆产量最多，而棉花、油菜[3]秸秆则较为集中。虽然农作物秸秆的利用率在逐年提高，但利用方法还不尽合理，燃烧和废弃所占比重偏多，用作饲料、工业加工原料、可再生能源开发利用的比重偏少[4]，原因之一是对秸秆的各种特性，包括热特性掌握还不够系统和全面。

秸秆热特性主要用于分析和模拟秸秆及其材料在传热过程中的热量传递及分布，其热传导率、比热容、热扩散率等技术参数既是生物质热能利用的重要基础性指标[5]，又是秸秆气化、热解、直接燃烧等能源化利用的重要技术参数[6-8]，也是秸秆粉碎热压成型、饲料加工等资源化利用的重要基础参数[9-10]。国外对农业生物质的热特性已进行了深入研究，拥有较完善的农业生物质基础特性数据共享平台[11-13]。国内对秸秆资源的研发利用在近年来才逐渐成为热点，虽然已对农业生物质基础特性参数的化学组成、物理特性、机械特性等进行了[14-16]较为系统的研究，但热特性的研究仍不够全面，特别是对秸秆种类和地域等因素的影响研究尚存在明显不足，关于西北6省(区)农作物秸秆热特性的分析尚属空白。

大多数生物质秸秆需要粉碎预处理成颗粒材料后再转化利用，不同种类粉碎秸秆的堆积密度、粒度分布等物理特性差异较大[17]，加之颗粒材料的复杂多样性，其热特性主要通过实测获取。KD2 Pro热物性分析仪依据瞬态热线法原理，能简便、快捷地同时测定多个热特性参数，现已广泛应用于颗粒材料热特性参数的测定。本研究采用该方法测试了西北6省(区)5种秸秆的热传导率、热扩散率和比热容等热特性值，采用Tukey HSD法比较了不同种类、不同省份秸秆热特性的差异,采用ARCGIS 10.1软件分析了西北6省(区)农作物秸秆热传导率的区域分布特点和规律，以期为完善我国农业生物质基础数据共享平台[18]及开发新型转化技术提供相关依据和基础数据。

1 材料与方法

1.1 样品采集与制备

依据农作物秸秆资源调查标准NY/T 1701-2009，针对我国农业生产条件、农作物播种面积、主要农作物种植结构和分布情况，选取适宜当地生长气候并具有代表性的秸秆品种，采集了陕西、甘肃、宁夏、青海、西藏、新疆等西北6省(区)97个县(市、区)的小麦、玉米、水稻、油菜、棉花等5种成熟作物秸秆样品共计252个，样品采集数量及地域分布分别见表1和图1。将秸秆样品分别晾晒至充分干燥，经切碎、粉碎、过筛、烘干称恒质量后，分别封装于自封袋中并编号置室内常温保存。试样粒径均小于1 mm。

1.2 设备与仪器

试验仪器主要有9Z-4.5A型秸秆切碎机(河南豫之译机械设备有限公司)、FLB-100型万能高速粉碎机(上海菲力博食品机械有限公司)、标准样品分级筛(方孔，筛孔尺寸为1.0 mm)、ZXF030电热真空干燥箱(上海仪器厂有限公司 )、KD2 Pro热特性分析仪(传感器SH-1型，美国Decagon公司)、PTT-A1000电子天平(精度0.01 g，福州华志科学仪器有限公司)、台式扫描电子显微镜(TM3030，日立)及测量容器等。

表1 西北6省(区)小麦、玉米、水稻、油菜、棉花等5种农作物秸秆样品的分布Table 1 Distribution of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw samples from 6 provinces (regions) in Northwest,China

图1 西北6省(区)农作物秸秆样品采集点的分布Fig.1 Distribution of straw samples from 6 provinces (regions) in Northwest,China

1.3 测试方法

KD2 Pro热特性分析仪测试装置如图2所示。

图2 KD2 Pro热特性分析仪测试装置示意图Fig.2 Schematic diagram of testing device of KD2 Pro thermal characteristic analyzer

其SH-1传感器为双针型，探针长30 mm，直径2.4 mm。其中1个探针在测试时释放瞬时热脉冲，另1个探针作为温度传感器测量温度，通过监测样品中给定某一电压的线性探针的热耗散和温度，采用非线性最小二乘法对测量结果进行指数积分函数拟合，计算样品的热传导率、热扩散率和比热容。

试验样品用药匙均匀撒入并装至与容器口齐平，将SH-1型传感器探针插入容器中心位置并保持竖直，容器内壁和探针在各个方向上至少相距15 mm，每15 min测试1个秸秆样品，测试环境温度为(17±1) ℃。

