以玉米秸稈為原料制出生物質(zhì)顆粒燃料的研究現(xiàn)狀

劉雨婷，萬(wàn) 霖

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319）

中國(guó)是世界上最重要的農(nóng)業(yè)國(guó)家之一，具有非常豐富的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源。據(jù)相關(guān)調(diào)查，我國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量超過(guò)了億噸[1]。但是，因?yàn)槭艿娇茖W(xué)技術(shù)及農(nóng)民小農(nóng)思想的影響，相當(dāng)一部分的農(nóng)作物秸稈沒(méi)有得到合理的利用。其中，有一部分的農(nóng)作物秸稈直接進(jìn)行了露天燃燒，或者隨意丟棄在大自然中。這樣不但導(dǎo)致了巨大的資源浪費(fèi)，同時(shí)也造成了一系列的環(huán)境污染問(wèn)題，破壞了生態(tài)環(huán)境的平衡。所以有必要采取相關(guān)的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)，把這些廢棄的農(nóng)作物秸稈轉(zhuǎn)化成為清潔能源[2]。這樣不但能夠增加我國(guó)的能源儲(chǔ)備量，推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，還可以在很大程度上緩解環(huán)境污染的問(wèn)題。實(shí)際上，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家早就將生物質(zhì)作為能源進(jìn)行綜合利用[3]。20世紀(jì)70年代，美國(guó)及加拿大等多個(gè)國(guó)家嘗試生產(chǎn)并應(yīng)用顆粒燃料[4]。經(jīng)過(guò)20年的發(fā)展，現(xiàn)在技術(shù)已極為成熟，在瑞典、丹麥及奧地利等歐洲國(guó)家，則進(jìn)行了生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用[5]。目前，越來(lái)越多的國(guó)家和地區(qū)，開(kāi)始嘗試并發(fā)展生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)技術(shù)。由此可見(jiàn)，顆粒燃料具備極大的替代固體燃料的潛力，并且能夠良好地應(yīng)用于供暖及發(fā)電中，是非常重要的新興能源之一。

1 原料

當(dāng)前，最常見(jiàn)的生物質(zhì)能源是農(nóng)業(yè)及林業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的各種廢棄物[6]，如農(nóng)作物秸稈、動(dòng)物糞便等。將上述材料收集之后，進(jìn)行粉碎及加壓等一系列的工藝操作，使之增密成型，最后所得的物質(zhì)就是被用于燃燒的秸稈煤炭，是現(xiàn)在市面上最常見(jiàn)的具有再生能源特征的生物質(zhì)燃料之一。整個(gè)流程所需的加工成本十分低廉，也必須要投入很多的人工成本，但是卻可以產(chǎn)生較大的利潤(rùn)空間，從售價(jià)等多個(gè)方面來(lái)看，都可以良好地取代煤炭的燃料地位[7]。在此次研究分析的過(guò)程中，主要使用的是玉米秸稈這種原材料。在我國(guó)，玉米秸稈的產(chǎn)量大且分布廣泛。其生物質(zhì)成分之中，有高達(dá)42%的成分為碳元素，被認(rèn)為是非?？煽康男屡d燃料[8]。

1.1 原料含水率

不同的水分含量影響生物質(zhì)顆粒的壓縮成型。水分含量太低或者太高，都會(huì)對(duì)生物質(zhì)顆粒的成型產(chǎn)生不利的影響。如果水分含量太高，則原料會(huì)散落并且不能形成燃料。一般來(lái)說(shuō)，原料的水分含量在12%~15%最合適。回彩娟研究發(fā)現(xiàn)，放置數(shù)日后成型塊表面光滑，不易開(kāi)裂；自然風(fēng)干后的木屑、小刨花原料的含水量約為5.5%，并在此含水量下壓制成型塊，其密度在0.85 g/cm3~1.259 g/cm3之間。實(shí)驗(yàn)液壓驅(qū)動(dòng)活塞成型機(jī)可以壓縮生物質(zhì)原料的最大水分含量約為22%[9]。石河子大學(xué)的徐新惠研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于棉花秸稈，當(dāng)水分含量為6%~12%時(shí)，成型塊不僅具有較高的松弛密度，而且具有良好的耐久性[10]。

