原料含水率對(duì)生物質(zhì)固體燃料成型效果的影響

張 靜，郭玉明，贠慧星

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷 030801）

生物質(zhì)能源是僅次于石油、煤炭和天然氣的世界第4大能源，具有可再生和環(huán)境友好的雙重屬性，其發(fā)展對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。農(nóng)業(yè)和林業(yè)是發(fā)展生物質(zhì)能源的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，為生物質(zhì)能源發(fā)展提供物質(zhì)保障，而生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)、利用，則為農(nóng)林業(yè)提供新的發(fā)展空間和發(fā)展模式，是兼顧能源建設(shè)和生態(tài)建設(shè)的最佳結(jié)合點(diǎn)[2]。目前，關(guān)于生物質(zhì)能的利用途徑主要有直接燃燒、壓縮成型、炭化技術(shù)、氣化技術(shù)、熱裂解液化技術(shù)等。生物質(zhì)致密成型技術(shù)是近年來(lái)興起的一種新型生物質(zhì)能利用方法，正逐漸引起人們的重視。

生物質(zhì)致密成型技術(shù)是將各種生物質(zhì)資源，包括木材的鋸末、刨花、木粉和農(nóng)作物的秸稈、稻殼等農(nóng)林廢棄物，通過(guò)機(jī)械加壓、加熱，將原來(lái)松散的原料壓縮成具有一定形狀和強(qiáng)度、密度較大的成型燃料的技術(shù)[3]。由于生物質(zhì)原料的高含水率、不規(guī)則的形狀和尺寸、低容積密度，使其很難加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和利用。將這些生物質(zhì)原料加工成粒狀、塊狀或立方體后，其密度得到大幅度提高，減少了運(yùn)輸、儲(chǔ)藏的成本。因?yàn)橛辛私y(tǒng)一的形狀和尺寸，這些固體燃料的貯藏就可以很容易使用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)施來(lái)進(jìn)行處理[4]。

各種生物質(zhì)原料在成型加工時(shí)，因各自物理特性不同、加工工藝參數(shù)不同、加工設(shè)備匹配動(dòng)力不同，各種設(shè)備應(yīng)有針對(duì)性地設(shè)計(jì)為宜，否則成型困難，并導(dǎo)致設(shè)備工作狀態(tài)不穩(wěn)定，燃料成型效果不佳。因此，研究其成型效果的影響因素，分析成型過(guò)程中物理特性的變化，為各種生物質(zhì)原料的成型前處理?xiàng)l件的確定提供參考是很必要的。

影響生物質(zhì)壓縮成型的因素非常復(fù)雜，早期主要研究的是壓力與密度的關(guān)系，而忽視了其他因素的影響。這些因素主要包括原料含水率、顆粒度以及成型設(shè)備的各參數(shù)等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)各因素的最優(yōu)選擇無(wú)法實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，主要是因?yàn)閴嚎s條件、壓縮方式、壓縮對(duì)象等還有較大的差異[5]。其中，原料的含水率在生物質(zhì)壓縮成型過(guò)程中是一個(gè)重要影響因素，合適的含水率可以使壓縮成型的效果達(dá)到最佳，其過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)對(duì)成型造成不利的影響。

1 含水率對(duì)生物質(zhì)壓縮成型過(guò)程的影響

水分在成型中起到了黏結(jié)劑和潤(rùn)滑劑的作用[4]。生物質(zhì)體內(nèi)的水分作為一種必不可少的自由基，流動(dòng)于生物質(zhì)顆粒間，在壓力作用下，與果膠質(zhì)或糖類(lèi)混合形成膠體，起黏結(jié)劑的作用[6]。同時(shí)，適量存在的結(jié)合水和自由水，使粒子間的內(nèi)摩擦變小，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而促進(jìn)粒子在壓力作用下滑動(dòng)而嵌合，具有潤(rùn)滑劑的作用[7]。

