生物質顆粒燃料成型影響因素研究進展

黃 艷， 杜鵬東， 張明遠， 湯晶宇， 韋 睿， 劉 靈， 王曉紅， 張吉利

(1.中國林業科學研究院 林業新技術研究所，北京 100091； 2.中國林業科學研究院 寒溫帶林業研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086； 3.國家林業局 哈爾濱林業機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

·綜述評論——生物質能源·

生物質顆粒燃料成型影響因素研究進展

黃 艷1,2,3， 杜鵬東2,3， 張明遠2,3， 湯晶宇2,3， 韋 睿2,3， 劉 靈2,3， 王曉紅2,3， 張吉利2,3

(1.中國林業科學研究院 林業新技術研究所，北京 100091； 2.中國林業科學研究院 寒溫帶林業研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086； 3.國家林業局 哈爾濱林業機械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

綜述了國內外生物質顆粒燃料成型研究資料，分析了顆粒燃料的黏結機理及質量參數，總結了原料含水率、貯藏時間、成型溫度、壓力等影響因子對顆粒燃料質量的影響,為成型工藝的合理選擇及提高生物質顆粒燃料的物理品質提供理論依據和文獻參考。

生物質；顆粒燃料；黏合機制；成型

為了緩解氣候變化，應對不可再生化石燃料日益短缺的問題以及增加能源的多樣性和安全性，可再生資源的利用日趨流行。其中，生物質顆粒燃料是替代燃煤最直接、最便捷的選擇，在環保、價格、資源量等方面優勢明顯，已成為國家未來生物質能發展的重要內容。進入21世紀后生物質顆粒燃料產業飛速發展，2010 年的產量是2000 年的 9.5 倍[1]。目前,在歐美等國家，生物質顆粒燃料以木質顆粒燃料為主，具有熱值高、灰分低、燃燒后不易結渣等優點[2-3],而我國的生物質成型燃料以農作物秸稈為主,與木質顆粒燃料相比,在物理特性、化學組分方面有著較大差別,導致燃燒特性存在差異,因此對成型設備、燃燒設備的技術、工藝參數的要求也不同[4]。生物質顆粒燃料的原材料主要來自初級和次級木材加工業的剩余物，如刨花，鋸屑和木片，同時，農業剩余物，能源作物和食品加工業的剩余物在生物質顆粒燃料的生產中也越來越重要[5]。農作物秸稈、林業剩余物等生物質材料原始形態水分含量高，結構松散，形態和大小多變，且堆積密度較低，分布不集中，熱效率低等諸多缺陷。因此，在加工、運輸、儲藏和利用過程中需消耗較多的勞動力和能源[6]，從而導致了昂貴的物流，尤其當生物質與能源生產的地點較遠時，不利于大規模利用。將生物質原始材料加工成致密的顆粒或團塊狀可以解決這一問題，該過程是將粉碎后具有一定粒度的生物質材料，在一定的成型壓力和溫度下壓制成形狀規則、密度較大的顆粒或塊狀燃料。影響生物質顆粒燃料壓縮成型的因素非常復雜，這些因素主要包括原料種類、含水率、顆粒度、成型壓力和溫度等。目前國內對生物質壓縮成型技術的研究主要集中在生物質壓縮過程的壓縮特性、機械特性、流變特性和成型工藝等方面,對生物質壓縮成型的內在黏結機理研究不夠深入。作者從生物質顆粒燃料物理品質特性出發,探討顆粒燃料壓縮成型的內在機理,旨在為研究顆粒燃料的物理品質提供更加全面的方法,為成型工藝的合理選擇提供理論依據。

1 顆粒燃料制備

1.1 制備

顆粒燃料是精練壓縮燃料，直徑為6～10 mm，能量密度高(≥4.7 kWh/kg)，灰分含量低，且排放低。顆粒燃料是原料經過研磨，再用水分或熱量加以處理，通過模具擠壓研磨樣品，然后冷卻[7]成形。經過顆粒化，單位體積的能量與未經加工過的生物質原料相比大大增加。顆粒燃料與生物質原始材料相比，水分含量、顆粒大小以及密度都更加均勻[8]。作為重要的能源，顆粒燃料已經被運用到很多能量轉換過程中，從小型的家用爐具到工廠化的熱電生產過程。

