楊 華，劉石彩，趙佳平，陳莊星

（1.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所 a.生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；b.國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室；c.江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210042；2.泰寧縣杉陽(yáng)山區(qū)綜合開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，福建 泰寧 354400）

生物質(zhì)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(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所 a.生物質(zhì)化學(xué)利用國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室；b.國(guó)家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室；c.江蘇省生物質(zhì)能源與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210042；2.泰寧縣杉陽(yáng)山區(qū)綜合開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，福建 泰寧 354400）

利用木屑、竹屑及玉米秸稈等生物質(zhì)原料，采用棒狀成型機(jī)將原料壓縮為棒狀成型燃料。試驗(yàn)測(cè)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(jié)果表明：生物質(zhì)原料纖維排列形態(tài)對(duì)成型燃料的密度有影響，原料纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)排列整齊與零散結(jié)構(gòu)相比，成型后成型燃料的密實(shí)度更好。生物質(zhì)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(zhì)原料，成型后成型燃料的表面顏色較深。試驗(yàn)結(jié)果也表明了原料纖維形態(tài)和原料特性對(duì)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(zhì)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(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，生物質(zhì)能資源十分豐富[1]，僅農(nóng)作物秸稈折合7×108t左右，而目前年實(shí)際使用量?jī)H為2.2×108t左右。因此，我國(guó)的生物質(zhì)資源的利用還有很大的開(kāi)發(fā)潛力。生物質(zhì)能在我國(guó)商業(yè)用能結(jié)構(gòu)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(yán)重浪費(fèi)，且污染環(huán)境。所以充分合理開(kāi)發(fā)使用生物質(zhì)能，改善我國(guó)的能源利用環(huán)境和人類的生態(tài)環(huán)境，加大生物質(zhì)能源的高品位利用具有重要的意義。

木質(zhì)壓縮成型燃料是將木質(zhì)類的木屑、樹(shù)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(jié)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(shí)度的成型物。廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、民用爐灶等場(chǎng)合，還可進(jìn)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(yùn)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(shí)幾乎不產(chǎn)生SO2，因此不會(huì)造成環(huán)境污染，故亦稱為“清潔燃料”。當(dāng)使用于1 t以下小型鍋爐燃燒時(shí)，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(chǎng)開(kāi)發(fā)前景。

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

1 材料與方法

1.1 原料制備

植物細(xì)胞中的木質(zhì)素是具有芳香族特性、結(jié)構(gòu)原體為苯丙烷型立體結(jié)構(gòu)的高分子化合物，在170～250 ℃的溫度下會(huì)軟化、液化，此時(shí)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(zhì)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(jìn)行干燥。干燥后（含水量小于10%）由旋風(fēng)分離器排出，再經(jīng)螺桿擠捧機(jī)擠壓成型，在適宜的溫度下即可得到表面光滑、無(wú)明顯裂紋、直徑為30 mm的成型棒。

1.2 儀器設(shè)備

游標(biāo)卡尺（精度0.01 mm）、天平（精度0.001 g）、臺(tái)秤（感量0.1 g）、3 mm的圓孔篩、電熱鼓風(fēng)干燥箱、干燥器、萬(wàn)能粉碎機(jī)、棒狀成型機(jī)（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(shí)驗(yàn)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(xì)粉碎→干燥→調(diào)節(jié)原料含水率→棒狀成型機(jī)成型→篩選→冷卻→密封儲(chǔ)存→性能檢測(cè)。

本次試驗(yàn)是利用棒狀成型機(jī)，在相同的成型溫度及壓力下，制得不同原料的生物質(zhì)成型燃料，然后對(duì)它們進(jìn)行物理特性等方面的試驗(yàn)研究。

1.4 棒狀成型燃料的物理特性測(cè)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(jī)選取10個(gè)樣品，用游標(biāo)卡尺測(cè)其長(zhǎng)度l和直徑d，并稱其質(zhì)量m，棒狀成型燃料的松弛密度ρ按公式計(jì)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(zhì)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(zhì)量m0。跌碎率v是燃料碎屑與原質(zhì)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(zhǎng)度尺寸為10 cm，兩端光滑，稱其質(zhì)量m1將其放入盛有蒸餾水的容器中，浸沒(méi)5 s之后取出，拭去表面覆水之后，稱量質(zhì)量m2。計(jì)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(shí)間段的吸濕率計(jì)算公式如下：

