朱家寶++周立岱

摘要：指出了隨著可再生能源的開發(fā)利用越來越受到人們的關(guān)注，生物質(zhì)能作為地球上唯一能夠固定碳的清潔性能源而逐漸被世界各國所重視。生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能源消耗的14%。將玉米秸稈粉碎然后壓制成粒徑不同的顆粒燃料，既解決了大氣污染問題，又提高了能源利用率。為此，進行了在不同溫度壓制成不同的顆粒燃料的實驗，測定了其密度、吸水性、硬度、熱值等特性，以確定最佳的粒徑及溫度。研究表明： 粒徑為6 mm溫度為110℃時條件最佳，此時的顆粒燃料硬度最大，易保存、易運輸、不易破碎，同時硬度也最大，而且消耗的能量也最小。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能；溫度；粒徑；密度

中圖分類號：TQ35

文獻標識碼：A文章編號：16749944（2017）16002903

1引言

世界重要資源短缺引發(fā)全球?qū)焖侔l(fā)展中國家的普遍關(guān)注，找到資源需求的合理方法是中國經(jīng)濟和諧增長的唯一選擇，是中國與世界各國和諧互動的先決條件。人們越來越依賴石油、天然氣、煤炭等不可再生能源，不可再生能源價格飆升。據(jù)統(tǒng)計，地球上蘊藏可開發(fā)利用煤和石油等將分別在200年、40年內(nèi)耗竭，天然氣也只能用40年左右[1]。

生物質(zhì)是指有機物中除化石燃料外的所有來源于動植物并能再生的物質(zhì)，因此，它是地球上一個巨大的能源庫[2]。據(jù)估算[3]，地球上的綠色植物儲存的總能量大約相當于8×1012t標煤，比目前地殼內(nèi)已知可供開采的煤炭總儲量還多11倍。地球上綠色植物一年固定的太陽能大約為3×1021 J，相當于人類目前年消耗能量的6～10倍[4]。并且生物質(zhì)能對環(huán)境更友好，其儲量大，燃燒容易、污染少，有害成分低，更具特色的是生物質(zhì)能燃料燃燒所釋放出的CO2大體上相當于其生長時通過光合作用所吸收的CO2，所以燃用生物質(zhì)能時CO2的排放量可以認為是零，特別是在廣大農(nóng)村和經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)，生物質(zhì)能的應(yīng)用仍占有很大的比例[5]。

2材料與方法

2.1實驗儀器

鼓風干燥箱、電子天平、萬能試驗機、恒溫恒濕培養(yǎng)箱、溫度控制儀、游標卡尺、粉碎機、全自動量熱儀。

2.2實驗材料

實驗原料含水率為7%左右的秸稈。

2.3實驗方法

2.3.1顆粒壓制

在125 MPa壓強下分別在70℃和110℃壓制粒徑為6 mm、8 mm、10 mm的顆粒燃料。

2.3.2能量損耗

通過壓力傳感器，得到壓制棒壓力和位移的關(guān)系曲線圖，通過曲線圖的積分可計算出成型顆粒的能耗。其公式如下：

W=∑ni=1Fi×Si （1）

式（1）中：W為擠壓能耗或推動能耗，J/g；

F為壓力，N；

S為位移，m。

2.3.3顆粒密度的測定

用游標卡尺測出顆粒的長L，粒徑D，計算顆粒的密度，密度公式如下：

v=4mπD2L（2）

式（2）中：m為顆粒質(zhì)量（g）；

V為顆粒體積（mm3）；

L為顆粒長度（mm）；

D為顆粒直徑（mm）。

2.3.4顆粒硬度的測定

將顆粒放在萬能試驗機上，以1 mm/min的速度垂直向下移動，并對萬能試驗機壓力和位移進行記錄，根據(jù)peng等人得出的公式[6]：

HM=FπDh-h2D2p4-[D2p2+D·Dp2-D·h-Dp·h+h2D+Dp-2h]2 （3）

式（3）中：F為力（kN）；

D為顆粒直徑（mm）；

Dp為破碎桿直徑（mm）；

h為破碎深度（mm）。

2.3.5顆粒吸水性的測定

先將顆粒放在烘干箱中105℃、24 h后稱其質(zhì)量，在將其顆粒放入恒溫恒濕保溫箱中（溫度30℃，濕度75℃）48 h后進行稱重，吸水后和吸水前的差值即為吸收的水分，吸水性公式如下：

