中國擁有豐富的生物質(zhì)能資源。據(jù)估計，每年產(chǎn)生的可供開采的各種生物質(zhì)能資源達6. 56億t標準煤。然而，由于生物質(zhì)能資源本身燃燒性能較差，如能量密度低、高含水性及吸濕性、燃燒過程冒煙，熱效率低下等，使得直接利用生物質(zhì)作為生產(chǎn)生活能源產(chǎn)生諸多不便。因此，有必要提高生物質(zhì)的能源品質(zhì)，以改善其燃燒特性。采用生物質(zhì)固化成型技術(shù)可以提高生物質(zhì)的能量密度及其燃燒特性，是生物質(zhì)能開發(fā)利用的一種有效途徑。近年來有人對生物質(zhì)直接低溫熱解進行了研究。認為這既可破壞生物質(zhì)的纖維素結(jié)構(gòu)提高其可燃性能，又能減少熱解過程中能量損失，同時提高生物質(zhì)能量密度。但是對于人多數(shù)生物質(zhì)而言，直接低溫熱解同樣存在體積能量密度較低的問題，而且直接熱解需要龐人的熱解設(shè)備，材料運輸方面也存在困難。如果將生物質(zhì)先固化成型后再進行低溫熱解，則可避免上述缺點。但是生物質(zhì)固化成型后，其物料特性發(fā)生了較人的變化。本文分別以碎木塊、鋸末成型塊和稻殼成型塊為材料在試驗室條件下進行低溫熱解試驗，研究低溫熱解條件：溫度及時間對產(chǎn)品熱值、質(zhì)量得率、能量得率的影響，并對產(chǎn)品的燃燒性能進行了試驗。
生物質(zhì)資源比如農(nóng)作我物秸稈等，每年大量的生物質(zhì)秸稈燃燒造成環(huán)境污染，但是如果把農(nóng)作物秸稈經(jīng)過顆粒機、秸稈顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機壓制成生物質(zhì)顆粒燃料，那么其的利用價值將大大的提高。
1、儀器、材料和方法
1.1儀器、設(shè)備
YX-ZR天鷹自動量熱儀
YX-MFI．智能馬弗爐
YX-HF灰分儀
YX-HF揮發(fā)分儀
BIO-11型螺旋成型機
1.2測試方法
生物質(zhì)材料熱值根據(jù)GB/T 213 -1996標準進行測試；水分、灰分、揮發(fā)分和固定炭根據(jù)GB/T 212 - 2001標準進行測試。
1.3材料
選擇中國南方地區(qū)資源較豐富的稻殼和鋸末作為試驗的材料，木塊作為參照試驗材料。將鋸末和稻殼經(jīng)過遼寧省能源研究所生產(chǎn)的BIO-11型螺旋成型機擠壓成型，得到試驗用的直徑為60 mm，長度人于250 mm的中間帶小孔的柱狀成型塊材料。試驗材料理化性能指標測試結(jié)果見表1。
從表1可以看出，鋸末和稻殼經(jīng)擠壓成型后，其理化指標發(fā)生了一些變化，水分和揮發(fā)分都下降了，而固定碳、灰分、密度和熱值都提高了，這是因為原料在擠壓成型過程中，對模具進行加熱（表面溫度290℃）而使原料的水分和揮發(fā)物有一定程度揮發(fā)的緣故。
1.4低溫熱解最高溫度的確定
