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我国农业生产每年都有近6亿t的水稻秸秆产生，而大量秸秆被原地焚烧，严重污染着环境并造成能源的浪费[1].近年来在我国能源紧缺的情况下，利用燃池阴燃技术解决温室供暖用能问题是秸秆资源化利用的一个重要方向.主要原理是以燃池内的生物质燃烧释放出热能，加热与之相连的池壁、顶板以及燃池内的空气，通过顶板辐射到温室内[2-3].生物质内部燃烧决定着燃池供热的时间、温度等，是应用技术设计的关键.其中生物质燃料的含水率随着原料种类、气候和环境等因素会显著地影响热值、物料内部热量和质量传递，进而影响燃烧持续时间和物料内部温度等[4].目前，何芳等[4-5]对不同含水率的玉米秸秆粉阴燃进行了规律的探讨，发现阴燃过程近似为一维传播；马增益等[6]对木屑不同含水率进行探究，得出含水率的增大会降低阴燃传播速度.而对燃池供热来说，物料含水率的大小是保证供热是否能够达到实际供热量的前提之一.现关于水稻秸秆含水率对燃池供热影响的研究资料很少，为推动水稻秸秆燃池的应用，本文将研究不同含水率水稻秸秆对燃池供热时阴燃内部燃烧特性的影响，为水稻秸秆燃池设计提供参考以及建立水稻秸秆阴燃燃烧特性分析提供参考依据.
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由于阴燃传播的方式比较复杂[7]，为探究水稻秸秆含水率对燃池供热的影响，因此自主将供暖温室燃池缩尺设计成自然向下的阴燃实验台，实验台的尺寸为长方形600×560×300 mm模型[8]，主要包括阴燃部分和数据收集部分.阴燃部分采用2 mm厚的钢板做主体，实验的水稻秸秆装入到模型中，外围由厚为300 mm的高密度硅酸铝纤维保温棉围成；在装置的一侧留置9个Φ5 mm的小孔，用于安放不同长度直径为1 mm的WRNK-191K型铠装热电偶进行温度的检测，热电偶等距离分布于实验台的上、中、下3层，每层布置3根不同径长的热电偶，每层采用3个热电偶的平均温度作为衡量标准，其热电偶分布见图 1.装置右侧设置9个进气口，通过控制进气口的数量以致控制相同供氧量达到阴燃反应的顺利进行.在装置下方放置TCS-60 Kg型电子秤进行水稻秸秆在燃烧时质量的变化，精度为5 g.在阴燃过程中，温度变化均采用通过LX08H型的USB—RS485数据转换器、DAM系列的PT100温度采集模块以及配套的组态软件等进行采集和记录，设定采样频率为120 s记录一次数据，以便于更好地分析燃池阴燃时的内部温度变化.
实验燃料选用重庆市北碚区实验田所产的稻草秸秆.其中水稻秸秆的特性、元素分析和工业分析结果见表 1.选取5个不同湿基含水率(自然状态下，15%，20%，25%，30%)稻草秸秆进行实验，分析水稻秸秆含水率对阴燃过程内部温度变化的规律.根据缩尺模型的大小将其质量控制在物料干质量为2.25±0.05 kg，并在进行实验中，通过控制堆积高度以及堆积方式一致的方式达到自然堆积密度近似一致.其中，在制备含水率高于自然存储状态下的稻草秸秆含水率的物料时，需要在物料中喷淋水，搅拌，放置3 d，待物料含水率均匀即可[7].该实验采用逆向阴燃[5].每个含水率重复2次实验，每次实验持续10~20 h，观察实验现象，并记录不同时刻温度、原料质量等情况.
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图 2为不同含水率稻草秸秆阴燃内部不同床层的温度(每层温度为该层径长10，20，30 mm热电偶所测温度的平均温度)从上至下(距池顶深度0.12~0.24 m)的变化曲线.从图中可发现，不同含水率水稻秸秆阴燃初期各个深度温度几乎同时升温，没有呈现自上而下逐渐增大的趋势，呈现的是整体传播的过程.在阴燃约4~15 h时间段内燃烧稳定，最下层与中间层热电偶温度相当，上层热电偶温度低些.含水率低的水稻秸秆最先达到最高温，这主要由于含水率低的需要的干燥时间短.随着含水率的增大，不同床层达到最高温度的时间也逐渐增大，最高温度能达到300~600 ℃左右，但阴燃时床层最高温度差距较明显，最小温度与最高温度相差100 ℃，导致这种现象出现的原因可能跟阴燃时的堆积密度、堆积方式以及外界其他因素有关，还需进一步证实.