1.2 加熱溫度

加熱溫度也是影響成型的重要因素之一。通過(guò)加熱，可以軟化原料中包含的木質(zhì)素和其他低分子的物質(zhì)，木質(zhì)素軟化的溫度在黏接中起到了重要作用。另外，高溫也會(huì)使原料本身變得更軟，更易于壓縮。

1.3 壓力大小

形成生物質(zhì)顆粒燃料的主要因素是壓縮，壓力的大小直接影響成型效果。如果壓力太大，原料將被壓潰；但是如果壓力太小，也會(huì)無(wú)法獲得相應(yīng)的產(chǎn)品及其所需的性能。李美華研究發(fā)現(xiàn)，在200 bar~400 bar的范圍，可以滿(mǎn)足大多數(shù)原材料的成型要求，而且表面光滑，密度適中。Nalladurai Kaliyan研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于歐洲赤松來(lái)說(shuō)，若壓力足夠強(qiáng)，那么顆粒尺度不足8 mm的顆粒通常不會(huì)影響到燃料的物理力學(xué)及其燃燒屬性[11]。

1.4 燃料特性

從燃料制作的層面來(lái)看，首先需要對(duì)玉米秸稈的基本特性進(jìn)行全方位的了解和掌握，這也是玉米秸稈燃料制作工藝的理論基礎(chǔ)之一。玉米秸稈的生物質(zhì)成分之中，有大約42%為碳元素，所以是非常可靠的新興燃料。玉米秸稈發(fā)熱量為15.55 kJ/g，屬于二類(lèi)煙煤的發(fā)熱量標(biāo)準(zhǔn)。除了碳元素之外，硫元素同樣能夠參與燃燒，但是硫元素在燃燒之后會(huì)造成酸雨等硫污染問(wèn)題。除此之外，碳元素雖然不屬于可燃的組成部分，但是在經(jīng)過(guò)燃燒之后，同樣也會(huì)造成環(huán)境污染問(wèn)題。玉米秸稈硫含量只有0.305%，玉米秸稈揮發(fā)分為61.4%，但是固定碳僅占13.61%。

1.5 燃燒性能分析

玉米秸稈的燃燒過(guò)程可以被劃分成三個(gè)不同的階段，首先，原料水分蒸發(fā)的階段，水分汽化之后，其他的低分子量的物質(zhì)同樣會(huì)得到進(jìn)一步的分解和汽化。隨著溫度的不斷提升，達(dá)到著火點(diǎn)之后，便開(kāi)始燃燒并生成火焰。其次，揮發(fā)分物質(zhì)進(jìn)入到氣相著火階段之后，木質(zhì)素高溫炭化并發(fā)生氧化作用，以比較緩慢的燃燒速度進(jìn)行燃燒。到了最后一個(gè)階段，揮發(fā)分物質(zhì)全部分解，并且其中氣相物質(zhì)的火焰被熄滅。固定碳的燃燒也就是指木質(zhì)素全部碳化分解。

在任何一種升溫速率之下，失重趨勢(shì)基本不會(huì)發(fā)生明顯的變化。不過(guò)當(dāng)溫度恒定時(shí)，在不同的升溫速率下，燃料燃燒的量不盡相同，所得到的殘留物的質(zhì)量也存在明顯的差異性。詳細(xì)看來(lái)，如果升溫的速率越小，那么燃料中不同組分就會(huì)熱解和燃燒得越充分，剩余的染料殘留量也會(huì)相對(duì)應(yīng)減少。

如果升溫速率減小，那么著火點(diǎn)溫度和燃盡溫度也會(huì)同步下降。除此之外，揮發(fā)分及固定碳的燃燒最大速率也會(huì)同步減小。由于揮發(fā)分的充分熱解，導(dǎo)致其中低著火點(diǎn)的部分會(huì)析出；隨著溫度的不斷升高，高著火點(diǎn)的揮發(fā)分也會(huì)析出，從而延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間。

