以玉米秸稈為原料制出生物質顆粒燃料的研究現狀

劉雨婷，萬 霖

（黑龍江八一農墾大學工程學院，黑龍江 大慶163319）

中國是世界上最重要的農業國家之一，具有非常豐富的農業生物質資源。據相關調查，我國農作物秸稈年產量超過了億噸[1]。但是，因為受到科學技術及農民小農思想的影響，相當一部分的農作物秸稈沒有得到合理的利用。其中，有一部分的農作物秸稈直接進行了露天燃燒，或者隨意丟棄在大自然中。這樣不但導致了巨大的資源浪費，同時也造成了一系列的環境污染問題，破壞了生態環境的平衡。所以有必要采取相關的農業生物質能轉化技術，把這些廢棄的農作物秸稈轉化成為清潔能源[2]。這樣不但能夠增加我國的能源儲備量，推動我國經濟的可持續發展，還可以在很大程度上緩解環境污染的問題。實際上，歐美發達國家早就將生物質作為能源進行綜合利用[3]。20世紀70年代，美國及加拿大等多個國家嘗試生產并應用顆粒燃料[4]。經過20年的發展，現在技術已極為成熟，在瑞典、丹麥及奧地利等歐洲國家，則進行了生物質能的開發和應用[5]。目前，越來越多的國家和地區，開始嘗試并發展生物質能的開發技術。由此可見，顆粒燃料具備極大的替代固體燃料的潛力，并且能夠良好地應用于供暖及發電中，是非常重要的新興能源之一。

1 原料

當前，最常見的生物質能源是農業及林業生產所產生的各種廢棄物[6]，如農作物秸稈、動物糞便等。將上述材料收集之后，進行粉碎及加壓等一系列的工藝操作，使之增密成型，最后所得的物質就是被用于燃燒的秸稈煤炭，是現在市面上最常見的具有再生能源特征的生物質燃料之一。整個流程所需的加工成本十分低廉，也必須要投入很多的人工成本，但是卻可以產生較大的利潤空間，從售價等多個方面來看，都可以良好地取代煤炭的燃料地位[7]。在此次研究分析的過程中，主要使用的是玉米秸稈這種原材料。在我國，玉米秸稈的產量大且分布廣泛。其生物質成分之中，有高達42%的成分為碳元素，被認為是非常可靠的新興燃料[8]。

1.1 原料含水率

不同的水分含量影響生物質顆粒的壓縮成型。水分含量太低或者太高，都會對生物質顆粒的成型產生不利的影響。如果水分含量太高，則原料會散落并且不能形成燃料。一般來說，原料的水分含量在12%~15%最合適。回彩娟研究發現，放置數日后成型塊表面光滑，不易開裂；自然風干后的木屑、小刨花原料的含水量約為5.5%，并在此含水量下壓制成型塊，其密度在0.85 g/cm3~1.259 g/cm3之間。實驗液壓驅動活塞成型機可以壓縮生物質原料的最大水分含量約為22%[9]。石河子大學的徐新惠研究發現，對于棉花秸稈，當水分含量為6%~12%時，成型塊不僅具有較高的松弛密度，而且具有良好的耐久性[10]。

1.2 加熱溫度

加熱溫度也是影響成型的重要因素之一。通過加熱，可以軟化原料中包含的木質素和其他低分子的物質，木質素軟化的溫度在黏接中起到了重要作用。另外，高溫也會使原料本身變得更軟，更易于壓縮。

1.3 壓力大小

形成生物質顆粒燃料的主要因素是壓縮，壓力的大小直接影響成型效果。如果壓力太大，原料將被壓潰；但是如果壓力太小，也會無法獲得相應的產品及其所需的性能。李美華研究發現，在200 bar~400 bar的范圍，可以滿足大多數原材料的成型要求，而且表面光滑，密度適中。Nalladurai Kaliyan研究發現，對于歐洲赤松來說，若壓力足夠強，那么顆粒尺度不足8 mm的顆粒通常不會影響到燃料的物理力學及其燃燒屬性[11]。