1.2 黏結機理

結構疏松、密度較小的生物質物料在受到外力作用后，將經歷重新排列位置、機械變形、彈性變形、塑性變形階段，這些變形的結果使得顆粒間接觸面積增大，從而激活了分子間的相互作用[9-13]。許多學者已經對黏合機制進行過討論[6, 14-16]。Rumpf[12]是第一個對生物質顆粒和團塊可能存在的黏合機制作出描述的人，他把成型物內部的黏結力類型和黏結方式分為主要的5類：1) 固體顆粒間的分子吸引力或靜電引力。引力是引起固體顆粒間黏附的短距離力，該作用力決定于顆粒大小和顆粒間的距離，只有當顆粒間的距離非常小時才會發揮效應，當顆粒間距離和顆粒大小增加時會迅速減小。引力可以是范德華力、氫鍵和磁場靜電。2)界面力和自由移動液體的表面毛細管壓力。界面力和流動液體表面的毛細管壓力是由液體和顆粒間的表面張力和毛細管力引起的，附著力在顆粒間產生強大的黏合力，但是當液體蒸發后就隨之消失[13]。3)附著力和內聚力。內聚力是使得相同物質黏合在一起的分子間的引力；而附著力是不同物質間分子的引力，該力使得不同物質能夠附著在一起[16]。4)固體顆粒橋接或架橋。架橋通常是在高溫高壓下通過溶解質的結晶，黏合劑硬化，以及各種顆粒組分的熔化和燒結而形成的；固體顆粒橋接在很大程度上決定了最終固化或干燥制品的強度。5)顆粒間的機械連鎖鍵。機械連鎖是顆粒互相重疊在一起形成連鎖鍵和的一種黏合機制，是固體粒子間的充填或嵌合[16]。該機制對顆粒強度的影響很微弱。

Samuelsson等[16]指出,可以合理假設顆粒燃料的生產中也有相似的黏合機制， 因為在造粒過程中所使用的壓力大大高于硬紙板的生產，此外，其它機制也可能會產生作用。這和Stelte等[17]的研究相似，顆粒燃料的黏合是范德華力和氫鍵的共同作用。

2 質量指標

在歐洲，顆粒燃料質量標準由歐洲標準化委員會(CEN)制定。這些標準分為規范性和告知性，對于規范性標準將定義出質量等級，而告知性標準必須加以說明并提供給客戶。

2.1 灰分含量

木材灰分含量根據土壤類型、樹齡、部位(針葉、樹枝和樹皮)和收獲季節的不同而不同。樹從土壤中吸收的礦物質主要分配給針葉或樹葉，小直徑樹枝和樹皮，針葉樹中針葉灰分質量分數約為5%，樹皮部分約為3%，樹干為0.5%[18]。顆粒燃料在造粒過程中所用部位主要為樹皮和針葉時，灰分含量相對較高。歐盟標準聲明最高質量的顆粒燃料的灰分含量應該不大于顆粒燃料干質量的0.7%。 Koch[19]研究發現黑松樹干的灰分質量分數為0.23%～0.28%， Lindstr?m等[20]指出歐洲赤松全樹的灰分質量分數為1.1%。

2.2 機械耐久性

機械耐久性是顆粒燃料非常重要的質量參數,因為在用戶裝貨、卸貨、運輸、儲藏過程中,機械強度較低的顆粒燃料容易破碎,導致粉末增加,影響進料,同時在燃燒過程中,還影響煙氣的排放[8,21]。機械耐久性的標準測試是通過翻滾顆粒燃料，去除細粉后計算剩余顆粒燃料的百分比。瑞典生物質顆粒燃料標準中要求顆粒燃料的機械耐久性大于95%。耐久性反映了成型顆粒燃料的黏結性能，它是由壓縮條件及松弛密度決定的，耐久性作為表示成型燃料品質的一個重要特性，主要體現在不同的使用性能和貯藏性能方面，而僅僅通過單一的松弛密度無法全面、直接地反映出成型燃料在使用方面的差異性。因此，耐久性又具體細化為抗變形性、抗跌碎性、抗滾碎性、抗滲水性和抗吸濕性等幾項指標[22]。

