生物質棒狀成型燃料的物理特性研究

楊 華，劉石彩，趙佳平，陳莊星

（1.中國林業(yè)科學研究院 林產(chǎn)化學工業(yè)研究所 a.生物質化學利用國家工程實驗室；b.國家林業(yè)局林產(chǎn)化學工程開發(fā)實驗室；c.江蘇省生物質能源與材料重點實驗室，江蘇 南京210042；2.泰寧縣杉陽山區(qū)綜合開發(fā)有限責任公司，福建 泰寧 354400）

生物質棒狀成型燃料的物理特性研究

楊 華1a,1b,1c，劉石彩1a,1b,1c，趙佳平1a,1b,1c，陳莊星2

（1.中國林業(yè)科學研究院 林產(chǎn)化學工業(yè)研究所 a.生物質化學利用國家工程實驗室；b.國家林業(yè)局林產(chǎn)化學工程開發(fā)實驗室；c.江蘇省生物質能源與材料重點實驗室，江蘇 南京210042；2.泰寧縣杉陽山區(qū)綜合開發(fā)有限責任公司，福建 泰寧 354400）

利用木屑、竹屑及玉米秸稈等生物質原料，采用棒狀成型機將原料壓縮為棒狀成型燃料。試驗測定了成型燃料的松弛密度、抗跌碎性、抗?jié)B水性和吸濕性等物理特性參數(shù)。結果表明：生物質原料纖維排列形態(tài)對成型燃料的密度有影響，原料纖維形態(tài)結構排列整齊與零散結構相比，成型后成型燃料的密實度更好。生物質原料固定碳含量影響成型后成型燃料的表面顏色，固定碳含量低的生物質原料，成型后成型燃料的表面顏色較深。試驗結果也表明了原料纖維形態(tài)和原料特性對成型燃料的抗跌碎性、抗?jié)B水性及吸濕性均有重要影響。

生物質燃料； 棒狀成型燃料；松弛密度； 抗跌碎性； 抗?jié)B水性；吸濕性

我國是一個農業(yè)大國，生物質能資源十分豐富[1]，僅農作物秸稈折合7×108t左右，而目前年實際使用量僅為2.2×108t左右。因此，我國的生物質資源的利用還有很大的開發(fā)潛力。生物質能在我國商業(yè)用能結構所占的比例極小。植物約有一半棄于荒野未能利用甚至焚燒，不但利用水平低，造成資源的嚴重浪費，且污染環(huán)境。所以充分合理開發(fā)使用生物質能，改善我國的能源利用環(huán)境和人類的生態(tài)環(huán)境，加大生物質能源的高品位利用具有重要的意義。

木質壓縮成型燃料是將木質類的木屑、樹葉、稻草等，在一定粒度和含水率的條件下，然后在500～2 000 kg/cm2和150～300 ℃高溫、高壓條件下，或不加熱加粘結劑條件下，壓縮成棒狀、粒狀或塊狀等其它形狀且具有一定密實度的成型物。廣泛應用于工業(yè)鍋爐、民用爐灶等場合，還可進一步加工成型木炭和活性炭。由于成型燃料的比重大（約1.2），便于貯存和運輸，含水率低（8%以下），含揮發(fā)物高（75%以上），含灰分低（一般小于5%），熱值高，著火容易，使用方便，完全燃燒時幾乎不產(chǎn)生SO2，因此不會造成環(huán)境污染，故亦稱為“清潔燃料”。當使用于1 t以下小型鍋爐燃燒時，不需要改造鍋爐即可直接使用。也可作為氣化爐的燃料，成型燃料堪稱一種理想能源[2-7]，有著廣闊的市場開發(fā)前景。

本研究利用農林加工剩余物木屑、竹屑及玉米秸稈等生物質原料，采用棒狀成型機，把原料壓縮成棒狀成型燃料。試驗研究成型燃料的物理性質，主要包括密度、跌碎性、滲水性、吸濕性及熱值，旨在為農林加工剩余物的高效利用提供技術參考。

1 材料與方法

1.1 原料制備

植物細胞中的木質素是具有芳香族特性、結構原體為苯丙烷型立體結構的高分子化合物，在170～250 ℃的溫度下會軟化、液化，此時施以一定的壓力，可使其與纖維素緊密粘接，并與相鄰顆?；ハ嗄z接，冷卻后即可固化成型，不需要任何添加劑、粘接劑，大大降低了加工成本。