1.4 秸秆微观颗粒特征的电镜观察

选取小麦、玉米、水稻、油菜、棉花等5种秸秆样品，用台式电镜(TM3030，日立)放大50倍，观察并记录秸秆颗粒的微观形貌特征。

2 结果与分析

2.1 不同种类秸秆的热特性

热传导率、热扩散率、比热容分别反映物质传导热量、使温度趋于均匀一致、吸热或散热的能力，变异系数反映平均值的离散程度。西北6省(区)各种类秸秆样品热特性测试数据的统计分析结果如表2所示。

表2 小麦、玉米、水稻、油菜、棉花等5种农作物秸秆样品热特性的统计与分析Table 2 Statistics of thermal characteristics of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw samples

注：同列数据后不同字母表示不同种类同省份秸秆间差异显著(P<0.05)；CV<5%为弱变异，5%≤CV≤10%为中等变异，CV>10%为强变异[19]，下同。

Note:Different letters indicate significant difference (P<0.05) among types in same provinces.Coefficient of variation (CV)<5% indicates weak variation,5%≤CV≤10% indicates moderate variation,andCV>10% indicates strong variation[20].

由表2可以看出，陕西、甘肃和新疆3个省(区)棉花秸秆的热传导率平均值分别为0.132,0.129和0.129 W/(m·K)，比热容平均值分别为0.677，0.706和0.710 MJ/(m3·K)，热扩散率平均值分别为0.190，0.182和0.183 mm2/s，棉花秸秆的热传导率、比热容平均值均较其他4种秸秆高，而热扩散率平均值均低于其他4种秸秆，且棉花秸秆的热传导率、比热容和热扩散率与其他4种秸秆热传导率、比热容、热扩散率差异显著。另外，宁夏、青海小麦、玉米、水稻和油菜类秸秆热特性之间均无显著差异，西藏油菜、小麦和玉米秸秆的热传导率无显著差异，而比热容和热扩散率差异显著。

同地域不同种类秸秆的热特性之间存在显著性差异，可能是由不同种类秸秆的化学组成和构造不同所致。小麦、玉米、水稻、油菜和棉花秸秆主要由纤维素、半纤维素、木质素组成。西北地区小麦、水稻和玉米秸秆以纤维素>半纤维素>木质素，油菜和棉花秸秆则以纤维素>木质素>半纤维素[20]；与其他4种秸秆相比，棉花秸秆的木质素含量最高[21]。本研究对小麦、玉米、水稻、油菜、棉花5种秸秆颗粒微观结构的观察结果如图3所示。图3显示，小麦、水稻秸秆均为空心茎，粉碎后的颗粒形状均为长条形薄皮，粒径大小分布不均；玉米、油菜秸秆由外皮和结构疏松的髓组成，外皮的体积比小于髓，粉碎后的颗粒由长条形的薄皮和大小不一的髓组成，颗粒几何形状复杂多样；棉花秸秆是由少量外皮和大量木质化程度较高的髓构成的硬茎杆，皮粉碎成为细长纤维，髓为均匀的粒状颗粒。秸秆的化学组成和构造影响秸秆粉碎的颗粒形状、粒径分布和孔隙率等物理特性，对于多孔颗粒介质，颗粒表面特征是影响颗粒集合传热的重要参数[22]，因此棉花秸秆的热物性显著不同于其他4种秸秆。

2.2 不同地域秸秆的热特性

不同省份同种类农作物秸秆的热特性统计分析结果见表3。由表3可知，在研究区域内，陕西小麦秸秆分别与甘肃、青海、新疆和西藏小麦秸秆的热传导率差异显著，并与其他5省(区)小麦秸秆的比热容差异显著；西藏玉米秸秆分别与陕西、甘肃两省份玉米秸秆的热扩散率差异显著；陕西油菜秸秆与西藏油菜秸秆的比热容有显著性差异；各省(区)水稻、棉花秸秆的热特性无显著差异。陕西、甘肃和新疆3省棉花秸秆热传导率的变异系数均为弱变异，说明其受地理位置和气候等因素影响较小。同种类不同省份的农作物秸秆相比，因品种、生态环境和气候条件等因素对秸秆的化学组成和结构产生了一定的影响[23-24]，导致其热特性出现了差异。

表3 西北地区小麦、玉米、水稻、油菜、棉花等5种农作物秸秆热特性的统计与分析Table 3 Statistics of thermal characteristics of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw samples in Northwest,China

注：同列数据后不同字母表示不同省份同类秸秆间差异显著(P<0.05)。

Note:Different letters indicate significant difference (P<0.05) among provinces for same straw.