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

2 結(jié)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(jiàn)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(yàn)選定的3種代表性生物質(zhì)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(yīng)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(jié)構(gòu)比較明顯，其中竹屑結(jié)構(gòu)排列更加整齊。玉米秸稈的表面比較雜亂，呈片狀零散結(jié)構(gòu)。

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(zhì)原料經(jīng)壓縮成型后，其體積變小，比重和密度增大。燃燒時(shí)，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(shí)間延長(zhǎng)，熱解揮發(fā)份的逸出時(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Experimental data of density of rod-shaped molding fuel

由表1所顯示，所測(cè)3種生物質(zhì)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(guò)程中，玉米秸稈成型燃料顏色略深，估計(jì)跟玉米秸稈的固定碳含量偏低有關(guān)，當(dāng)生物質(zhì)原料固定碳含量較低時(shí)，成型時(shí)表面熱解反應(yīng)較劇烈，表面炭化現(xiàn)象較嚴(yán)重，使成型物表面顏色變深。生物質(zhì)原料纖維排列形態(tài)對(duì)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(jié)構(gòu)比較明顯，其中竹屑結(jié)構(gòu)排列更加整齊，因此，竹屑成型燃料密實(shí)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(jié)構(gòu)，玉米秸稈成型燃料最小。纖維形態(tài)對(duì)生物質(zhì)成型燃料的成型效果產(chǎn)生很大的影響。生物質(zhì)原料的纖維排列是無(wú)規(guī)則的，在成型過(guò)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(zhì)成型燃料的耐久性是評(píng)價(jià)生物質(zhì)成型燃料品質(zhì)的重要性能指標(biāo)，一般包括生物質(zhì)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(gè)指標(biāo)[10]。其中跌碎性、吸水性、滲水性和吸濕性是反映生物質(zhì)成型燃料耐久性的最重要的指標(biāo)，影響生物質(zhì)成型燃料的包裝、運(yùn)輸及儲(chǔ)存性能，可以通過(guò)抽樣試驗(yàn)判斷生物質(zhì)成型燃料的耐久性是否滿足包裝、運(yùn)輸及儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)對(duì)3種常見(jiàn)生物質(zhì)原料成型燃料的跌碎性和吸水性進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3。

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

當(dāng)纖維排列形態(tài)由整齊變零亂時(shí)，內(nèi)部結(jié)合力發(fā)生變化，纖維間由相互纏繞貼合的形式結(jié)合占主導(dǎo)變?yōu)橛煞肿娱g引力、靜電力為主導(dǎo)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(guān)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(nèi)部殘存的內(nèi)應(yīng)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(yàn)，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(cè)吸水率差異也不大。

2.4.2 棒狀成型燃料的滲水性

檢測(cè)檢測(cè)3種生物質(zhì)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(huì)伴有氣泡出現(xiàn)，燃料吸水大多從端部開(kāi)始。開(kāi)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(zhì)量最好，玉米秸稈棒狀燃料表面質(zhì)量最差，從表3可見(jiàn)，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(jiàn)棒狀燃料的表面質(zhì)量對(duì)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(kāi)，其抗?jié)B水性較差。

2.4.3 棒狀成型燃料的吸濕性

實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5。

表5 棒狀成型燃料不同時(shí)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(guān)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(dá)到質(zhì)量平衡。成型燃料在吸濕環(huán)境中，剛開(kāi)始時(shí)，燃料的吸濕速率大，且都隨時(shí)間的延長(zhǎng)吸濕速率逐漸變小。成型燃料在吸濕24 h之后，其質(zhì)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(jié) 論

（1）生物質(zhì)原料纖維排列形態(tài)對(duì)成型燃料的密度有影響。原料纖維形態(tài)結(jié)構(gòu)排列整齊與零散結(jié)構(gòu)相比，成型后成型燃料的密實(shí)度更好。生物質(zhì)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(zhì)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(duì)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(zhì)量對(duì)其抗?jié)B水性有重要影響。棒狀燃料的表面質(zhì)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(guān)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(shí)驗(yàn)選用的3種常見(jiàn)的生物質(zhì)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(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項(xiàng)目（2012GB24320583）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)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(zhì)棒狀成型燃料的物理特性研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015,35(2):114-118.

[本文編校：文鳳鳴]