該工藝首先要將玉米秸稈，竹屑、木屑等生物質原料粉碎成直經(jīng)小于4 mm的顆粒，再采用氣流式干燥法進行干燥。干燥后（含水量小于10%）由旋風分離器排出，再經(jīng)螺桿擠捧機擠壓成型，在適宜的溫度下即可得到表面光滑、無明顯裂紋、直徑為30 mm的成型棒。

1.2 儀器設備

游標卡尺（精度0.01 mm）、天平（精度0.001 g）、臺秤（感量0.1 g）、3 mm的圓孔篩、電熱鼓風干燥箱、干燥器、萬能粉碎機、棒狀成型機（成型孔直徑為30 mm）、S-3400掃描電鏡（日本東芝公司）、刀片、鑷子。

1.3 實驗方法

棒狀成型燃料成型工藝流程如下：

原料→破碎→清潔處理→細粉碎→干燥→調節(jié)原料含水率→棒狀成型機成型→篩選→冷卻→密封儲存→性能檢測。

本次試驗是利用棒狀成型機，在相同的成型溫度及壓力下，制得不同原料的生物質成型燃料，然后對它們進行物理特性等方面的試驗研究。

1.4 棒狀成型燃料的物理特性測試方法[8]

1.4.1 棒狀成型燃料松弛密度

在成型后的燃料冷卻2 h后，從中隨機選取10個樣品，用游標卡尺測其長度l和直徑d，并稱其質量m，棒狀成型燃料的松弛密度ρ按公式計算，最后取其平均值。公式如下：

1.4.2 棒狀成型燃料的跌碎性

稱取一定質量m（約500 g）的成型燃料放入塑料袋中，將其置于2 m高處后落在水泥地上，共落下2次，稱量碎料質量m0。跌碎率v是燃料碎屑與原質量的百分比。公式如下：

1.4.3 棒狀成型燃料的吸水性

制備成型燃料長度尺寸為10 cm，兩端光滑，稱其質量m1將其放入盛有蒸餾水的容器中，浸沒5 s之后取出，拭去表面覆水之后，稱量質量m2。計算燃料的吸水率v1。公式如下：

1.4.4 棒狀成型燃料的吸濕性

成型燃料在不同時間段的吸濕率計算公式如下：

式（4）中： Δm為不同時間段內顆粒燃料的質量差g； m1為顆粒燃料吸濕前的質量g；v2為顆粒燃料不同時間段的吸濕率%。

2 結果與分析

2.1 棒狀成型燃料原料的工業(yè)分析

3種成型燃料原料的工業(yè)分析與元素分析見表1。

表1 原料的工業(yè)分析與元素分析Table 1 Industrial analysis and elemental analysis for raw materials

試驗選定的3種代表性生物質原料中，木屑和竹屑的固定炭含量接近，玉米秸稈的固定炭量較低，相應地其灰分含量較高。3種原料的硫含量同煤相比均很低，為0.4%左右（煤平均硫含量為2%左右）。

2.2 棒狀成型燃料原料的掃描電鏡分析

圖1是3種棒狀成型燃料原料的掃描電鏡照片，其中a為木屑放大1 000倍的表面形貌，b和c分別是竹屑和玉米秸稈（直經(jīng)小于4 mm）放大1 000倍的表面形貌。從圖1可以看出，木屑和竹屑表面的骨架結構比較明顯，其中竹屑結構排列更加整齊。玉米秸稈的表面比較雜亂，呈片狀零散結構。

圖1 成型燃料原料的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of raw materials of rod-shaped molding fuel

2.3 棒狀成型燃料密度

生物質原料經(jīng)壓縮成型后，其體積變小，比重和密度增大。燃燒時，燃燒爐的升溫速率和降溫速率與成型燃料的比重成反比。比重較大的成型燃料升溫速率和降溫速率偏低，燃燒時間延長，熱解揮發(fā)份的逸出時間增加，炭的氣化和燃燒熱也可充分利用，燃燒爐的熱效率提高。成型燃料的松弛密度是影響燃料物理性能和燃燒性能的重要因素[9]。