最高溫度和裂解時間是生物質(zhì)熱解的兩個重要參數(shù)。研究表明，生物質(zhì)熱解溫度在150℃以下時，主要是發(fā)生水分的蒸發(fā)，得到的餾出液主要是水，氣體產(chǎn)物是空氣及少量的一氧化碳。，該階段主要為干燥階段，很少進行熱分解，生物質(zhì)組成成分基本不變，干燥階段要吸收外部熱量才能完成。當溫度升到150 -275 ℃時，在此階段吸收外界熱量的生物質(zhì)首先引起其不穩(wěn)定的組分（半纖維素）發(fā)生熱分解，得到的餾出液中除了水外，還有少量的乙酸、甲醇等有機物；生成的不凝性氣體中除了CO，以外，可燃性成分CO、CH4等逐漸增加，生物質(zhì)的化學組成開始發(fā)生明顯的變化，到本階段結(jié)束，材料轉(zhuǎn)變成褐色，但尚未轉(zhuǎn)成炭，這個階段也是吸熱反應階段。當溫度達到275～450℃＋時，生物質(zhì)開始劇烈地進行熱分解，生成人量的分解產(chǎn)物并放出反應熱，直到450℃為止：；生物質(zhì)熱解產(chǎn)物幾乎都在此階段完成；餾出液中乙酸、甲醇、木焦油及其他有機物的含量人人增加；氣體產(chǎn)物中CO、CH4、Hz等可燃性成分比例上升，本階段結(jié)束時，炭已經(jīng)生成，干餾炭化階段已經(jīng)基本完成。本階段的一個重要特點是熱分解過程中伴隨著熱量放出，因此，又稱放熱反應階段。因此認為：275 ℃大約是生物質(zhì)進行熱解時發(fā)生吸熱與放熱反應的分界點，超出此溫度后生物質(zhì)容易發(fā)生放熱反應使熱解反應變得不易控制。當溫度進一步提高到450C以上，對固體殘留物進行煅燒后，可進一步降低其中的揮發(fā)分含量，提高固定碳含量和增加木炭強度。本階段餾出液和不凝性氣體的產(chǎn)量已經(jīng)很少。基于以上分析，本文將低溫熱解最高溫度選定為280℃。
2、試驗結(jié)果與討論
2.1 木塊低溫熱解試驗
低溫熱解試驗是在最高可控溫度達300℃的烘箱中進行的。首先利用木塊進行了溫度分別為200，220，240，260，280℃和加熱時間分別為1，2，3h的預備試驗。溫度和時間對產(chǎn)品熱值、質(zhì)量得率和能量得率指標的影響見表2。
由表2可知，在280℃以下進行生物質(zhì)熱解時，能量得率隨著熱解溫度的升高和熱解時間的延長而下降。由表2還可以看出，在熱解時間較短，溫度較低條件下，產(chǎn)品的熱值、產(chǎn)品質(zhì)量得率變化較小隨著加熱時間的延長和熱解溫度的提高，質(zhì)量得率下降較快，而熱值上升較快。說明此時木塊中揮發(fā)物有一個較激烈的分解過程，揮發(fā)速度加快，得到的熱解固體產(chǎn)物其固定碳、灰分含量增人，而揮發(fā)分在減少。試驗觀察表明，當熱解溫度超過280C且熱解時間超過3h以后，木塊表面已發(fā)生炭化現(xiàn)象，取出后容易著火。從表2可以知道：就木塊而言，在280C溫度條件下，熱解3h后，木塊的熱值仍只有20. 65 MJ/kg，比中質(zhì)煤熱值略低。說明熱解時間太短，產(chǎn)物的熱值較低。可見，若要提高固體產(chǎn)品的熱值，可以選擇通過提高熱解溫度或延長加熱時間來達到。
2.2鋸末和稻殼成型塊低溫熱解試驗
根據(jù)上述木塊低溫熱解試驗的初步結(jié)果，筆者進行了鋸末和稻殼生物質(zhì)成型塊的低溫熱解試驗。試驗的目的是獲得與中質(zhì)煤熱值(20.0MJ/kg)相當?shù)墓腆w燃料，同時進一步改善生物質(zhì)的燃燒特性。上述木塊熱解試驗表明，雖然提高熱解溫度也可以提高產(chǎn)品的熱值，但溫度過高容易使木塊發(fā)生炭化，這與我們試驗目的不符。因此，我們在進行鋸末和稻殼成型塊的低溫熱解試驗時，在限定最高熱解溫度的前提下，適當延長了熱解時間。溫度分別為260℃，270℃，280℃，熱解時間分別設(shè)定為4h、5h。結(jié)果見圖1所示。
