玉米秸稈氨化預處理制備成型燃料試驗

摘 要：農作物秸稈是一種豐富的可再生資源。但由于其組分的差異，利用傳統成型方式制取成型燃料時普遍需要高溫高壓條件，存在能耗高、模具磨損嚴重的問題，而常溫成型的燃料品質又較低。為降低能耗和磨損且獲得高品質的成型燃料，并探索對玉米秸稈進行氨化預處理制備成型燃料的可行性，采用單因素試驗設計，分別研究氨化加水量、尿素添加量、廢棄大豆粉添加量、氨化溫度、氨化時間對成型燃料密度和抗破碎性的影響。試驗結果表明：尿素添加量和氨化溫度對成型燃料的密度和抗破碎性影響較大，氨化加水量對成型燃料的密度有一定影響，廢棄大豆粉添加量對成型燃料的抗破碎性影響較大，氨化時間對成型燃料的密度和抗破碎性影響較小。

關鍵詞：玉米秸稈；氨化預處理；成型燃料

中圖分類號：S216.2 文獻標志碼：B 文章編號：1674-7909（2023）19-145-3

0 引言

黑龍江省農作物秸稈產量高，生物質資源量大。2018年，黑龍江省農作物秸稈總產量超過1億 t［1］，秸稈綜合利用超過7 200萬t。玉米秸稈、水稻秸稈和大豆秸稈等農作物秸稈是黑龍江省主要的農業副產品［2］。在禁止焚燒農作物秸稈的政策出臺前，為方便下一季耕種，大多數農作物秸稈在田間被直接焚燒，造成了嚴重的環境污染和可再生能源的損失［3-4］。而隨著禁止焚燒農作物秸稈政策的出臺，農作物秸稈除部分還田外，其余均離田后進行綜合利用。據統計，生物質能在世界能源消費總量中約占14%［5］。近年來，隨著中國“碳達峰”行動的提出，市場對低成本、清潔的可再生能源的需求不斷增加［6］。探索農作物秸稈綜合利用對促進農業可持續發展具有重要意義［7］。

玉米秸稈主要成分為纖維素、半纖維素與木質素，不僅可以用來制備牲畜飼料，還能用來制備燃料。但在制備成型燃料時，粉碎處理的玉米秸稈顆粒黏結性較差，成型效果差［8-10］。同時，采用傳統成型方式制備成型燃料時普遍需要高溫高壓條件，存在能耗高、模具磨損嚴重的問題，且常溫成型的燃料品質較低，在處理、運輸與貯藏利用過程中常常由于顆粒強度不夠而易破碎。基于此，筆者開展玉米秸稈氨化預處理制備成型燃料的試驗研究，以期提升玉米秸稈制備成型燃料的效率和成型效果，為玉米秸稈制備成型燃料提供一定參考，助力提高玉米秸稈綜合利用率。

1 試驗材料與方法

1.1 供試材料

試驗時間為2023年4月，利用粉碎機將玉米秸稈粉碎、篩分，獲得粒徑為0～1.5 mm的玉米秸稈作為試驗原材料；廢棄大豆粉是由黑龍江省大慶市周邊田地所產大豆因保存不當發生霉變后使用粉碎機制成的；選用Coolaber生產的尿素對玉米秸稈進行預處理。

1.2 試驗設計

1.2.1 氨化加水量單因素試驗設計

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設計蒸餾水添加量分別為玉米秸稈質量的30%、40%、50%、60%、70%，尿素添加量為玉米秸稈質量的6%，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質量的6%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養箱中，設計氨化時間為8 d、氨化溫度為45 ℃，對玉米秸稈進行預處理。

1.2.2 尿素添加量單因素試驗設計

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設計尿素添加量分別為玉米秸稈質量的0%、3%、6%、9%、12%，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質量的6%，氨化加水量為玉米秸稈質量的60%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養箱中，設計氨化時間為8 d、氨化溫度為45 ℃，對玉米秸稈進行預處理。

1.2.3 廢棄大豆粉添加量單因素試驗設計

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設計廢棄大豆粉添加量分別為玉米秸稈質量的0%、3%、6%、9%、12%，尿素添加量為玉米秸稈質量的6%，氨化加水量為玉米秸稈質量的60%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養箱中，設計氨化時間為8 d、氨化溫度為45 ℃，對玉米秸稈進行預處理。