棒狀成型燃料松弛密度及成型效果如下表2。

表2 棒狀成型燃料密度的實驗數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of density of rod-shaped molding fuel

由表1所顯示，所測3種生物質原料棒狀成型燃料的密度都大于1.1 g/cm3，木屑和竹屑成型的棒狀燃料密度接近，玉米秸稈成型燃料的密度略小。成型過程中，玉米秸稈成型燃料顏色略深，估計跟玉米秸稈的固定碳含量偏低有關，當生物質原料固定碳含量較低時，成型時表面熱解反應較劇烈，表面炭化現(xiàn)象較嚴重，使成型物表面顏色變深。生物質原料纖維排列形態(tài)對成型燃料的密度有影響。從圖1可以看出，木屑和竹屑表面的骨架結構比較明顯，其中竹屑結構排列更加整齊，因此，竹屑成型燃料密實度最好，密度最大。而玉米秸稈原料的表面比較雜亂，呈片狀零散結構，玉米秸稈成型燃料最小。纖維形態(tài)對生物質成型燃料的成型效果產(chǎn)生很大的影響。生物質原料的纖維排列是無規(guī)則的，在成型過程中由于受擠壓作用，纖維間孔隙變小，因而容積減小，使成型燃料的密度要高于一般木材。

2.4 棒狀成型燃料耐久性

生物質成型燃料的耐久性是評價生物質成型燃料品質的重要性能指標，一般包括生物質成型燃料的抗跌碎性、抗變形性、抗吸水性、抗?jié)B水性和抗吸濕性等幾個指標[10]。其中跌碎性、吸水性、滲水性和吸濕性是反映生物質成型燃料耐久性的最重要的指標，影響生物質成型燃料的包裝、運輸及儲存性能，可以通過抽樣試驗判斷生物質成型燃料的耐久性是否滿足包裝、運輸及儲存性能的要求。

2.4.1 棒狀成型燃料的跌碎性和吸水性

本實驗對3種常見生物質原料成型燃料的跌碎性和吸水性進行試驗，實驗結果如表3。

表3 顆粒燃料的跌碎率和吸水率實驗數(shù)據(jù)Table 3 Experimental data of shatter rate and water absorption of granular fuels

當纖維排列形態(tài)由整齊變零亂時，內部結合力發(fā)生變化，纖維間由相互纏繞貼合的形式結合占主導變?yōu)橛煞肿娱g引力、靜電力為主導地位。由表2可知，纖維形態(tài)相似的竹屑棒狀燃料和木屑棒狀燃料的跌碎率都較小，但纖維排列零亂的玉米秸稈棒狀燃料抗跌碎性較差。

成型燃料的吸水率與纖維形狀也有密切關系。纖維比表面積大，成型燃料容易吸水；相反，由于纖維比表面積變小，纖維間空隙易于充填，可壓縮性變大，使得成型燃料內部殘存的內應力變小，從而削弱了成型燃料的親水性，提高了抗吸水性。本次試驗，竹屑棒狀燃料和木屑棒狀燃料的纖維形態(tài)差異不大，所測吸水率差異也不大。

2.4.2 棒狀成型燃料的滲水性

檢測檢測3種生物質原料棒狀成型燃料的滲水情況，如下表4。

表4 不同原料的成型燃料滲水情況Table 4 Experimental data of water permeability of different raw materials

由表3可知，原料不同，則燃料的滲水情況不同。剛放入水中全都沉入水中，都會伴有氣泡出現(xiàn)，燃料吸水大多從端部開始。開始浸水初期玉米秸稈棒狀燃料體積膨脹大，吸水速率最快；木屑棒狀燃料的表面質量最好，玉米秸稈棒狀燃料表面質量最差，從表3可見，玉米秸稈棒狀燃料的抗?jié)B水性最差，木屑棒狀燃料同竹屑棒狀燃料相比，抗?jié)B水性略好，可見棒狀燃料的表面質量對其抗?jié)B水性有重要影響。3種顆粒燃料浸泡8 h后，都已經(jīng)完全脹大，但木屑棒狀燃料和竹屑棒狀燃料仍可保持其形狀，而玉米秸稈燃料浸水8 h后，其燃料全部散開，其抗?jié)B水性較差。

