玉米秸稈混污泥成型燃料特性研究

鄢雨朦，許雯雯，李延鼎，張藝騰，滕海闊，周立岱

(遼寧工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

1 研究背景及意義

不可再生能源泛指人類開發(fā)利用后，在現(xiàn)階段不可能再生的能源資源叫“不可再生能源”。煤、石油、天然氣、核能、油頁巖等人們?cè)絹碓揭蕾嚨牟豢稍偕茉磧r(jià)格飆升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上蘊(yùn)藏可開發(fā)利用煤和石油等將可能分別在200年和40年內(nèi)耗竭，天然氣也只能用40年左右。

作為世界主要能源的化石能源在為人類作出巨大貢獻(xiàn)的同時(shí)，也在嚴(yán)重地破壞人類的生存環(huán)境，其主要表現(xiàn)在：①溫室效應(yīng)氣體的排放；②SOx和NOx等有害氣體的排放，大氣中SOx和NOx氣體濃度的增加將會(huì)對(duì)人類的健康和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生直接的危害，而世界上SOx和NOx氣體的來源主要在于化石燃料的燃燒；③粉塵的排放[1]。

我國(guó)是一個(gè)人口大國(guó)，又是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)迅速的消費(fèi)國(guó)家，21世紀(jì)面臨經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，隨著我國(guó)能源需求不斷增長(zhǎng)及化石能源消耗帶來的環(huán)境壓力不斷加劇，開發(fā)利用新能源和可再生能源，對(duì)于改善以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)，緩解由能源生產(chǎn)和使用造成的環(huán)境問題，保障我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[2]。從國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，改變能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式、開發(fā)利用生物質(zhì)能等可再生清潔能源，對(duì)建立可持續(xù)發(fā)展的能源系統(tǒng)，促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)具有重大意義[3]。

2 生物質(zhì)燃料成型技術(shù)及成型機(jī)理的研究現(xiàn)狀

生物質(zhì)能是一種能量巨大而且可再生的能源。在地球上，每年綠色生物量的增加約為1170億t，相當(dāng)于400億t石油，其中800億t分布在森林中，其余分布在草原、荒原、田野、沼澤及荒漠中[4]。法國(guó)目前每年生物質(zhì)能源利用已相當(dāng)于200萬t石油，2005年可達(dá)1000萬t[5]。瑞典更是利用生物質(zhì)能源較好的國(guó)家，據(jù)瑞典國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)的資料顯示，由于生物質(zhì)能源的使用，礦物能源從 1970年占總能源消耗量的80%降低到1998年的33%, 1970年到1998年，使用生物能源占總能源的比例從9%增加到15%，相當(dāng)于1257×106t石油，并且使用生物質(zhì)能仍是快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)[6]。全世界仍有近25億人口用生物質(zhì)作為燃料用于煮飯、取暖和照明等[7]，在發(fā)展中國(guó)家它占總能耗的35%,在我國(guó)農(nóng)村所占比例更大，約為71%[8]。

但目前絕大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)使用生物質(zhì)燃料都存在熱能利用效率低、耗費(fèi)量大的問題。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織1995年的統(tǒng)計(jì)表明，世界上用于作為燃料的薪炭材消耗量占木材總產(chǎn)量的50%，主要是消耗在占世界人口絕大多數(shù)的發(fā)展中國(guó)家。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織1997年根據(jù)中等經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)預(yù)測(cè),2010年薪炭材的年消耗量將達(dá)到2.05億m3。而發(fā)展中國(guó)家薪炭材占總采伐量的83.4%，主要還是用于家庭炊事和取暖，燃燒灶具的熱效率只有5%～10%。我國(guó)農(nóng)村每年要消耗21339×106t的柴草[6]，而絕大多數(shù)是使用傳統(tǒng)的舊式爐灶，直接燃燒干柴或農(nóng)作物秸稈，浪費(fèi)問題較為嚴(yán)重。

如何利用生物質(zhì)能、提高生物質(zhì)燃料的燃燒效率、減少浪費(fèi)是當(dāng)前世界各國(guó)都在進(jìn)行的研究課題。到目前為止，開發(fā)生物質(zhì)作為燃料的研究主要集中在3個(gè)方面：①將生物質(zhì)原料降解為液體燃料；②將生物質(zhì)原料氣化成可燃?xì)怏w；③加工成便于運(yùn)輸和貯存的一定形狀燃料并提高其燃燒效率。前兩種生產(chǎn)方法主要是通過生物降解、化學(xué)反應(yīng)方式，產(chǎn)生氫、沼氣、乙醇、合成汽油等。生產(chǎn)成本相對(duì)較高，并沒有大量應(yīng)用于生產(chǎn)和日常生活。而第3種方式采用致密成型技術(shù)，其成型燃料具有加工簡(jiǎn)單、成本較低、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸、易著火、燃燒性能好、熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，并且技術(shù)本身一方面可解決環(huán)境保護(hù)問題，另一方面又能生產(chǎn)代用燃料，近年來越來越受到人們的廣泛重視。

本課題研究?jī)?nèi)容為玉米秸稈顆粒燃料成型、物理特性、燃燒特性。本課題中顆粒燃料的原料為當(dāng)年成熟玉米秸稈，玉米秸稈作為農(nóng)作物的廢棄物，在每年的10月份玉米收獲季節(jié)后得不到很好的利用，往往被丟棄于田頭，溝渠或就地焚燒，造成了諸如堵塞排水溝渠、污染空氣等后果。根據(jù)制作顆粒燃料的機(jī)器要求，含水率7%左右的玉米秸稈基本符合要求。