1.2.4 氨化溫度單因素試驗設計

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設計氨化加水量為玉米秸稈質量的60%，尿素添加量為玉米秸稈質量的6%，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質量的6%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養箱中，設計氨化時間為8 d，氨化溫度分別為25、35、45、55、65 ℃，對玉米秸稈進行預處理。

1.2.5 氨化時間單因素試驗設計

先將粉碎的玉米秸稈1.5 g、蒸餾水、尿素、廢棄大豆粉放入500 mL錐形燒瓶中充分混合，設計氨化加水量為玉米秸稈質量的60%，尿素添加量為玉米秸稈質量的6%，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質量的6%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，將密封的燒瓶放入烘箱或生化培養箱中，設計氨化時間分別為4、6、8、10、12 d，氨化溫度為45 ℃，對玉米秸稈進行預處理。

將經過不同氨化預處理后的玉米秸稈于105 ℃條件下烘干后，調節其含水率為10%（干基），裝入采樣袋密封后作為原料制備成型燃料，對燃料進行相關指標測定。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 燃料密度

將經過氨化預處理后的玉米秸稈制成成型燃料后，使用千分天平和游標卡尺分別測定成型燃料的質量（m）和體積（v），并計算燃料密度（ρ），計算公式為

ρ=m/v （1）

1.3.2 燃料抗破碎性

先使用千分天平稱取成型燃料質量（m1），然后取燃料放入抗破碎測試儀，以50 r/min轉動5 min，再次稱取燃料質量（m₂），計算燃料抗破碎性DU，計算公式為

DU=m₂/m₁×100% （2）

1.4 數據處理與分析

利用Origin 8.1對試驗數據進行統計分析。

2 試驗結果與分析

2.1 氨化加水量對成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖1可知，成型燃料的密度隨著氨化加水量的增加先增大后減小，氨化加水量為玉米秸稈質量的60%時，成型燃料的密度最大。成型燃料的抗破碎性隨著氨化加水量的增加發生一定變化，但變化幅度較小，說明氨化加水量對成型燃料的抗破碎性影響較小。

2.2 尿素添加量對成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖2可知，成型燃料的密度隨著尿素添加量的增加而增大，尿素添加量為0時，成型燃料的密度最小；尿素添加量為玉米秸稈質量的12%時，成型燃料的密度最大。尿素添加量為0時（不進行氨化處理），成型燃料的抗破碎性最差；尿素添加量為玉米秸稈質量的3%～12%時（進行氨化處理），成型燃料的抗破碎性明顯強于未進行氨化處理的成型燃料。

2.3 廢棄大豆粉添加量對成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖3可知，廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質量的0%～12%時，成型燃料的密度變化幅度較小，說明廢棄大豆粉添加量對成型燃料密度的影響較小。廢棄大豆粉添加量為0時，成型燃料的抗破碎性最小；廢棄大豆粉添加量為玉米秸稈質量的3%～12%時，相比于廢棄大豆粉添加量為0時，成型燃料的抗破碎性大幅度增強。

2.4 氨化溫度對成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖4可知，隨著氨化溫度的升高，成型燃料的密度先增大后減小，氨化溫度為55 ℃時，成型燃料的密度最大。氨化溫度為25～55 ℃時，成型燃料的抗破碎性隨著氨化溫度的升高而逐漸增強，25 ℃時抗破碎性最小，55 ℃時抗破碎性最好。

2.5 氨化時間對成型燃料密度和抗破碎性的影響

由圖5可知，在不同氨化時間處理下，成型燃料的密度變化幅度較小，說明氨化時間對成型燃料的密度基本沒有影響。整體上，成型燃料的抗破碎性隨著氨化時間的增加略微減弱，但變化幅度較小，說明氨化時間對成型燃料的抗破碎性影響較小。

3 結論與討論

此次研究探索了玉米秸稈進行氨化預處理制備成型燃料的可行性，并采用單因素試驗設計，分別研究了氨化加水量、尿素添加量、廢棄大豆粉添加量、氨化溫度、氨化時間對成型燃料密度和抗破碎性的影響。試驗結果表明，尿素添加量和氨化溫度對成型燃料的密度和抗破碎性影響較大，氨化加水量對成型燃料的密度有一定影響，廢棄大豆粉添加量對成型燃料的抗破碎性影響較大，氨化時間對成型燃料的密度和抗破碎性影響較小。

參考文獻：

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