w=m1-m0m0×100%（2）

式（2）中：m1為吸水后質(zhì)量（g）；

M0為烘干后質(zhì)量（g）。

2.3.6顆粒熱值的測定

在試驗過程中，首先使用苯甲酸對儀器進行熱容量標定，得出儀器的熱容量然后測定試樣的發(fā)熱量。再將樣品放進坩堝中進行測量。

3 結(jié)果與討論

能量損耗見表1，其積分圖見圖1。

由圖1可知，溫度越高，所消耗的能量越少。

朱家寶，等：不同粒徑模具的顆粒燃料成型特性研究

環(huán)境與安全

不同溫度下顆粒燃料的密度見圖2。由圖2可知，溫度越高密度越大，粒徑越小，密度越大。

顆粒硬度見圖3。

由圖3可知，溫度越高硬度越大，粒徑越小，硬度越大。

顆粒吸水性及熱值見表2。由表2可知粒徑對吸水影響不大，吸水性和溫度成反比，熱值幾乎沒有變化。

4結(jié)論

（1）粒徑為6 mm溫度為70℃時能量密度為35.57 J/g，而在110℃時能量密度為31.42 J/g，粒徑為8 mm

溫度為70℃時能量密度為37.09 J/g，而在110℃時能量密度為33.74 J/g粒徑為10 mm溫度為70℃時能量密度為37.67 J/g，而在110℃時能量密度為33.97 J/g，因此溫度越高能量密度越低，在其他條件相同時溫度越高能量所需要的越少。

（2）溫度越高，顆粒密度越大，粒徑越小，顆粒密度越大。所有的顆粒密度都在0.95～1.20 g/cm3之間，所以溫度和模具的粒徑對顆粒的密度影響不大。endprint

（3）溫度越高吸水性越差，粒徑對吸水性無明顯影響.

（4）溫度越高顆粒燃料的硬度越大，模具的粒徑越小，顆粒硬度越大。模具的粒徑越大時，顆粒的粒子間作用力更小，顆粒的硬度越低。

（5）溫度和模具的粒徑對熱值無明顯影響，因為最高溫度為110℃，不會改變顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是改變顆粒的外觀形式，所以對熱值沒有明顯影響。

（6）綜合以上特性，粒徑為6 mm、溫度為110℃時條件最佳，此時的顆粒燃料硬度最大，易保存、易運輸，同時硬度也最大，而且消耗的能量也最小。

2017年8月綠色科技第16期

參考文獻：

[1]

康鐵良.秸稈壓塊燃料替代煤炭用于北方農(nóng)戶采暖的探討[EB/OL].[2017-04-01].www.ehome.gov.cn

[2]王革華. 我國生物質(zhì)能利用技術(shù)展望[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，1999（4）：19～22.

[3]沈兆邦.我國森林資源化學利用的發(fā)展前景[J].林產(chǎn)化學與工業(yè)，1994（4）：75～80.

[4]回彩娟，俞國勝. 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)機械與木工設(shè)備，2005（11）：10～14.

[5]榮桂安. 生物質(zhì)能源的轉(zhuǎn)化及應(yīng)用[J]. 氮肥設(shè)計，1996（2）：39～42，66.

[6]Peng J， Wang J， Bi X T， et al. Effects of thermal treatment on energy density and hardness of torrefied wood pellets[J]. Fuel Processing Technology， 2015，129（13）：168～173.

[7]朱開偉，劉貞，呂指臣.中國主要農(nóng)作物生物質(zhì)能生態(tài)潛力及時空分析[J].中國農(nóng)業(yè)科學，2015（21）.

[8]楊鵬宇.北京市農(nóng)村生物質(zhì)能利用現(xiàn)狀與發(fā)展預(yù)測研究[D]. 北京：北京工業(yè)大學，2015.

[9]魏偉，張緒坤，祝樹森.生物質(zhì)能開發(fā)利用的概況及展望[J]. 農(nóng)機化研究，2013（3）.

[10]楊艷華，湯慶飛，張立.生物質(zhì)能作為新能源的應(yīng)用現(xiàn)狀分析[J].重慶科技學院學報（自然科學版） ， 2015（1）.endprint