成型燃料的物理品質(zhì)受到原料種類、原料的含水率、原料的粉碎粒度、成型壓力、成型溫度等眾多因素的影響。在之前整理的資料和早期預(yù)備試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)原料長(zhǎng)度、含水率、溫度對(duì)固體顆粒狀燃料有影響，本次試驗(yàn)中的試驗(yàn)因子選取不同粒徑模具和溫度，測(cè)其壓制成顆粒燃料以后的吸水性、密度、硬度、熱值等特性，確定最佳的粒徑及溫度。

通過查資料了解供試物料的基本物理特性，可以為高壓成型機(jī)理的分析和實(shí)驗(yàn)研究提供必要的參數(shù)依據(jù)，首先用粉碎機(jī)將玉米秸稈粉碎，用干燥箱測(cè)其含水率，在不同溫度下壓制不同粒徑的顆粒燃料，測(cè)顆粒燃料的密度、吸水性、灰分、硬度、熱值等特性。

3 實(shí)驗(yàn)部分

1962年德國(guó)的Rumpf針對(duì)不同材料的壓縮成型，將成型物內(nèi)部的粘結(jié)力類型和粘結(jié)方式分成5類:①固體顆粒橋接或架橋；②非自由移動(dòng)粘結(jié)劑作用的粘結(jié)力；③自由移動(dòng)液體的表面張力和毛細(xì)壓力；④粒子間的分子吸引力(范德華力或靜電力)；⑤固體粒子間的充填或嵌合[9]。粉碎后的生物質(zhì)由于斷裂程度不同，形成了大小形狀不一顆粒，大的顆粒在壓力的作用下形成架橋現(xiàn)象。而小顆粒較高壓力作用下更容易發(fā)生緊密充填，在生物質(zhì)中存在的適量的水此刻作為一種作為一種潤(rùn)滑劑使得周圍的粒子得到充分的延展，并使顆粒間的摩擦力減小，從而促進(jìn)粒子的嵌合，粒子表面接觸越發(fā)緊密，粒子間的分子引力、靜電引力和液相附著力(毛細(xì)管力)開始發(fā)揮作用，此外生物質(zhì)所含的木質(zhì)素、腐殖質(zhì)、樹脂、蠟質(zhì)等對(duì)溫度敏感的固有的天然粘結(jié)劑，在致密成型過程中發(fā)揮有效的粘結(jié)作用[10]。

生物質(zhì)冷致密成型過程如下:首先，較低的壓力傳遞至粉碎的生物質(zhì)原料上，使原先松散堆積的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)開始改變，內(nèi)部空隙率不斷減少;然后隨著壓力逐漸增大時(shí)，部分生物質(zhì)原料在壓力作用下破裂，變成更加細(xì)小的粒子，部分依然保持原狀，此后發(fā)生形變和塑性流動(dòng)，細(xì)小的粒子開始填充原來的空隙。粒子間更加緊密地接觸而相互咬合，一部分殘余應(yīng)力儲(chǔ)存于顆粒內(nèi)部，是粒子之間結(jié)合更加牢固。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，使得物料體積縮小，密度增大[11]。

4 結(jié)果與討論

對(duì)不同粒徑模具的顆粒燃料成型特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。包括對(duì)粒徑為6、8、10 mm和在70 ℃、110 ℃的情況下壓制顆粒燃料的特性研究，其顆粒燃料特性包括密度、硬度、吸水性、熱值等，通過實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論。

(1)粒徑為6 mm溫度為70 ℃時(shí)能量密度為35.57 J/g，而在110℃時(shí)能量密度為31.42 J/g，粒徑為8 mm溫度為70 ℃時(shí)能量密度為37.09 J/g，而在110℃時(shí)能量密度為33.74 J/g粒徑為10 mm溫度為70 ℃時(shí)能量密度為37.67 J/g，而在110℃時(shí)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(shí)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(duì)顆粒的密度影響不大。

(3)6 mm的顆粒燃料在溫度為70 ℃時(shí)顆粒的吸水性為11.55%，在110 ℃時(shí)顆粒吸水性為10.93%；8 mm顆粒燃料70℃時(shí)顆粒的吸水性為13.79%，在110 ℃時(shí)顆粒吸水性為12.07%；10 mm顆粒燃料70 ℃時(shí)顆粒的吸水性為13.87%，在110 ℃時(shí)顆粒吸水性為11.03%。溫度越高吸水性越差，粒徑對(duì)吸水性無明顯影響，因?yàn)闇囟仍礁哳w粒的密度越大，顆粒中的粒子越不活躍，結(jié)合的力更強(qiáng)，所以吸水性更差，反之，溫度越低，顆粒見的空隙越大吸水性越強(qiáng)。

(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(shí)，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(duì)熱值無明顯影響，均在17 MJ/kg左右因?yàn)樽罡邷囟葹?10 ℃，不會(huì)改變顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是改變的顆粒的外觀形式，所以對(duì)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(shí)條件最佳，此時(shí)的顆粒燃料硬度最大，易保存、易運(yùn)輸，同時(shí)硬度也最大，而且消耗的能量也最小。