姜洋，曲靜霞，郭軍，劉日新，張大雷

(遼寧省能源研究所，遼寧營(yíng)口115000)

　　摘要：分析了在常溫條件下生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的技術(shù)條件、設(shè)備系統(tǒng)及其實(shí)際運(yùn)行狀況；研究了環(huán)模壓縮比、原料種類和原料含水率等因素對(duì)顆粒燃料密度的影響；總結(jié)了高密度顆粒燃料在較低能耗情況下的成型條件。該研究工作為生物質(zhì)顆粒燃料技術(shù)的開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　0前言

　　以松散的生物質(zhì)在常溫條件下生產(chǎn)顆粒燃料是生物質(zhì)能最直接、最簡(jiǎn)單的利用方式。近年來(lái)，生物質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)已引起高度重視和廣泛關(guān)注，國(guó)家的可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃及相關(guān)政策更為生物質(zhì)顆粒燃料的推廣應(yīng)用起到了巨大的推動(dòng)作用。

　　生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的關(guān)鍵是具有性能良好、運(yùn)行簡(jiǎn)單的顆粒燃料生產(chǎn)設(shè)備。本文以自制生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備，研究了玉米秸稈、豆稈、稻殼、蘆葦?shù)?種原料在常溫下的成型條件，獲得了一系列對(duì)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)顆粒燃料具有指導(dǎo)意義的規(guī)律。

　　1試驗(yàn)

　　1.1試驗(yàn)設(shè)備及原料來(lái)源

　　試驗(yàn)設(shè)備選用遼寧省能源研究所研制的BIO-C37生物質(zhì)顆粒成型機(jī)。

　　根據(jù)成型設(shè)備的生產(chǎn)能力及對(duì)原料粒度的要求，對(duì)玉米秸稈、豆稈、蘆葦?shù)任锪线M(jìn)行粉碎處理。粉碎后的物料粒徑小于10mm；木屑、稻殼等物料無(wú)須再粉碎即可直接成型。玉米秸稈、豆稈、稻殼、蘆葦4種原料均取自遼寧省營(yíng)口地區(qū)，鋸末是大連地區(qū)木材加工廠的廢棄物。玉米秸稈、稻殼、豆稈均產(chǎn)自上一年，蘆葦、鋸末均產(chǎn)自當(dāng)年。

　　1.2試驗(yàn)內(nèi)容

　　①分別采用玉米秸稈、稻殼、鋸末、蘆葦、豆稈5種原料，在環(huán)模壓縮比(壓力為25~65Mpa)為3.5，4.0，4.5，5.0，5.5的工況下，測(cè)試不同原料的成型條件，推算出顆粒燃料成型的趨勢(shì)。

　　②以玉米秸稈、稻殼、鋸末、蘆葦、豆稈為原料，在環(huán)模壓縮比為3.5，4.0，4.5，5.0，5.5的工況下，測(cè)試成型顆粒產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、密度，繪制特性曲線，確定各類原料成型時(shí)產(chǎn)品的質(zhì)量、密度與環(huán)模壓縮比的關(guān)系。

　　③在確定最佳成型環(huán)模壓縮比的工況下，以含水率為9%，12%，15%，18%，21%的玉米秸稈和蘆葦為原料，測(cè)試設(shè)備系統(tǒng)的能耗，產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、密度，繪制特性曲線，確定這一類農(nóng)作物秸稈成型的最適宜水分范圍。

　　④在確定最佳成型環(huán)模壓縮比和最適宜成型水分范圍的工況下，分別以4種粒度(大于10mm，5~10mm，1~5mm，小于1mm)的玉米秸稈和蘆葦為原料，測(cè)試產(chǎn)品的外觀質(zhì)量、密度，確定這類農(nóng)作物秸稈最適宜的成型粒度范圍。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1生物質(zhì)顆粒燃料成型原理分析

　　結(jié)構(gòu)疏松、密度較小的生物質(zhì)物料在受到外力作用后，原料將經(jīng)歷重新排列位置、機(jī)械變形、彈性變形、塑性變形階段。非彈性或粘彈性纖維素分子之間的相互纏繞和絞合，使物料體積縮小，密度增大(圖1)。

　　2.2不同生物質(zhì)原料在同一壓縮比條件下成型分析

　　圖2是玉米秸稈、蘆葦、豆稈、鋸末4種物料顆粒燃料的密度與壓縮比的關(guān)系曲線。由圖2可見(jiàn)，玉米秸稈和蘆葦成型顆粒達(dá)到較高的密度時(shí)所需壓縮比相同；鋸末成型顆粒達(dá)到較高密度時(shí)需要較大的壓縮比。這一結(jié)果反映了不同種類的生物質(zhì)物料的組織結(jié)構(gòu)和組成成分的差異。生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等構(gòu)成，木質(zhì)素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單體構(gòu)成的具有三維空間結(jié)構(gòu)的天然高分子化合物。在常溫條件下，木質(zhì)素在水及常用的有機(jī)溶劑中幾乎不溶解，在加熱條件下也不軟化，其含量對(duì)物料成型影響不大。纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分之一，它是由葡萄糖組成的線形高分子。纖維素的含量越高，說(shuō)明植物細(xì)胞機(jī)械組織越發(fā)達(dá)，顆粒成型時(shí)就需要更大的壓力。