1.6 灰熔點(diǎn)分析

生物質(zhì)灰是一種金屬氧化物及非金屬氧化物的混合物。對(duì)其加熱至某一確定溫度后，其中的低熔點(diǎn)成分就會(huì)進(jìn)行熔化。溫度持續(xù)升高，熔化的成分就會(huì)越來(lái)越多，并全部轉(zhuǎn)化為液態(tài)?；谌剂铣跏甲冃螠囟燃败浕瘻囟?，可以確定玉米秸稈的結(jié)渣傾向，具體為：1）變形溫度DT可以確定燃料結(jié)渣傾向界限，當(dāng)DT>1 289℃時(shí)，燃料不結(jié)渣；當(dāng)DT為1 108℃~1 288℃時(shí)，中等結(jié)渣；當(dāng)DT<1 107℃時(shí)，嚴(yán)重結(jié)渣。2）軟化溫度ST，其判定界限如下，當(dāng)ST>1 390℃時(shí)，燃料輕微結(jié)渣；當(dāng)ST為1 260℃~1 390℃時(shí)，中等結(jié)渣；當(dāng)ST<1 260℃時(shí)，嚴(yán)重結(jié)渣。玉米秸稈的變形溫度為1 173℃，軟化溫度為1 258℃，屬中等結(jié)渣灰。因此，針對(duì)玉米秸稈顆粒燃料在工業(yè)鍋爐中燃燒的情況，有必要做好溫度的管控和檢測(cè)，控制爐膛出口結(jié)渣的情況，爐膛出口的煙氣溫度必須低于1 150℃。

2 原理

2.1 顆粒燃料成型機(jī)理

在進(jìn)行物理壓縮的過(guò)程中，粒子顯示出了明顯的填充特性。除此之外，因?yàn)榱Ｗ泳哂辛鲃?dòng)特性和壓縮特性，所以對(duì)生物質(zhì)的壓縮成型工藝起到了非常重要的作用。一般情況下，生物質(zhì)壓縮成型工藝主要包括兩個(gè)不同的階段。在壓縮初期，壓力較小，生物質(zhì)顆粒從原有的松散堆積的形態(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)變，原本的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)中的空隙率越來(lái)越小。隨著壓力不斷增加，便進(jìn)入到了第二個(gè)階段。隨著壓力的持續(xù)增大，生物質(zhì)大顆粒也逐漸破裂，分解成為了很多個(gè)細(xì)小的粒子，通過(guò)進(jìn)一步的塑形流動(dòng)填充到周?chē)目障吨?，粒子之間得以更加緊密地接觸并實(shí)現(xiàn)相互之間的嚙合，少數(shù)殘留的應(yīng)力會(huì)儲(chǔ)存在已經(jīng)成型的塊狀體的內(nèi)部，從而使粒子之間能夠更加牢固地連接。

2.2 顆粒機(jī)工作機(jī)理

在生產(chǎn)顆粒燃料的過(guò)程中，必須要應(yīng)用到顆粒機(jī)這個(gè)關(guān)鍵設(shè)備。通過(guò)壓輥及環(huán)模對(duì)原料進(jìn)行擠壓并制成顆粒燃料。物料被強(qiáng)制喂料機(jī)傳送到工作區(qū)域后，隨著模及輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，壓輥前的物料被擠入壓縮區(qū)擠壓，物料和物料之間的縫隙會(huì)快速減小。隨著物料內(nèi)部壓力及密度的持續(xù)加大，彈性變形不復(fù)存在，塑性變形開(kāi)始產(chǎn)生作用。隨著密度的增加，物料會(huì)被壓送到磨孔中進(jìn)行保壓，最終被擠出，形成顆粒。

生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備系統(tǒng)的工作流程分為：上料、制粒、冷卻、成品包裝及除塵。

