玉米秸稈氨化預(yù)處理制備成型燃料試驗(yàn)

摘 要：農(nóng)作物秸稈是一種豐富的可再生資源。但由于其組分的差異，利用傳統(tǒng)成型方式制取成型燃料時(shí)普遍需要高溫高壓條件，存在能耗高、模具磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，而常溫成型的燃料品質(zhì)又較低。為降低能耗和磨損且獲得高品質(zhì)的成型燃料，并探索對(duì)玉米秸稈進(jìn)行氨化預(yù)處理制備成型燃料的可行性，采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別研究氨化加水量、尿素添加量、廢棄大豆粉添加量、氨化溫度、氨化時(shí)間對(duì)成型燃料密度和抗破碎性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：尿素添加量和氨化溫度對(duì)成型燃料的密度和抗破碎性影響較大，氨化加水量對(duì)成型燃料的密度有一定影響，廢棄大豆粉添加量對(duì)成型燃料的抗破碎性影響較大，氨化時(shí)間對(duì)成型燃料的密度和抗破碎性影響較小。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；氨化預(yù)處理；成型燃料

中圖分類(lèi)號(hào)：S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1674-7909（2023）19-145-3

0 引言

黑龍江省農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量高，生物質(zhì)資源量大。2018年，黑龍江省農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量超過(guò)1億 t［1］，秸稈綜合利用超過(guò)7 200萬(wàn)t。玉米秸稈、水稻秸稈和大豆秸稈等農(nóng)作物秸稈是黑龍江省主要的農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品［2］。在禁止焚燒農(nóng)作物秸稈的政策出臺(tái)前，為方便下一季耕種，大多數(shù)農(nóng)作物秸稈在田間被直接焚燒，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染和可再生能源的損失［3-4］。而隨著禁止焚燒農(nóng)作物秸稈政策的出臺(tái)，農(nóng)作物秸稈除部分還田外，其余均離田后進(jìn)行綜合利用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，生物質(zhì)能在世界能源消費(fèi)總量中約占14%［5］。近年來(lái)，隨著中國(guó)“碳達(dá)峰”行動(dòng)的提出，市場(chǎng)對(duì)低成本、清潔的可再生能源的需求不斷增加［6］。探索農(nóng)作物秸稈綜合利用對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義［7］。

玉米秸稈主要成分為纖維素、半纖維素與木質(zhì)素，不僅可以用來(lái)制備牲畜飼料，還能用來(lái)制備燃料。但在制備成型燃料時(shí)，粉碎處理的玉米秸稈顆粒黏結(jié)性較差，成型效果差［8-10］。同時(shí)，采用傳統(tǒng)成型方式制備成型燃料時(shí)普遍需要高溫高壓條件，存在能耗高、模具磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，且常溫成型的燃料品質(zhì)較低，在處理、運(yùn)輸與貯藏利用過(guò)程中常常由于顆粒強(qiáng)度不夠而易破碎?；诖?，筆者開(kāi)展玉米秸稈氨化預(yù)處理制備成型燃料的試驗(yàn)研究，以期提升玉米秸稈制備成型燃料的效率和成型效果，為玉米秸稈制備成型燃料提供一定參考，助力提高玉米秸稈綜合利用率。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)時(shí)間為2023年4月，利用粉碎機(jī)將玉米秸稈粉碎、篩分，獲得粒徑為0～1.5 mm的玉米秸稈作為試驗(yàn)原材料；廢棄大豆粉是由黑龍江省大慶市周邊田地所產(chǎn)大豆因保存不當(dāng)發(fā)生霉變后使用粉碎機(jī)制成的；選用Coolaber生產(chǎn)的尿素對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 氨化加水量單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設(shè)計(jì)蒸餾水添加量分別為玉米秸稈質(zhì)量的30%、40%、50%、60%、70%，尿素添加量為玉米秸稈質(zhì)量的6%，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質(zhì)量的6%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養(yǎng)箱中，設(shè)計(jì)氨化時(shí)間為8 d、氨化溫度為45 ℃，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理。

1.2.2 尿素添加量單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設(shè)計(jì)尿素添加量分別為玉米秸稈質(zhì)量的0%、3%、6%、9%、12%，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質(zhì)量的6%，氨化加水量為玉米秸稈質(zhì)量的60%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養(yǎng)箱中，設(shè)計(jì)氨化時(shí)間為8 d、氨化溫度為45 ℃，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理。

1.2.3 廢棄大豆粉添加量單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設(shè)計(jì)廢棄大豆粉添加量分別為玉米秸稈質(zhì)量的0%、3%、6%、9%、12%，尿素添加量為玉米秸稈質(zhì)量的6%，氨化加水量為玉米秸稈質(zhì)量的60%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養(yǎng)箱中，設(shè)計(jì)氨化時(shí)間為8 d、氨化溫度為45 ℃，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理。

