国内外研究现状、发展动态

1生物质燃料阴燃的研究综述

1.1生物质燃料

生物质作为有机含碳物质，其化学组成主要为纤维素、半纤维素、木质素、提取物和少量无机矿物类成分^[3]。一般的生物质燃料指农林废弃物（如树叶、树枝、秸秆、果壳等），这些生物质资源普遍存在含水率高（如图1）^[4]、亲水性强、热值低、堆积密度低等特点，所以不易被直接作为燃料进行燃烧。

图1 生物质燃料化学元素组成

木质纤维类生物质主要指农作物秸秆、树木和草本植物、林业加工剩余物以及工农业的产品加工废料，如甘蔗渣、谷壳等，其主要成份是纤维素、半纤维素和木质素。木质纤维类生物质能源具有CO₂中性的特点，即木质纤维类生物质完全氧化或燃烧时产生的CO₂的量接近于与生物质光和作用时所吸收CO₂的量。而且生物质燃料中含硫极少，SO₂的排放量远远低于环境保护政策所规定的量，所以作为一种清洁能源，生物质燃料产生的烟气能够减少酸雨及温室效应的危害^[5]，这也使生物质能源拥有了更为积极的应用前提和更加广阔的发展空间。

目前在《中华人民共和国环境保护法（试行）》中，不允许直接燃烧生物质，因为生物质的直接燃烧会带来烟尘、有害气体的大量排放。生物质燃料主要以生物质成型燃料（BiomassMouldingFuel，简称"BMF"）的形式进行使用，是将农林废物作为原材料，经过粉碎、混合、挤压、烘干等工艺，制成各种成型（如块状、颗粒状等）的致密性燃料，可直接燃烧的一种新型清洁燃料。生物质的致密成型可以将原生物质的密度有效提高到600-1200 kg/m^3[6]。

现阶段生物质固体燃料的成型工艺主要分为以下几种:生物质燃料的致密成型工艺直接决定了生物质燃料的形状和特性，根据成型条件的不同可以将生物质成型工艺分为常温湿压成型、热压成型、炭化成型和冷压成型^[7-9]。

（1）湿压成型法多用于纤维板的生产，其原理是利用水对纤维素的润涨作用，使纤维素在水中皱裂并部分降解，使其加压成型得到了很明显的改善。在简单的装置下加压将水分挤出，形成低密度的压缩燃料块^[8,11]。

（2 ）热压成型工艺是现在应用较多的生物质压缩成型工艺之一，其工艺过程需要经过原料粉碎、干燥混合、挤压成型，最后将成性生物质固体燃料冷却包装。对于不同的原料种类、粒度、含水率和成型设备，成型的工艺的参数也在随之变化，但是因为木质素的在70~100℃时软化具有粘性，当温度达到200~300℃时呈熔融状，粘性很高^[10]，在热压过程中起到了粘结剂的作用，所以加热维持成型温度一般在150 ~300 ℃，使木质素、纤维素等软化，挤压成生物质成型块。

（3）炭化成型工艺包括两个部分，一部分是先成型后炭化工艺，另一部分是先炭化后成型工艺。炭化是在隔绝或限制空气的条件下，将木材、秸秆等在400~600℃的温度下加热，得到固体炭、气体、液体等产物的技术，以生产炭为主要目的的技术称为制炭，以气体或液体的回收利用为重点的技术称为千馏，两者合称为碳化^[13]。

（4）冷压成型工艺是将生物质颗粒在高压下挤压，利用挤压过程中颗粒与颗粒之间的摩擦产生的热量使木质素软化，具有一定的粘结性，从而达到固定成型的效果。

1.2生物质燃料热解

生物质热解的产物为气体 （生物质燃气）、液体（生物质燃油）、固体（生物质炭）。生物质燃料的热解特性，可以将其分为四个阶段:干燥、热解预热、热解与炭化4个阶段,热解过程随着升温速率升高出现热滞后现象^[14]，生物质成型燃料热解反应的活化能较低 ,容易热解 ,易着火燃烧。

生物质燃料中的不同组分发生热解温度不同，已有学者对生物质中不同组分的热解过程进行了研究。张海荣^[15]分别对木粉主要组分（纤维素、半纤维素和木质素）在N₂氛围下的热重行为进行了研究，发现木粉的热解过程是3种主要组分热解行为的综合：木质素的热解比较缓慢,热解温度区间最宽,主要失重温度为250～630℃;而纤维素和半纤维素的主要热解温度分别为332～383℃和236～333℃。