图 3是含水率为15.3%和24.6%的稻草秸秆阴燃时中相同高度、不同径向位置的温度(图中温度为径长相等热电偶的平均温度)变化曲线.从图 3可知，不同含水率水稻秸秆不同径向的温度与不同深度温度变化曲线近似，不同含水率的水稻秸秆不同径向温度相差不大，但随着含水率的增大，不同径向维持高温的时间逐渐增大，其中径长200 mm热电偶的温度维持时间最长，但随着含水率的增大有下降的趋势.这可能跟实际中采用在实验台中间点火有关.
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在水稻秸秆的阴燃过程中，需要干燥、热解、炭氧化3个阶段[9]. 图 4表示不同的含水率水稻秸秆阴燃整体到达各阶段温度的平均时间.其中干燥时间是指不同床层热电偶达到100 ℃以上所用的平均时间；炭氧化时间是指不同床层热电偶到达最高温的平均时间[9]；维持300 ℃以上高温的时间是指不同含水率水稻秸秆阴燃过程中整体维持在300 ℃以上高温的平均时间.
图 5中的a，b速度曲线表示燃池模型内部各个热电偶分别到达干燥反应、炭氧化反应的蔓延速率，由热电偶距离燃料顶层距离除以各热电偶到达相应温度所用的时间计算得到.
从图 4，图 5a中可发现，随着含水率的增大，阴燃反应整体干燥的时间逐渐增大，不同湿基含水率的水稻秸秆干燥前锋蔓延速率呈逐渐减小趋势，可能是含水率越大，水分过大导致阴燃传播困难以及需要吸收大量的热量等；但同一含水率不同位置的干燥蔓延速率呈逐渐增大的趋势，这主要是随着反应的进行，温度增大，水分蒸发越快，秸秆到达干燥的时间越短.类似的，从图 4，图 5b中可知，秸秆炭氧化时间随着含水率的增大而增大，不同含水率对水稻秸秆炭氧化前锋蔓延速率影响不显著，说明稻杆炭氧化速率受含水率的影响不明显.但同一湿基含水率的稻杆不同位置的炭氧化速率呈现增大的趋势，主要是由于阴燃反应的进行，稻杆燃烧，质量减少，收缩较大，使得物料与氧气接触面增大，因此氧化速度逐渐的增大.
另外，从图 4可知：含水率的增大，维持300 ℃以上高温的时间逐渐增大，但含水率为24.6%以后呈现下降的趋势，说明阴燃时高温时间受含水率的影响较大.可能是前期干燥反应消耗大量的稻杆，在后期高温阶段由于物料少而导致温度下降速度增大，以至维持高温的时间大小不明显.
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图 6是不同含水率水稻秸秆阴燃时总质量的变化曲线，质量分数为剩余物料量与初始总质量之比.从图中可发现，稻杆质量在阴燃的初始阶段斜率最大，之后比较平缓，说明稻杆质量在前期迅速减少，之后基本保持不变，这是由于前期燃烧的是稻杆中的有机成分，而稻杆中SiO2等无机成分不能燃烧，剩余质量分数会趋近于无机成分的含量[10].水稻秸秆在阴燃前期温度上升快，因此物料的燃烧以及水分的蒸发速率加快，但含水率的大小对物料质量的变化影响较小.
2.1. 稻杆阴燃时温度变化特性
2.2. 含水率对干燥和炭氧化反应的影响
2.3. 含水率对稻杆失质量过程的影响
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本文研究了10%~30%范围内含水率对水稻秸秆阴燃供暖燃池的影响，结果如下：
1) 在阴燃过程中，安装在不同床层的热电偶同时升温，没有自上而下逐渐增大，秸秆质量在0~6 h内失质量速率较大，后期呈缓慢下降趋势，其原因是稻杆水分的蒸发，同时是上下层稻杆同时阴燃，呈现整体传播过程，这时燃池内部传热速度大于阴燃前锋的传播速度，区别于其他生物质粉阴燃时温度呈现自上而下变化的一维传播过程[11].
2) 含水率对水稻秸秆阴燃干燥前锋蔓延速率以及整体维持300 ℃高温以上的平均时间有明显的影响：含水率为31.4%的平均干燥时间比10%下长4h左右，干燥蔓延速率逐渐减小；随着含水率的增大秸秆维持高温的时间呈先增大后减小趋势，其中，含水率为19.4%维持高温的时间最长，约为7h.
3) 含水率对炭氧化前沿移动速率以及失质量特性影响不明显.
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对于利用导热形式进行供热的燃池来讲，水稻秸秆阴燃释放的热量能够迅速地传递到燃池的池壁以及池顶并有足够的能量进行加热，达到供暖的要求.可在实际工程中调节供氧量、堆积密度等因素进行阴燃反应的进行，进而控制燃池供暖时间.同时可通过自动喷淋控制含水率的大小进而控制阴燃反应的速率，达到现代农业温室内环境自动化控制的选择.