1.4 燃料特性

從燃料制作的層面來看，首先需要對玉米秸稈的基本特性進行全方位的了解和掌握，這也是玉米秸稈燃料制作工藝的理論基礎之一。玉米秸稈的生物質成分之中，有大約42%為碳元素，所以是非常可靠的新興燃料。玉米秸稈發熱量為15.55 kJ/g，屬于二類煙煤的發熱量標準。除了碳元素之外，硫元素同樣能夠參與燃燒，但是硫元素在燃燒之后會造成酸雨等硫污染問題。除此之外，碳元素雖然不屬于可燃的組成部分，但是在經過燃燒之后，同樣也會造成環境污染問題。玉米秸稈硫含量只有0.305%，玉米秸稈揮發分為61.4%，但是固定碳僅占13.61%。

1.5 燃燒性能分析

玉米秸稈的燃燒過程可以被劃分成三個不同的階段，首先，原料水分蒸發的階段，水分汽化之后，其他的低分子量的物質同樣會得到進一步的分解和汽化。隨著溫度的不斷提升，達到著火點之后，便開始燃燒并生成火焰。其次，揮發分物質進入到氣相著火階段之后，木質素高溫炭化并發生氧化作用，以比較緩慢的燃燒速度進行燃燒。到了最后一個階段，揮發分物質全部分解，并且其中氣相物質的火焰被熄滅。固定碳的燃燒也就是指木質素全部碳化分解。

在任何一種升溫速率之下，失重趨勢基本不會發生明顯的變化。不過當溫度恒定時，在不同的升溫速率下，燃料燃燒的量不盡相同，所得到的殘留物的質量也存在明顯的差異性。詳細看來，如果升溫的速率越小，那么燃料中不同組分就會熱解和燃燒得越充分，剩余的染料殘留量也會相對應減少。

如果升溫速率減小，那么著火點溫度和燃盡溫度也會同步下降。除此之外，揮發分及固定碳的燃燒最大速率也會同步減小。由于揮發分的充分熱解，導致其中低著火點的部分會析出；隨著溫度的不斷升高，高著火點的揮發分也會析出，從而延長了燃燒時間。

1.6 灰熔點分析

生物質灰是一種金屬氧化物及非金屬氧化物的混合物。對其加熱至某一確定溫度后，其中的低熔點成分就會進行熔化。溫度持續升高，熔化的成分就會越來越多，并全部轉化為液態。基于燃料初始變形溫度及軟化溫度，可以確定玉米秸稈的結渣傾向，具體為：1）變形溫度DT可以確定燃料結渣傾向界限，當DT>1 289℃時，燃料不結渣；當DT為1 108℃~1 288℃時，中等結渣；當DT<1 107℃時，嚴重結渣。2）軟化溫度ST，其判定界限如下，當ST>1 390℃時，燃料輕微結渣；當ST為1 260℃~1 390℃時，中等結渣；當ST<1 260℃時，嚴重結渣。玉米秸稈的變形溫度為1 173℃，軟化溫度為1 258℃，屬中等結渣灰。因此，針對玉米秸稈顆粒燃料在工業鍋爐中燃燒的情況，有必要做好溫度的管控和檢測，控制爐膛出口結渣的情況，爐膛出口的煙氣溫度必須低于1 150℃。

2 原理

2.1 顆粒燃料成型機理

在進行物理壓縮的過程中，粒子顯示出了明顯的填充特性。除此之外，因為粒子具有流動特性和壓縮特性，所以對生物質的壓縮成型工藝起到了非常重要的作用。一般情況下，生物質壓縮成型工藝主要包括兩個不同的階段。在壓縮初期，壓力較小，生物質顆粒從原有的松散堆積的形態開始轉變，原本的固體顆粒排列結構中的空隙率越來越小。隨著壓力不斷增加，便進入到了第二個階段。隨著壓力的持續增大，生物質大顆粒也逐漸破裂，分解成為了很多個細小的粒子，通過進一步的塑形流動填充到周圍的空隙中，粒子之間得以更加緊密地接觸并實現相互之間的嚙合，少數殘留的應力會儲存在已經成型的塊狀體的內部，從而使粒子之間能夠更加牢固地連接。