圖1表明，鋸末成型塊和稻殼成型塊與木塊有相似的低溫裂解性質(zhì)：隨著裂解溫度的提高和裂解時間的延長，裂解固體產(chǎn)品的質(zhì)量得率和能量得率都在下降，但熱值上升。從圖1還可看出，若要在保證盡可能高的固體產(chǎn)品質(zhì)量和能量得率的條件下，使產(chǎn)品熱值達到20.9 MJ/kg以上，對于鋸末成型塊，其工藝參數(shù)為：熱解溫度260～270C，熱解時間為4h左右，其產(chǎn)品質(zhì)量得率為64. 8% - 69. 9%，能量得率為76. 9% -80. 7%，熱值為21.68～22.12 MJ/kg;對于稻殼成型塊，其工藝參數(shù)為：熱解溫度270℃，熱解時間4 h，產(chǎn)品質(zhì)量得率63. 2%，能量得率為79.1%，熱值21. 33 MJ/kg。
2.3鋸末和稻殼成型塊燃燒特性試驗
分別以稻殼成型塊及其熱解固體產(chǎn)品、鋸末成型塊及其固體產(chǎn)品為原料，考查了各自的燃燒特性。上述4種產(chǎn)品的燃燒過程見圖2所示。
由圖2可見，兩種成型塊的熱解品和非熱解品的燃燒性能差別十分明顯。整個燃燒過程分為冒煙過程、有火焰過程、白熾過程。熱解品冒煙時為7-12 min，從大約15 min起，鋸末成型熱解品和稻殼成型熱解品進入無火焰百熾狀態(tài)，而非熱解品冒煙時間長達30 min以上。試驗還表明熱解產(chǎn)品具有較好的點火性能。到人約50 min左右，所有試驗產(chǎn)品燃燒過程結(jié)束。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是產(chǎn)品經(jīng)過熱解后進一步脫水和釋放較多的揮發(fā)份附在產(chǎn)品的表面，使之點火較易，且點火后首先燃燒的是揮發(fā)份，從而產(chǎn)生一段冒煙和有火焰過程，揮發(fā)份燃燒完后，則其固定碳開始燃燒，從而使燃燒進入白熾無焰過程。
3、結(jié)論和討論
本文分別以碎木塊、鋸末成型壓塊和稻殼成型壓塊為原料，進行了低溫（280 C以下）熱解特性試驗研究。試驗結(jié)果表明，為了獲得與中質(zhì)煤熱值相當?shù)纳镔|(zhì)固體燃料，其較佳的低溫熱解工藝為：對于鋸末成型塊，熱解溫度260～270（、，熱解時間為4h左右，其產(chǎn)品質(zhì)量得率為64. 8%～69. 9%，能量得率為76. 9%- 80. 7%，熱值為21. 68 - 22. 12 MJ/kg；對于稻殼成型塊，熱解溫度270℃。熱解時間4h，產(chǎn)品質(zhì)量得率63. 2%，能量得率79.1%，熱值21. 33 MJ/kg。
燃燒特性試驗結(jié)果表明，與非熱解品相比，鋸末成型熱解品和稻殼成型熱解品的冒煙持續(xù)時間明顯減少，并能很快的進入無火焰白熾狀態(tài)，表明，鋸末成型熱解品和稻殼成型熱解品的燃燒特性有了明顯改善。
鋸末成型品和稻殼成型品經(jīng)過低溫熱解處理后具有耐儲存、易攜帶、燃燒性能提高、使用方便等優(yōu)點，可以替代木柴、煤炭作生活、生產(chǎn)用能。同時熱解過程中的餾出液和可燃氣體等副產(chǎn)品較少，可減少液體和氣體收集、凈化設(shè)備的投資，因此值得進一步研究與開發(fā)。