3 結(jié)果與分析

3.1 玉米秸稈在不同壓縮比環(huán)模中成型分析

環(huán)模的壓縮比越大，玉米秸稈的顆粒密度就越大，而且相對(duì)應(yīng)的能耗也會(huì)得到一定的增加，產(chǎn)量也會(huì)隨之提升。在達(dá)到某一個(gè)臨界的壓縮比值的時(shí)候，成型顆粒的密度則會(huì)以較小的幅度增加，而產(chǎn)量則會(huì)開(kāi)始減少。如果是相同的原料，在不同類(lèi)型的壓縮比環(huán)模中進(jìn)行成型，那么顆粒燃料的密度和壓縮比之間則呈現(xiàn)出正比例關(guān)系。在一定的壓縮比范圍之中，密度保持著一定的穩(wěn)定性。超過(guò)一定的數(shù)值之后，原料則會(huì)由于壓力過(guò)大而導(dǎo)致出料不暢，甚至無(wú)法成型。所以為了保證較大的顆粒密度和足夠的產(chǎn)量，在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)保證環(huán)模壓縮比較大。通常會(huì)選定壓縮比為4.5的環(huán)模。

3.2 玉米秸桿在相同環(huán)模中不同粒度成型分析

在玉米秸稈原料粒度持續(xù)增大的過(guò)程中，成型顆粒的密度會(huì)隨之不斷減小。如果原料粒度超過(guò)了10 mm，那么就會(huì)導(dǎo)致成型效果變差，甚至?xí)霈F(xiàn)不成型的情況。需要注意的是，若原料粒度過(guò)小，同樣也會(huì)對(duì)顆粒密度造成影響。

在實(shí)際的生物質(zhì)原料壓縮成型的過(guò)程中，粒子之間相互嚙合，粒子層則相互貼合。需要注意的是，若粒子越小，那么粒子之間的填充程度就會(huì)越高，相互之間就會(huì)進(jìn)行更加緊密的接觸。不過(guò)也不能夠選取過(guò)小粒度的粒子，否則就會(huì)引起分子引力及靜電引力過(guò)大的問(wèn)題，如果液相附著力過(guò)大，同樣也不利于壓縮成型。最終得到的粒度范圍是1 mm~5 mm。

3.3 不同水分玉米秸稈在相同環(huán)模中成型分析

根據(jù)上文的論述可知，最后選定的壓縮比為4.5。在此基礎(chǔ)上，探究原料含水率與顆粒密度之間的相關(guān)性。根據(jù)最終的研究結(jié)果，可知二者之間在某個(gè)臨界值之前是正比例關(guān)系，當(dāng)達(dá)到該臨界值之后，顆粒燃料的密度則達(dá)到了最大值，并會(huì)持續(xù)保持在這個(gè)最大值附近，直到含水率超過(guò)另一個(gè)臨界值后，密度則開(kāi)始下降，最終會(huì)出現(xiàn)不成型的情況。

在生物機(jī)體中，結(jié)合水與自由水通常會(huì)起到一定的潤(rùn)滑效果，能夠降低粒子之間的內(nèi)摩擦力，增加粒子的流動(dòng)性。這樣一來(lái)，受到壓力作用的粒子就會(huì)開(kāi)始滑動(dòng)，并且粒子之間會(huì)相互嵌合。若含水量持續(xù)減少，粒子便難以實(shí)現(xiàn)延展，相互之間結(jié)合的緊密性也會(huì)明顯下降，必然無(wú)法成型。但如果含水率超標(biāo)，水分會(huì)分布在粒子層之間，使得粒子層之間無(wú)法緊密地貼合和成型。最終確定原料的含水率為12%~18%，據(jù)相關(guān)的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，最佳含水率為15%。

4 結(jié)論

據(jù)此次調(diào)查研究結(jié)果，玉米秸稈是一種優(yōu)質(zhì)的生物質(zhì)顆粒燃料原料。并且，在壓縮比為4.5的環(huán)模，玉米秸稈粒度范圍為1 mm~5 mm，含水率為12%~18%時(shí)效果最好。所得的顆粒密度及產(chǎn)量都能夠達(dá)到最大值，而能耗也相對(duì)較小。在此次試驗(yàn)的過(guò)程中，重點(diǎn)討論了玉米秸稈擠出生物質(zhì)顆粒燃料的成型機(jī)理。除此之外，也通過(guò)對(duì)比分析的方式，確定了更符合標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)備。在此基礎(chǔ)之上，還討論了生物質(zhì)顆粒燃料成型的變化規(guī)律，為后續(xù)的實(shí)踐工作提供一定的參考。