2.3 密度

原料在模具內體積隨壓縮過程中壓力的增大不斷減小，當壓力增大到一定程度，體積不再變化，在最終壓力下模內物料的密度稱為壓縮密度。然而，在成型顆粒或團塊取出模具后，由于彈性形變和應力松弛，體積會逐漸增大，密度不斷減小，一定時間后趨于穩定，此時成型顆粒燃料或團塊燃料的密度稱為松弛密度。該密度比模內的最終壓縮密度小，是決定成型塊燃料物理性能和燃燒性能的一個重要指標。生物質顆粒或團塊的松弛密度與生物質種類及壓縮成型工藝條件密切相關,不同生物質由于含水量不同,組成成分不同,在相同壓縮條件下所達到的松弛密度也會有明顯差異[23]。提高生物質成型燃料的松弛密度一般有兩種途徑,一是采用適宜的壓縮時間控制成型塊在模具內壓縮時的應力松弛和彈性形變,阻止成型塊出模后壓縮密度的減小趨勢；二是將生物質原料粉碎,盡可能減小粒度,并適當提高生物質壓縮成型的壓力、溫度或添加黏結劑,最大限度降低成型塊內部的空隙率,增強結合力[24-25]。

高密度使得單位體積和能量增高，從而運輸和儲存成本變低。歐盟標準中規定了最高質量等級的顆粒燃料密度不小于600 kg/m3, 但是通常顆粒燃料生產者旨在生產密度大于650 kg/m3的顆粒燃料[8]。

3 對顆粒燃料成型的影響因素

3.1 水分

水分含量是影響顆粒燃料質量最重要的因素。生物機體內存在適量的結合水和自由水,具有潤滑劑的作用, 使粒子間以及粒子與模具內壁間的摩擦變小, 流動性增強，從而促進粒子在壓力作用下滑動而嵌合。水分作為黏合劑在造粒過程中的作用非常顯著，并且會影響顆粒燃料的機械耐久性及強度。最佳水分含量因原材料和生產設置的不同而發生變化[26-27]。

3.1.1 顆粒燃料強度 工廠化的木屑顆粒燃料生產的資料表明，致密的木質顆粒的強度和耐久性隨水分含量的增加而增強，直到一個最優值[6]。成型壓力相同時，含水率高的材料孔隙度低，因此黏接面積更大，生產出的顆粒燃料強度更高。低于最優含水率時，隨著含水率的增加，黏接面積的增加量大于黏接強度的降低量，最終使得顆粒燃料強度增加；然而，隨著含水率的進一步增加，黏接強度大大降低，這一影響占優勢且超過了增加的黏接面積對顆粒燃料強度的影響，從而使顆粒燃料強度降低[11]。

3.1.2 密度 適當的含水率有利于減小粒子間的摩擦力，以消除孔隙，因此水分增加了顆粒的質量而體積卻沒有增大，從而增大了顆粒燃料密度。然而，當水分含量超過最適含水率時，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，使得壓制顆粒燃料時阻力增加，多余的水分占據體積，導致顆粒燃料強度和密度降低[28]，加之由于水分的不可壓縮性，從而有可能阻礙完全壓縮以及微粒中天然黏合劑的釋放，導致顆粒燃料不能成型。當生物質原料的含水率過低時, 粒子得不到充分延展, 與四周粒子結合不夠緊密, 所以不能成型[29]。姜洋等[29]對玉米秸稈、稻殼、鋸末、蘆葦和豆稈顆粒燃料成型條件的研究發現，隨著原料含水率的增加, 成型顆粒燃料的密度隨之增大, 當達到一定的適宜含水率范圍時,顆粒燃料的密度達到最大并保持相對穩定；當原料的含水率增加到一定程度后,顆料燃料的密度開始下降,最終導致無法成型。樊峰鳴等[30]進行了含水率對松弛密度的影響試驗，認為當含水率約為 12 %時，成型密度最大，密度變化率最小，原料含水率在8%～15%范圍時均可得到較理想的成型密度。

3.1.3 黏接強度 范德華力和氫鍵是粒子被壓縮時的黏合機制。水分在粒子間的有效部位充當橋梁，從而增加這些粒子間的黏接強度。當含水率過低時，孔隙不能被填滿，水分子就不能充當橋梁，黏接強度就弱；另一方面，當含水率過高時，水分吸收氫鍵位點，占據了顆粒燃料間的黏合位點，從導致了黏接強度的降低[11]。

為了生產出穩定而耐久的顆粒燃料，原材料需達到最佳水分含量。以玉米秸稈、蘆葦等生物質作原料進行顆粒燃料的生產時, 原料的含水率應保持在 12%～18%較為適宜, 最佳含水率為15%[29]。蔣劍春等[31]對顆粒燃料成型機制備林業剩余物顆粒燃料進行了研究，得出原料含水率為16%～22% ，成型壓力為 49～98 MPa，成型溫度約為100 ℃時，成型效果較佳。Samuelsson等[16]研究發現，當儲藏時間超過120天，鋸末的含水量范圍在11%～13%時，歐洲赤松生產出的木屑顆粒燃料的質量最佳。生物質原材料的含水量在8%～12%時，生產出高質量的木屑顆粒燃料，含水率過高或過低都會降低顆粒燃料的品質[32]。