吴逸民分析了生物质主要组分低温的热解特性，发现半纤维素热解产物主要有乙酸 、1-羟基-丙酮和 1-羟基-2-丁酮, 纤维素热解产物主要包括左旋葡聚糖和脱水纤维二糖, 而木质素热解产物主要是邻甲氧基苯酚^[16]。武宏香^[15]采用热重-红外联用仪对松木及生物质主要化学组分半纤维素、纤维素、木质素载N₂氛围下的热解特性及钾元素对其热解特性的影响进行了研究。研究结果表明，半纤维热解产物中CO、CO₂较多;纤维素热解产物中LG和醛酮类化合物最多;木质素热解主要形成固体产物,气体中CH4相对含量较高。李少华^[17]采用核磁共振碳谱（nuclear magnetic resonance spectra,13C-NMR）对生物质的三种最主要组分纤维素、半纤维素及木质素的化学结构特性进行研究,结果表明纤维素中的脂碳与芳碳比明显高于半纤维素和木质素，分别为5.2∶1、1.9∶1和1∶1.2，这直接导致了三种组分热解产物的差异。

Goyal H B^[19] 研究得出生物质燃料的热解气体主要由CO, CO₂和CH₄，还有一些H₂、乙烷、丙烷、丙烯、丁烷和丁烯等小分子组成。热解液体的化学成分主要包括酸类、脂类、醇类、酮类、醛类、酚类、烯烃类、芳香化合物、氮化合物、吠喃系、愈创木酚、糖类等有机化合物，以及Ca, Si, K等无机化合物。热解固体（生物质炭）是生物质燃料中的水分、挥发分和热解油在高温下排出后所剩的不能再进行反应的固体物质。由于热解过程中含氧化合物的析出，使热解生物质炭的碳含量明显升高，热值提高。为了得到不同比例的气、固、液相产物，可以依靠改变升温速度、停留时间、加入催化剂等方法加以调节^[18]。

1.3生物质燃料的阴燃

阴燃是指缓慢低温无焰的燃烧过程，由氧化剂直接和固体反应放热维持，一般存在于松散的固体堆积物或大颗粒多孔固体内部，如纤维、棉花、烟丝、锯末、海绵、煤堆、木头等。生物质燃料的阴燃可分为自然阴燃和强迫阴燃，自然阴燃的研究主要集中在影响生物质燃料阴燃过程的因素、生物质燃料阴燃特性分析、生物质燃料阴燃在供热方面的应用以及阴燃过程产物生成规律。

Ortiz^[21]等在燃烧室测试谷物秸秆在阴燃条件下PM_2.5排放因子介于 56~104 mg#183;g^-1之间，显著高于明火条件下的排放因子（3~18mg#183;g^-1）。Ferek^[22]等认为，阴燃条件下，分子量较大的有机物在较低温度下会冷凝于颗粒物上，进而造成其排放量增大，其中碳氢化合物和卤代烃以及CO的排放因子变化与阴燃密切相关。

陈惠雨^[23]对比了10种绿叶在阴、明燃两种燃烧条件下烟尘中有机碳（OC）、元素碳（EC）8 种碳组分（OC1～OC4、POC、EC1～EC3）的质量分数及分布质量分数，结果表明，10 种绿叶阴燃烟尘中的有机碳（OC）、元素碳（EC）质量分数均值分别为48. 9%和4.5%，焦炭char-EC（定义为EC1-POC）的质量分数均值为4. 4%，烟尘（PM）、OC及EC的排放因子均值分别为102. 4、50. 0和4. 7 g#183;kg^-1。树叶烟尘中OC、EC的组成在不同树种及燃烧条件间明显区别于其他生物质烟尘。朱恒^[24]研究了生物质燃料（小麦、水稻、马尾松叶、马尾松枝、杂草、玉米、棉花）在明火和阴燃两种不同条件下燃烧排放PM _2.5中无机离子及有机组分的分布，发现生物质在阴燃条件下PM_2.5的排放因子范围为3.24～22.56 mg#183;g^-1，高于明燃条件下的PM _2.5的排放因子，且PM _2.5中有机组分的浓度表现为阴燃高于明火。水溶性离子整体表现为明火条件下的浓度显著高于阴燃条件下的浓度，其中PM _2.5中水溶性离子以 Cl^-占比最高，各离子浓度之间的差异都以棉花秸秆为最大，可能与其具有较高的木质素含量及多孔结构有关。

各学者对于生物质阴燃研究结果的差异性表明了生物质燃烧排放测量的复杂性和地域性，生物质燃烧烟尘排放物的测定存在不确定性，应开展本地生物质燃烧的实测研究，并量化生物质工业分析、元素组成与烟尘排放之间的关联性。