1.1 過(guò)低含水率的影響

當(dāng)生物質(zhì)原料的含水率過(guò)低時(shí)，粒子得不到充分延展，與四周粒子結(jié)合不夠緊密，不能成型。例如秸稈原料，若含水率過(guò)低，微量水分在高溫下汽化，這將有利于熱流的快速傳導(dǎo)與均勻分布，從而使木質(zhì)素軟化點(diǎn)降低，導(dǎo)致成型困難[6]。姜洋等[7]在研究玉米秸稈和蘆葦?shù)念w粒燃料成型加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，原料含水率保持在12%～18%之間較為適宜，最佳含水率為15%。成型顆粒燃料的密度與原料含水率成正比，在適宜的含水率范圍內(nèi)，顆粒燃料的密度達(dá)到最大，并保持相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)含水率增加到一定程度后，顆料燃料的密度開(kāi)始下降，最終導(dǎo)致無(wú)法成型。

過(guò)低含水率的原料生產(chǎn)的生物質(zhì)成型燃料容易吸濕空氣中的水分，導(dǎo)致生物質(zhì)成型燃料脹裂變形、松弛，密度變小。

1.2 過(guò)高含水率的影響

若原料的含水率較高，粒子盡管在垂直于最大主應(yīng)力方向上能夠充分延展，粒子間能夠嚙合，但由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型[6]。而且，過(guò)多的水蒸氣使分子間距離增大，影響熱量傳導(dǎo)，降低成型溫度，使原料中的木質(zhì)素難以熔融，粗纖維不易軟化，導(dǎo)致黏結(jié)力下降，因此，在原料含水率較高時(shí)，成型過(guò)程中所需的加熱溫度要提高。在生物質(zhì)壓縮過(guò)程中，由于在成型錐套和保型筒內(nèi)的成型燃料承受著錐套和保型筒對(duì)其施加的徑向力，這將產(chǎn)生摩擦力并消耗一定的能量。過(guò)高的含水率，會(huì)增加成型塊所受的徑向力，這也增加了電耗。同時(shí)，成型機(jī)預(yù)熱原料的一部分熱量消耗在多余的水分上，被蒸發(fā)的水分很快汽化，蒸汽不能及時(shí)從成型筒排出，導(dǎo)致體積膨脹，占據(jù)空間增大，容易形成氣堵，且在成型筒內(nèi)縱向形成很大蒸汽壓力，輕者造成生物質(zhì)成型燃料出模開(kāi)裂，表面粗糙；嚴(yán)重時(shí)，使物料快速?lài)姵龀尚屯?，產(chǎn)生放炮現(xiàn)象，不能成型，還會(huì)給周?chē)h(huán)境造成損害，甚至影響人身安全[7]。在成型燃料擠壓出成型套筒后，由于生物質(zhì)成型燃料內(nèi)部高壓水蒸氣而脹裂散開(kāi)，會(huì)影響后續(xù)的包裝和運(yùn)輸以及成型燃料的成型特性[8]。

2 含水率對(duì)固體燃料物理特性的影響

在生物質(zhì)成型燃料的各種品質(zhì)特性中，除燃燒特性外，成型塊的物理特性最重要，它直接決定了成型塊的使用要求、運(yùn)輸要求和貯藏條件。而松弛密度和耐久性是衡量成型塊物理特性的2個(gè)重要指標(biāo)。生物質(zhì)成型塊在出模后，由于彈性變形和應(yīng)力松弛，其壓縮密度逐漸減小，一定時(shí)間后密度趨于穩(wěn)定，此時(shí)成型塊的密度稱(chēng)為松弛密度。耐久性反映了成型塊的黏結(jié)性能，它是由成型塊的壓縮條件及松弛密度決定的。耐久性作為表示成型塊品質(zhì)的一個(gè)重要特性，主要體現(xiàn)在成型塊的不同使用性能和貯藏性能方面，而僅僅通過(guò)單一的松弛密度值無(wú)法全面、直接地反映出成型塊在使用要求方面的差異性，因此，耐久性又具體細(xì)化為抗變形性、抗跌碎性、抗?jié)L碎性、抗?jié)B水性和抗吸濕性等指標(biāo)[9]。