3.2 提取物

顆粒燃料還受提取物含量的影響。提取物是可從木材中通過有機溶劑提取的物質，包括低相對分子質量的化合物如脂肪酸、蠟、固醇和萜烯等[33]。當木材剛被砍伐時，這些化學物質聚集在木材表層，阻礙木材分子結合，這一現象稱為鈍化作用，Stehr等[34]將其稱為弱邊界層。對未經提取和經丙酮提取的歐洲赤松木屑顆粒的對比研究發現，經提取過的鋸末生產的木屑顆粒燃料與未處理過的鋸末生產的顆粒燃料相比，密度和抗壓強度都更高[35]。

Stelte等[17]研究了山毛櫸、歐洲云杉以及小麥秸稈制成的顆粒燃料的顆粒間附著力和失效機理，分別代表硬木、軟木和草本。結果顯示不管在20 ℃還是100 ℃，木屑顆粒的抗壓強度都明顯高于草制的顆粒燃料。他們把原因歸結于草本的提取物比木本植物的提取物高很多。顆粒燃料強度可能與提取物含量緊密相連，當提取物含量增加時，顆粒燃料強度顯著下降，因提取物阻礙了顆粒燃料間黏合點的接觸，阻礙了顆粒燃料間水分的結合，從而導致顆粒燃料強度的降低。

3.3 生產因素

造粒過程中的生產因素如成型壓力和溫度等也會顯著影響顆粒燃料的性能[6,14,35]。成型壓力增加時，顆粒燃料密度增加，將接近真密度，此時孔隙度將減小，意味著黏接面積增大，從而使得顆粒燃料強度增加[35]。造粒設備施加的成型壓力激活了填入原材料之間不同的黏合機制，在足夠高的成型壓力下，生物材料中天然的黏合物如淀粉、蛋白質、木質素和果膠被擠壓出來，從而有利于顆粒燃料間更好的黏合。當農林廢棄物進行熱壓成型時,構成生物質的化學成分可以轉換為黏結劑,增強了成型顆粒間的黏結力[25]。

成型溫度對顆粒燃料質量的影響非常顯著。對顆粒燃料斷裂表面的研究發現，成型溫度為20 ℃時顆粒燃料間只有感覺弱的黏合力[17]。在挪威云杉的研究中，Rhén等[26]發現高溫和低濕是增加木屑顆粒抗壓強度和密度最重要的因素。Nielsen等[36]在研究歐洲山毛櫸和歐洲赤松木屑的造粒過程中溫度的重要性時發現，升溫有利于減少造粒過程中的能量消耗以及生產出強度更高的顆粒燃料。程大莉等[37]利用自制成型模具對棉稈和竹材顆粒進行熱壓致密成型，通過極差分析得出棉稈顆粒燃料的最佳成型工藝參數為：成型溫度 190 ℃、熱壓壓力32 MPa、成型時間 3 min；竹材顆粒燃料的最佳成型工藝參數為：成型溫度 250 ℃、熱壓壓力 32 MPa、成型時間3 min。

3.4 貯藏時間

顆粒燃料質量還會受到原材料貯藏時間的影響，因在貯藏過程中提取物和水分含量等都會減少[21,35-36]。經加工的木屑和木片提取物減少的速度比野外貯藏的原木快得多，室外貯藏5 a的歐洲赤松原木提取物從3.6%降至2.6%，而室外貯藏160 d的木屑的提取物含量從3.7%減少到1.8%[38]。Samuelsson等[15]發現室外貯藏140 d的歐洲赤松和挪威云杉的木屑提取物含量也逐漸減少。

此外，影響生物質壓縮成型的因素還有原料種類、粒度、模具的形狀尺寸等。不同種類的原料，其壓縮成型特性有很大不同，原料的種類不僅影響成型的質量，如密度、強度、熱值等，而且還影響生產效率以及動力消耗。原料的粒度影響成型塊的質量，也影響生產效率和動力消耗，一般來說，粒度小的原料容易壓縮，粒度大的原料較難壓縮。