2山火诱发高压输电线路跳闸的因素研究综述

高压输电线路是国家电网公司为实现远距离供电，对电能进行合理分配而建设的设备,高压输电线路穿越的距离长、地域广，承载的电能容量大，一旦发生故障，会产生巨大的经济损失。随着我国输电线路的大规模建设，线路走廊越来越紧张，特高压输电线路、 紧凑型、同塔多回输电线路以及多条输电线路密集通过重要输电通道的现象越来 越普遍^[25]，但是这些输电线路大部分经过山区和林区，森林火灾发生频率较高^[26]， 潜在的山火给这些线路通道的安全和可靠性构成严重威胁，具体表现在^[27]：1） 因山区地势原因，高电压等级输电线路多采用同塔双回或多回架设，一旦发生较大山火，浓烈烟火可能导致多回线路同时跳闸，导致电力通道全部中断；2）因山火浓烟形成线路跳闸通常重合不成功，且需要待山火减弱浓烟散去后才能保证试送电成功，导致线路停运时间较长；3）山火引发的相间故障和连续故障（重合闸充电期间再故障）较多，且山火引发的线路故障总的重合闸成功率低于其他原因^[27]。所以，日益庞大和复杂的超、特高压电网的安全稳定运行对线路通道环境的管理和山火防治技术提出了更高的要求。

在森林火灾引起的输电线路跳闸方面，已有学者对山火引起的输电线路事故进行了统计分析。南方电网2010年第一季度因山火引发的220kV及以上电压等级输电线路相间故障占到了全部相间故障的 80.4%，说明山火容易造成同一线路走廊的多条线路相继跳闸和同一条线路在较短时间内连续多次跳闸，对断路器等一次设备的安全威胁很大^[29]。尤飞等^[29]通过对中国南方电网辖区内 2006-2010 年引发输电线路跳闸的火灾事故进行统计，分析了山火发生次数和跳闸率、山火发生地理位置、山火过火区域地形地貌、山火事故简况、跳闸事故简况，结果发现，容易引发跳闸的山火类型依次为中高速中高强度的地表火、树冠火、冲冠火和地表火转化的树冠火，蔓延方向基本为上山火，易形成高火焰、高热量、高温度、高浓度（烟尘粒子和带电质点）的便于线路跳闸的环境条件；涉及的生物质燃料种类主要为杂树、杂草、松树、杉树和桉树；发生跳闸时输电线路主要放电位置为子导线，放电方式依次为对树、相间和对地，在中高强度火灾条件下放电距离突破了输电线路正常运行所需安全间隙，产生流注而发生跳闸。黎鹏研究了植被类型、燃烧强度、风速和坡度等因素对间隙击穿特性的影响机制，发现不同类型植被火焰下，间隙的击穿特性差异较大，杉树枝叶和杉树干火焰下，间隙的工频击穿电压分别约下降为纯空气间隙的 10%和 20%；当火焰桥接全部间隙时，植被燃烧强度对间隙击穿特性的影响较小。Robledo-Martinez^[30]用 68 kV 三相 AC 线路测试了空气在不同类型可燃物（园艺垃圾、甘蔗渣、甘蔗叶、木材及相关物、丁烷气）燃烧时线路对地面的放电特性，发现火焰使线路击穿电压降低约 50%，温度/电离是造成击穿的主要因素，同时固体颗粒（灰烬）也可以发挥重要作用，但只能在小的导体间距内使击穿电压进一步降低；此外有火时空气间隙击穿电压强烈依赖于导线高度。

Luthando Peterd 等^[31]研究显示架空输电线路的跳闸率与线路长度、设计参数、地理位置和环境条件等有关；相对于常温，高温下的输电线路跳闸电压要大幅下降，这是由于空气相对密度下降以及空气间隙中生成大量可燃颗粒（浮尘），后者会使击穿电压下降幅度最大。Kgakgamatso Mphale 等^[32]认为野火由弱电离气体组成，而电离由燃烧中植被热分解产生的无机灰分（特别是钾元素）进入火焰中造成，由此，利用局部热平衡模型研究山火火焰中无机成分含量对火羽流电导性的影响，结果发现钾元素含量为 3.0%和 0.5%的树木产生火强度为 90MWm^-1的树冠火时产生的最大电导率分别为0.053mhom ^-1 和 0.022mhom^-1 。

国内外学者的研究表明火灾时输电线路下空气间隙绝缘强度会明显下降，造成空气击穿，进而引起高压输电线路线路跳闸，其山火因素中主要与火场温度、火焰热强度、火焰中固体粒子浓度和热烟气湍流度有关。