2.3 西北地区农业生物质秸秆热传导率的空间分布

由表2可知，西北6省(区)棉花秸秆的热特性与其他4种秸秆热特性差异显著，且部分省份小麦、玉米、水稻、油菜4种秸秆的热扩散率、比热容之间也有显著差异，而热传导率在所研究区域间无显著差异。因此，本研究采用ArcGI S10.1软件的空间插值法，根据232个小麦、玉米、水稻和油菜秸秆样品的地理分布信息及其热特性测试结果，获取样本目标地点之外地区的热特性空间区域分布信息，从宏观上研究西北地区农作物秸秆热传导率的区域分布特征。

由空间插值可得西北地区小麦、玉米、水稻和油菜秸秆4种农作物秸秆热传导率的区域分布如图4所示。由图4可以看出，在陕西省，农作物秸秆的热传导率以中南部为中心向全省周边呈规律性渐变，热传导率逐渐增加，西安市秸秆热传导率值最低，为0.083 W/(m·K)，榆林地区秸秆的热传导率值最高，为0.113 W/(m·K)。甘肃农作物秸秆热传导率在庆阳、平凉交界的东部出现最小值，为0.101 W/(m·K)，在酒泉和省内东南部的部分区域有最大值，为0.116 W/(m·K)，从整体上看，甘肃省秸秆热特性变化无明显规律性。在宁夏，秸秆热传导率的空间分布具有明显规律性，从南部到北部农作物秸秆热传导率逐渐减小，热传导率为0.107～0.119 W/(m·K)。青海的8个行政区中，大部分地区为牧区[25]，在农作物种植区西宁和海东，秸秆的热传导率为0.107～0.119 W/(m·K)。新疆农作物秸秆的热传导率为0.104～0.119 W/(m·K)，其中新疆西北部农作物秸秆热传导率的空间分布呈现出一定的规律性，即从伊宁、哈密两地区向塔城方向逐渐减小。西藏主要农作物小麦、油菜多分布在藏南，其品种品质等性状变化较小[26]，导致秸秆热传导率空间分布较为稳定，热特性变化较小。

图4 西北地区小麦、玉米、水稻和油菜秸秆热传导率的区域分布Fig.4 Regional distribution of thermal conductivity of wheat,corn,rice,rapeseed and cotton straw in Northwest,China

综上可知，西北6省(区)秸秆热特性空间分布的总体特征表现为：热传导率从西北的新疆到东南部的陕西呈逐渐减小趋势，其值为0.083～0.122 W/(m·K)。

3 结 论

1)西北6省(区)小麦、玉米、水稻、油菜和棉花5种秸秆热特性指标的平均值分别为：热传导率0.103～0.132 W/(m·K)，热扩散率0.182～0.232 mm2/s，比热容0.473～0.710 MJ/(m3·K)。对同一研究区域而言，陕西、甘肃和新疆棉花秸秆的热特性与其他4种秸秆的热特性有显著差异；宁夏、青海的小麦、玉米和油菜秸秆的热特性之间均无显著差异；西藏油菜、小麦和玉米秸秆热传导率无显著差异，但比热容和热扩散率差异显著。对同一种类秸秆而言，小麦、玉米、油菜秸秆的热特性在部分省份差异显著，而水稻、棉花秸秆热特性在所研究区域内均无显著差异。

2)不同种类农作物秸秆的化学组成和结构不同，导致棉花与小麦、玉米、水稻、油菜4种秸秆热特性值有明显差异；对不同地域同种类农作物秸秆而言，如小麦、玉米、油菜秸秆，因秸秆品种、种植环境、气候条件等不同，其热特性存在明显差异。

3)各省(区)秸秆热特性的空间分布特点为：陕西省农作物秸秆的热传导率以中南部为中心向全省周边逐渐增大；甘肃省农作物秸秆的热传导率无明显规律性；宁夏农作物秸秆的热传导率从区内南部至北部逐渐减小；青海东部秸秆热传导率空间分布变化不大；新疆西北部秸秆热传导率的空间分布呈现明显规律性；西藏秸秆热传导率空间分布稳定，变化较小。总的来看，西北6省(区)农作物秸秆热特性的空间分布从西北至东南部呈逐渐减小趋势。

4)在新疆、青海和西藏地区，因采样条件、采样时间、种植制度等因素的限制，本研究未能获取足够的成熟秸秆样品，致使新疆、青海和西藏的采样点较少，且采样数量上略显不足，对该地区的热传导率空间结构特征研究带来一定的影响，但仍能从局部反映出新疆西北部、青海东部和西藏南部农业生物质的热特性特点。