4 結 語

生物質顆粒燃料的質量是多因素綜合影響的結果，其中含水率是成型中的一個重要影響因素，原料含水率的高低直接關系到生物質能否被壓縮為顆粒燃料，含水率太高或太低都不能生產出物理品質高的顆粒燃料。由于原料特性及加工處理方式的不同，各種原料的最適含水率存在較大差別，在生產過程中適應的成型壓力和溫度等也不盡相同，因此，根據生產的需求，用實驗方法得出各原料的最適工藝參數。目前，在國內研究較多的是農業廢棄物如秸稈等的成型影響因素，而對林業廢棄物固體顆粒燃料成型的研究較少，在以后的研究中應加強這一部分的研究。

實驗可以得出影響顆粒質量的單個因素的最優值，但是在實際生產過程中，原材料性質、預處理方法、設備參數等因子之間是相互影響的，因此，需用統計和數學方法得出最理想的造粒程序，以生產出強度和耐久性都最佳的顆粒燃料。在研究最佳造粒方案時，除了顆粒強度和耐久性，單位能量消耗、生產速率、維護和生產成本都應該考慮在內。在生產操作方面，雖然生產過程已經實現自動化，培訓高技能的工作人員也是提高顆粒質量的一個重要因素。

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《生物質化學工程》征訂啟事

《生物質化學工程》(雙月刊)是由國家林業局主管、中國林科院林產化學工業研究所主辦的，面向國內外公開發行的全國生物質化工行業的技術類刊物。A4開本，56頁，郵發代號 28-205，國內年訂價60.00元，國外發行代號 BM 2743，國外年定價60美元，國內刊號CN 32-1768/S，ISSN 1673-5854。該刊是美國《化學文摘》(CA)收錄期刊、《烏利希國際期刊指南》收錄、RCCSE中國核心學術期刊(A)、中國農業核心期刊、“中國期刊全文數據庫”、“中文科技期刊數據庫” 、“萬方數據—數字化期刊群” 、“CEPS中文電子期刊服務”全文收錄期刊、“中國學術期刊綜合評價數據庫”統計刊源期刊、《CAJ-CD規范》執行優秀期刊。

報道范圍：可再生的木質和非木質生物質資源的化學加工與利用，包括生物質能源、生物質化學品、生物質新材料、生物質天然活性成分和制漿造紙等。主要報道內容為松脂化學、生物質能源化學、生物質炭材料、生物基功能高分子材料、膠黏劑化學、森林植物資源提取物化學利用、環境保護工程、木材制漿造紙為主的林紙一體化和林產化學工程設備研究設計等方面的最新研究成果。

讀者對象：適于從事生物質化學工業、林產化學工業、林業、農業、森工、能源、輕工、化工、環保、醫藥、食品、土產、商檢、外貿等行業從事科研、教學、生產、經營、設計工作等相關人士閱讀。歡迎積極投稿、踴躍訂閱或來電來函聯系廣告業務！

郵局發行，郵發代號28-205，單月月底出版。每冊定價10.00元，全年60.00元。地址：210042江蘇省南京市鎖金五村16號 林化所內；電話：025-85482492；傳真：025-85482492；http://www.bce.ac.cn；E-mail:bce@vip.163.com。

Research Progress of Factors Affecting the Formation of Biofuel Pellets

HUANG Yan1,2,3, DU Peng-dong2,3, ZHANG Ming-yuan2,3, TANG Jing-yu2,3,WEI Rui2,3, LIU Ling2,3, WANG Xiao-hong2,3, ZHANG Ji-li2,3

(1. Research Institute of Forestry New Technology, Beijing 100091, China; 2. Research Center of Cold TemperateForestry, CAF, Harbin 150086, China; 3. Harbin Research Institute of Forestry Machinery,State Forestry Administration, Harbin 150086, China)

The literatures about the formation of biofuel pellet research were reviewed. The bonding mechanism and quality parameters of fuel pellet were analyzed, and the influences of material moisture content, storage time, temperature and pressure on pellet quality were summarized. Based on these, a theoretical basis and literature references for reasonable choices of the pelletizing process were provided to improve the physical quality of the biofuel pellets.

biomass; fuel pellet; binding mechanisms; pelletization

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.05.010

2015- 06- 17

中國林科院中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金(CAFYBB2014QA027)；中國林科院林業新技術所基本科研業務費專項資金(CAFINT2014C18)

黃 艷(1988—),女，助理工程師，碩士，主要從事生物質顆粒燃料研究；E-mail:huangyan19881128@163.com

*通訊作者：張吉利(1986—)，男，工程師，主要從事森林生態研究；E-mail:xtafktj@126.com。

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1673-5854(2015)05- 0053- 06