1.2.4 氨化溫度單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設(shè)計(jì)氨化加水量為玉米秸稈質(zhì)量的60%，尿素添加量為玉米秸稈質(zhì)量的6%，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質(zhì)量的6%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養(yǎng)箱中，設(shè)計(jì)氨化時(shí)間為8 d，氨化溫度分別為25、35、45、55、65 ℃，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理。

1.2.5 氨化時(shí)間單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設(shè)計(jì)氨化加水量為玉米秸稈質(zhì)量的60%，尿素添加量為玉米秸稈質(zhì)量的6%，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質(zhì)量的6%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養(yǎng)箱中，設(shè)計(jì)氨化時(shí)間分別為4、6、8、10、12 d，氨化溫度為45 ℃，對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理。

將經(jīng)過(guò)不同氨化預(yù)處理后的玉米秸稈于105 ℃條件下烘干后，調(diào)節(jié)其含水率為10%（干基），裝入采樣袋密封后作為原料制備成型燃料，對(duì)燃料進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.3.1 燃料密度

將經(jīng)過(guò)氨化預(yù)處理后的玉米秸稈制成成型燃料后，使用千分天平和游標(biāo)卡尺分別測(cè)定成型燃料的質(zhì)量（m）和體積（v），并計(jì)算燃料密度（ρ），計(jì)算公式為

ρ=m/v （1）

1.3.2 燃料抗破碎性

先使用千分天平稱(chēng)取成型燃料質(zhì)量（m1），然后取燃料放入抗破碎測(cè)試儀，以50 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)5 min，再次稱(chēng)取燃料質(zhì)量（m₂），計(jì)算燃料抗破碎性DU，計(jì)算公式為

DU=m₂/m₁×100% （2）

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Origin 8.1對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 氨化加水量對(duì)成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖1可知，成型燃料的密度隨著氨化加水量的增加先增大后減小，氨化加水量為玉米秸稈質(zhì)量的60%時(shí)，成型燃料的密度最大。成型燃料的抗破碎性隨著氨化加水量的增加發(fā)生一定變化，但變化幅度較小，說(shuō)明氨化加水量對(duì)成型燃料的抗破碎性影響較小。

2.2 尿素添加量對(duì)成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖2可知，成型燃料的密度隨著尿素添加量的增加而增大，尿素添加量為0時(shí)，成型燃料的密度最?。荒蛩靥砑恿繛橛衩捉斩捹|(zhì)量的12%時(shí)，成型燃料的密度最大。尿素添加量為0時(shí)（不進(jìn)行氨化處理），成型燃料的抗破碎性最差；尿素添加量為玉米秸稈質(zhì)量的3%～12%時(shí)（進(jìn)行氨化處理），成型燃料的抗破碎性明顯強(qiáng)于未進(jìn)行氨化處理的成型燃料。

2.3 廢棄大豆粉添加量對(duì)成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖3可知，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質(zhì)量的0%～12%時(shí)，成型燃料的密度變化幅度較小，說(shuō)明廢棄大豆粉添加量對(duì)成型燃料密度的影響較小。廢棄大豆粉添加量為0時(shí)，成型燃料的抗破碎性最?。粡U棄大豆粉添加量為玉米秸稈質(zhì)量的3%～12%時(shí)，相比于廢棄大豆粉添加量為0時(shí)，成型燃料的抗破碎性大幅度增強(qiáng)。

2.4 氨化溫度對(duì)成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖4可知，隨著氨化溫度的升高，成型燃料的密度先增大后減小，氨化溫度為55 ℃時(shí)，成型燃料的密度最大。氨化溫度為25～55 ℃時(shí)，成型燃料的抗破碎性隨著氨化溫度的升高而逐漸增強(qiáng)，25 ℃時(shí)抗破碎性最小，55 ℃時(shí)抗破碎性最好。

2.5 氨化時(shí)間對(duì)成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖5可知，在不同氨化時(shí)間處理下，成型燃料的密度變化幅度較小，說(shuō)明氨化時(shí)間對(duì)成型燃料的密度基本沒(méi)有影響。整體上，成型燃料的抗破碎性隨著氨化時(shí)間的增加略微減弱，但變化幅度較小，說(shuō)明氨化時(shí)間對(duì)成型燃料的抗破碎性影響較小。

3 結(jié)論與討論

此次研究探索了玉米秸稈進(jìn)行氨化預(yù)處理制備成型燃料的可行性，并采用單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別研究了氨化加水量、尿素添加量、廢棄大豆粉添加量、氨化溫度、氨化時(shí)間對(duì)成型燃料密度和抗破碎性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，尿素添加量和氨化溫度對(duì)成型燃料的密度和抗破碎性影響較大，氨化加水量對(duì)成型燃料的密度有一定影響，廢棄大豆粉添加量對(duì)成型燃料的抗破碎性影響較大，氨化時(shí)間對(duì)成型燃料的密度和抗破碎性影響較小。

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