2.1 含水率對(duì)固體燃料耐磨性的影響

Reece[10]發(fā)現(xiàn)，苜蓿草含水率在10%～23%之間可加工成耐磨性為80%～90%的薄片；含水率為25%時(shí)，壓縮成型很難完成。Smith等[11]發(fā)現(xiàn)，麥秸的含水率從10%上升到15%后，其壓塊耐磨性可由73%增加到81%。Turner[12]指出，當(dāng)原料含水率為16%～18%時(shí)，制粒機(jī)的模具容易堵塞。在造粒時(shí)，高纖維原料在調(diào)節(jié)室內(nèi)不能吸收水分，所以水分保留在顆粒表面，造成顆粒間過(guò)度潤(rùn)滑，導(dǎo)致顆粒中心擠壓快于表面，因此，形成了“圣誕樹(shù)”形的顆粒，這將減少其耐磨性。O'Dogherty等[13]發(fā)現(xiàn)，原始含水率為10%～20%的麥秸壓縮成直徑為50 mm的薄片，其耐磨性約為97%；若將原始含水率由20%增加到35%，耐磨性將由97%下降到85%。有研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈的含水率由10%提高到15%，其壓塊的耐磨性可由62%提高到84%。

2.2 含水率對(duì)固體燃料其他物理特性的影響

Al-Widyan等[14]發(fā)現(xiàn)，若將橄欖的原始含水率由20%增加到35%，則其壓塊的抗沖擊性將由20%增加到100%。Koser等[15]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水葫蘆的含水率為8%～12%時(shí)，可達(dá)到最佳的壓塊質(zhì)量，太干（＜8%）或太濕（＞20%）都不能成型，因?yàn)閴簤K有非常高的再膨脹性。謝啟強(qiáng)[6]通過(guò)對(duì)芒草、木屑、稻草和稻殼的熱壓成型研究發(fā)現(xiàn)，原料的含水率對(duì)成型燃料的抗跌碎性影響較小，而對(duì)成型燃料的抗?jié)B水性影響顯著。一般含水率控制為5.5%～12%，可以保證成型燃料合格的松弛密度和耐久性。攀峰鳴[8]指出，原料的含水率較高時(shí)，由于傳熱系數(shù)增大，分子間力減小，空隙增多，黏結(jié)不牢，從而使松弛密度降低。

Li等[16]指出，高品質(zhì)的木材可在6%～12%的原始水分下被加工為燃料，然而，最佳含水率大約為8%。Obernberger等[17]指出，原料含水率只要在8.0%～12%之間，就能生產(chǎn)出高品質(zhì)的顆粒，含水率過(guò)高或過(guò)低都會(huì)降低顆粒的品質(zhì)。表1中列出了一些常見(jiàn)生物質(zhì)原料加工時(shí)合理的含水率范圍，為不同原料的致密成型加工前處理?xiàng)l件的確定提供參考。表1所列各原料的最佳含水率范圍若與其他文獻(xiàn)中有差異，是由于該種燃料加工的成型方式、衡量標(biāo)準(zhǔn)（大多為耐磨強(qiáng)度或松弛密度）等因素不同造成的。

表1 常見(jiàn)生物質(zhì)原料加工時(shí)合理的含水率范圍

3 結(jié)論

生物質(zhì)致密成型的效果是多因素綜合影響的結(jié)果，但含水率卻是成型中的一個(gè)重要影響因素。原料含水率的高低關(guān)系到生物質(zhì)能否被壓縮為成型燃料，對(duì)成型燃料的松弛密度影響顯著，含水率太高或太低都不能得到松弛密度較為理想的成型燃料。研究表明，谷物類(lèi)原料在加工時(shí)，最適宜的含水率應(yīng)在11%～12%之間[21]，而林木類(lèi)原料的最佳含水率為8%左右。各種原料的含水量范圍存在較大差別，這是因?yàn)樵咸匦约凹庸ぬ幚矸绞接休^大差異。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究較多的是農(nóng)業(yè)廢棄物的成型影響因素，而對(duì)林業(yè)廢棄物固體燃料成型的研究極少，以后應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究力度。

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