2.4.3 棒狀成型燃料的吸濕性

實驗測定3種原料棒狀成型燃料在溫度為20 ℃，濕度為80%的環(huán)境下的吸濕情況，實驗數(shù)據(jù)如表5。

表5 棒狀成型燃料不同時間段的吸濕率Table 5 Experimental data of hygroscopicity of rodshaped molding fuel in different time periods

成型燃料的吸濕性與纖維形態(tài)有密切關系，原料的纖維形態(tài)排列凌亂，比表面積大，燃料容易吸濕回潮；與之相反，原料的纖維形態(tài)排列整齊，比表面積小，纖維間空隙易于充填，從而削弱了成型燃料的親水性，提高了抗吸濕性。由表4可得，3種燃料在72 h后達到質量平衡。成型燃料在吸濕環(huán)境中，剛開始時，燃料的吸濕速率大，且都隨時間的延長吸濕速率逐漸變小。成型燃料在吸濕24 h之后，其質量變化都不太明顯。其中，竹屑棒狀燃料的吸濕率最小，其抗吸濕性最好。

3 結 論

（1）生物質原料纖維排列形態(tài)對成型燃料的密度有影響。原料纖維形態(tài)結構排列整齊與零散結構相比，成型后成型燃料的密實度更好。生物質原料固定碳含量影響成型后成型燃料的表面顏色，固定碳含量低的生物質原料，成型后成型燃料的表面顏色較深。

（2）原料纖維形態(tài)和原料特性對成型燃料抗跌碎性有重要影響。纖維形態(tài)相似的竹屑棒狀燃料和木屑棒狀燃料的跌碎率都較小，但纖維排列零亂的玉米秸稈棒狀燃料抗跌碎性較差。

（3）棒狀燃料的表面質量對其抗?jié)B水性有重要影響。棒狀燃料的表面質量好，則其抗?jié)B水性也更好一些。

（4）成型燃料的吸濕性與纖維形態(tài)有密切關系，原料的纖維形態(tài)排列凌亂，比表面積大，燃料容易吸濕回潮；與之相反，原料的纖維形態(tài)排列整齊，比表面積小，纖維間空隙易于充填，從而削弱了成型燃料的親水性，提高了抗吸濕性。實驗選用的3種常見的生物質原料，以竹屑棒狀燃料的吸濕率最小，其抗吸濕性最好。

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Study on physical properties of biomass rod-shaped molding fuel

YANG Hua1a,1b,1c, LIU Shi-cai1a,1b,1c, ZHAO Jia-ping1a,1b,1c, CHEN Zhuang-xing2
(1a. Institute of Chemical Industry of Forest Products, National Engineering Lab. For Biomass Chemical Utilization, CAF; 1b. Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering, SFA; 1c. Jiangsu Provincial Key Lab. of Biomass Energy Sources and Materials, Nanjing 210042, Jiangsu, China; 2. Shanyang Mountain-area Developing Company Ltd., Taining 354400, Fujian, China)

Biomass materials including wood, bamboo shavings and corn stalk, etc. were compressed into rod-shaped molding fuel by rod-shaped molding machine. The physical properties of rod-shaped molding fuel, such as relax density, shatter resistance, water resistance and hygroscopicity, were determined. The results indicated that the fiber arrangement form of used biomass materials had influences on the density of rod-shaped fuel, and the materials of neatly arranged fiber morphological structure formed better compactness rod-shaped fuel after molded compared with that of loose structure; The surface color of rod-shaped fuel was affected by fi xed carbon content of biomass materials, the less fi xed carbon content in biomass materials, the deeper the surface color of the rodshaped fuel was; It is concluded that the fi ber morphology and materials properties had important affections on shatter resistance, water resistance and hygroscopicity of the rod-shaped fuel.

biomass fuel; rod-shaped molding fuel; relaxation density; shatter resistance; water resistance; hygroscopicity

S781.46

A

1673-923X(2015)02-0114-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.022

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-03-18

農業(yè)科技成果轉化資金項目（2012GB24320583）；國家科技支撐計劃項目（2012BAD30B03）

楊 華，碩士研究生 通訊作者：劉石彩，研究員，碩士；E-mail：lschicai@sina.com

楊 華，劉石彩，陳莊星. 生物質棒狀成型燃料的物理特性研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2015,35(2):114-118.

[本文編校：文鳳鳴]