　　生物質(zhì)內(nèi)纖維素含量決定了其常溫成型的難易程度。生物質(zhì)原料纖維素含量的分析結(jié)果驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果(表1)。

　　環(huán)模壓縮比的大小決定了成型壓力的大小。玉米秸稈、蘆葦?shù)仍系睦w維素含量少，受到外力擠壓時(shí)易發(fā)生形變，因此成型時(shí)所需的環(huán)模壓縮比小，即成型壓力較小；鋸末的纖維素含量高，成型時(shí)所需的環(huán)模壓縮比大，即成型壓力較大。因而，采用不同生物質(zhì)原料生產(chǎn)成型顆粒燃料，應(yīng)采用不同的環(huán)模壓縮比，原料中纖維素含量接近的生物質(zhì)物料可采用相同壓縮比的環(huán)模。

　　2.3同一生物質(zhì)在不同壓縮比環(huán)模中成型分析

　　各種物料在不同壓縮比環(huán)模中的成型試驗(yàn)及計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2～4。

　　由表2～4可看出，對(duì)于上述幾種原料，隨著環(huán)模壓縮比的加大，顆粒密度增大，能耗增加，產(chǎn)量提高。當(dāng)達(dá)到一定壓縮比時(shí)，成型顆粒的密度增加較小，能耗相應(yīng)增加，而產(chǎn)量卻有所下降。試驗(yàn)表明，以豆稈作原料，采用壓縮比為4.0的環(huán)模；以玉米秸稈作原料，采用壓縮比為4.5的環(huán)模；以鋸末作原料，采用壓縮比為5.0的環(huán)模，顆粒燃料的密度均能滿足質(zhì)量要求，且設(shè)備系統(tǒng)能耗較低。

　　同一種原料在不同壓縮比環(huán)模中成型，顆粒燃料的密度隨壓縮比的增大而逐漸增大，并在一定壓縮比范圍內(nèi)，密度保持相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)壓縮比增大到一定程度時(shí)，原料會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)大造成出料不暢而不能成型。由于稻殼的粒度大，且灰分較多，因而稻殼難以形成顆粒。對(duì)于同一種物料，為獲得較大的顆粒密度，應(yīng)設(shè)計(jì)采用較大的環(huán)模壓縮比。

　　2.4原料粒度對(duì)成型條件的影響

　　生物質(zhì)原料的粒度對(duì)成型條件有很大影響。由表5可以看出，隨著玉米秸稈和蘆葦原料粒度的增大，其成型顆粒密度逐漸減小，當(dāng)原料粒度大于10mm時(shí)成型效果極差，甚至不成型，但原料粒度太小也會(huì)影響顆粒密度。因而，以玉米秸稈、蘆葦?shù)壬镔|(zhì)作原料進(jìn)行顆粒燃料的生產(chǎn)時(shí)，其粒度保持在1~5mm較為適宜。

　　2.5原料中水分對(duì)顆粒燃料密度的影響

　　物料顆粒密度與含水率的關(guān)系如圖3，圖4所示。由圖3，圖4可以看出，隨著原料含水率的增加，成型顆粒燃料的密度隨之增大，當(dāng)達(dá)到一定的適宜含水率范圍時(shí)，顆粒燃料的密度達(dá)到最大并保持相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)原料的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。

　　生物機(jī)體內(nèi)存在適量的結(jié)合水和自由水，它們具有潤(rùn)滑劑的作用，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。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，所以不能成型；當(dāng)含水率過(guò)高時(shí)，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。

　　因此，以玉米秸稈、蘆葦?shù)壬镔|(zhì)作原料進(jìn)行顆粒燃料的生產(chǎn)時(shí)，原料的含水率應(yīng)保持在12%~18%較為適宜，最佳含水率為15%。

　　3結(jié)論

　　在常溫條件下，生物質(zhì)原料在壓縮成型過(guò)程中，粒子發(fā)生變形后以相互嚙合的形式結(jié)合，而粒子層之間以相互貼合的形式結(jié)合。原料中纖維素含量決定了成型的難易程度，纖維素含量越高，成型越容易。原料粒度和含水率對(duì)成型條件有明顯影響，粒徑為1～5mm、含水率為12%~18%時(shí)，生產(chǎn)的顆粒燃料密度最大。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]盛奎川，錢湘群，吳杰.切碎棉稈高密度壓縮成型的試驗(yàn)研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版)，2003，29(2)：139-142.

　　[2]回彩娟，俞國(guó)勝.影響生物質(zhì)塊狀燃料常溫高壓致密成型因素的研究[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2005(11)：10-14.

　　[3]郭康權(quán)，趙東.植物材料壓縮成型時(shí)粒子的變形及結(jié)合形式[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1995(3)：139-143.

　　[4]孟令啟，張洛明，陳景運(yùn).制粒機(jī)的壓輥環(huán)模系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2004(9)：1-5.