2.2 顆粒機工作機理

在生產顆粒燃料的過程中，必須要應用到顆粒機這個關鍵設備。通過壓輥及環模對原料進行擠壓并制成顆粒燃料。物料被強制喂料機傳送到工作區域后，隨著模及輥的轉動，壓輥前的物料被擠入壓縮區擠壓，物料和物料之間的縫隙會快速減小。隨著物料內部壓力及密度的持續加大，彈性變形不復存在，塑性變形開始產生作用。隨著密度的增加，物料會被壓送到磨孔中進行保壓，最終被擠出，形成顆粒。

生物質顆粒燃料設備系統的工作流程分為：上料、制粒、冷卻、成品包裝及除塵。

3 結果與分析

3.1 玉米秸稈在不同壓縮比環模中成型分析

環模的壓縮比越大，玉米秸稈的顆粒密度就越大，而且相對應的能耗也會得到一定的增加，產量也會隨之提升。在達到某一個臨界的壓縮比值的時候，成型顆粒的密度則會以較小的幅度增加，而產量則會開始減少。如果是相同的原料，在不同類型的壓縮比環模中進行成型，那么顆粒燃料的密度和壓縮比之間則呈現出正比例關系。在一定的壓縮比范圍之中，密度保持著一定的穩定性。超過一定的數值之后，原料則會由于壓力過大而導致出料不暢，甚至無法成型。所以為了保證較大的顆粒密度和足夠的產量，在設計階段，應保證環模壓縮比較大。通常會選定壓縮比為4.5的環模。

3.2 玉米秸桿在相同環模中不同粒度成型分析

在玉米秸稈原料粒度持續增大的過程中，成型顆粒的密度會隨之不斷減小。如果原料粒度超過了10 mm，那么就會導致成型效果變差，甚至會出現不成型的情況。需要注意的是，若原料粒度過小，同樣也會對顆粒密度造成影響。

在實際的生物質原料壓縮成型的過程中，粒子之間相互嚙合，粒子層則相互貼合。需要注意的是，若粒子越小，那么粒子之間的填充程度就會越高，相互之間就會進行更加緊密的接觸。不過也不能夠選取過小粒度的粒子，否則就會引起分子引力及靜電引力過大的問題，如果液相附著力過大，同樣也不利于壓縮成型。最終得到的粒度范圍是1 mm~5 mm。

3.3 不同水分玉米秸稈在相同環模中成型分析

根據上文的論述可知，最后選定的壓縮比為4.5。在此基礎上，探究原料含水率與顆粒密度之間的相關性。根據最終的研究結果，可知二者之間在某個臨界值之前是正比例關系，當達到該臨界值之后，顆粒燃料的密度則達到了最大值，并會持續保持在這個最大值附近，直到含水率超過另一個臨界值后，密度則開始下降，最終會出現不成型的情況。

在生物機體中，結合水與自由水通常會起到一定的潤滑效果，能夠降低粒子之間的內摩擦力，增加粒子的流動性。這樣一來，受到壓力作用的粒子就會開始滑動，并且粒子之間會相互嵌合。若含水量持續減少，粒子便難以實現延展，相互之間結合的緊密性也會明顯下降，必然無法成型。但如果含水率超標，水分會分布在粒子層之間，使得粒子層之間無法緊密地貼合和成型。最終確定原料的含水率為12%~18%，據相關的試驗經驗，最佳含水率為15%。

4 結論

據此次調查研究結果，玉米秸稈是一種優質的生物質顆粒燃料原料。并且，在壓縮比為4.5的環模，玉米秸稈粒度范圍為1 mm~5 mm，含水率為12%~18%時效果最好。所得的顆粒密度及產量都能夠達到最大值，而能耗也相對較小。在此次試驗的過程中，重點討論了玉米秸稈擠出生物質顆粒燃料的成型機理。除此之外，也通過對比分析的方式，確定了更符合標準的系統設備。在此基礎之上，還討論了生物質顆粒燃料成型的變化規律，為后續的實踐工作提供一定的參考。