隨著近代科學(xué)的進(jìn)步，生物質(zhì)的利用出現(xiàn)了許多新方法、新工藝、新設(shè)備，其中生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)是生物質(zhì)能的一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的利用形式。通過(guò)對(duì)原材料進(jìn)行干燥、破碎、加入黏合劑等方法進(jìn)行預(yù)處理，在成型機(jī)高壓條件下，壓縮成柱狀或顆粒狀的高密度成型顆粒燃料，為高效利用生物質(zhì)提供了新途徑，富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售秸稈顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)成型顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1、實(shí)驗(yàn)部分
1.1實(shí)驗(yàn)材料及儀器
材料：生物質(zhì)原材料為玉米秸稈、楊樹(shù)鋸末、梧桐樹(shù)葉，均產(chǎn)自河北省石家莊市南郊。
儀器：FE220型粉碎機(jī)，上海某發(fā)展有限公司；H2-210電子天平，福州某儀器有限公司；XRY-1B微機(jī)氧彈量熱計(jì)，上海某地質(zhì)儀器有限公司；SRJX-4-13可控溫烘箱（箱式電阻爐），北京某儀器設(shè)備廠。
1.2實(shí)驗(yàn)部分
1.2.1 樣品處理
將收集到的生物質(zhì)原材料進(jìn)行晾曬等初步干燥處理，而后使用多粒徑破碎機(jī)進(jìn)行破碎，得到10mm、1.5mm、0.5mm粒徑的材料。將一定量樣品粉末放置加熱皿中，置于烘箱內(nèi)，設(shè)定溫度105℃，放置時(shí)間24 h以上。烘干結(jié)束后，將加熱皿置于干燥皿中至常溫。取出一定量的三種生物質(zhì)原料平鋪于培養(yǎng)皿中，噴入水霧，均勻攪拌，調(diào)配出含水率為8%、12%、17%的實(shí)驗(yàn)原料。將所有原料用密封袋密封，防止吸收空氣中水分，放置陰涼處保存。
1.2.2元素分析與工業(yè)分析
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 211-1996、GB/T 212-2001、GB/T 212-2001和GB/T213 -2008進(jìn)行了三種生物質(zhì)的工業(yè)分析、元素分析和熱值分析，結(jié)果見(jiàn)表1。
| 樣品 | ||||
| 玉米秸稈 | 楊樹(shù)鋸末 | 梧桐樹(shù)葉 | ||
| 工業(yè)分析 | 含水量/% | 7.36 | 7.83 | 9.14 |
| 揮發(fā)份/% | 71.34 | 86.70 | 75.11 | |
| 灰分/% | 6.90 | 1.74 | 10.26 | |
| 固定碳/% | 14.40 | 3.37 | 5.49 | |
| 元素分析 | N/% | 0.70 | 0.92 | 0.73 |
| C/% | 43.57 | 45.83 | 45.00 | |
| TOC/% | 37.86 | 39.41 | 37.33 | |
| H/% | 3.82 | 4.94 | 5.24 | |
| S/% | 0.13 | 0.22 | 0.17 | |
| 熱值分析 | 樣品彈熱值/（j·g-1） | 16238 | 19420 | 18066 |
成型壓力、含水率將根據(jù)文獻(xiàn)資料和實(shí)際情況進(jìn)行選擇。成型壓力：10MPa、25MPa、50MPa；含水率：8%、12%、17%；成型粒徑：0.5mm、1.5mm、10mm。將原料放置于內(nèi)徑為55 mm的柱形模具中，常溫條件下，進(jìn)行單因素成型實(shí)驗(yàn)，為使結(jié)果精確每個(gè)條件下成型試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值。
(1)不同成型壓力成型試驗(yàn)
取粒徑均為1.5mm的玉米秸稈、楊樹(shù)鋸末、梧桐樹(shù)葉三種原料，成型壓力為10 MPa、25 MPa、50 MPa，常溫條件下進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)。
(2)不同含水率成型試驗(yàn)
將粒徑為1.5mm，含水率為8%、l2%、17%的生物質(zhì)原料在成型壓力為25 MPa，常溫條件下進(jìn)行成型實(shí)驗(yàn)。
(3)不同粒徑成型試驗(yàn)
取含水率為8%，粒徑分別為：0.5 mm、1.5mm、10mm的生物質(zhì)原料，在成型壓力為25 MPa，常溫條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
1.2.4 生物質(zhì)成型顆粒燃料的物理特性測(cè)定
(1)松弛密度
將所有實(shí)驗(yàn)條件下的生物質(zhì)成型成品，在密封櫥中放置3天后，測(cè)量成型顆粒燃料的尺寸及質(zhì)量大小，按下式計(jì)算生物質(zhì)燃料的松弛密度：
p=m/V
其中p-松弛密度( g/cm3)；m一生物質(zhì)放置3d后質(zhì)量(g)；v一生物質(zhì)放置3 d后體積(cm3)。
(2)耐久性
主要進(jìn)行生物質(zhì)成型成品的抗跌碎性、抗?jié)B水性的測(cè)定。
抗跌碎性：依照煤的抗碎強(qiáng)度測(cè)定方法( GB/T15459-1995)對(duì)生物質(zhì)成型顆粒燃料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。稱5009生物質(zhì)成型顆粒燃料，裝入袋內(nèi)，排除空氣，扎緊袋口。用刻度尺量出2m的高度，讓裝有樣品的袋子從此高度自由落下到鋼板（厚度不小于15 mm，長(zhǎng)約1200 mm，寬約900m），連續(xù)落下5次。將樣品倒入15mm方孔篩內(nèi)，經(jīng)過(guò)篩分后，稱量篩上物的質(zhì)量。
按下式計(jì)算生物質(zhì)壓塊的抗跌碎性：
SS15= Mis/Mo×100%。其中SS15-生物質(zhì)壓塊抗跌碎性；Mis -大于15 mm的生物質(zhì)壓塊的質(zhì)量(g)；M-裝袋時(shí)生物質(zhì)壓塊的質(zhì)量(g)。
抗?jié)B水性：將不同實(shí)驗(yàn)條件下的成型成品浸沒(méi)于27℃的水面下25 mm處?kù)o置，觀察并記錄成型顆粒燃料完全剝落分解的時(shí)間。
2、結(jié)果與分析
2.1成型壓力對(duì)生物質(zhì)成型效果的影響
表2 不同成型壓力下生物質(zhì)成型顆粒燃料的成型效果
| 原料種類 | 成型壓力/MPa | 成型效果描述 |
| 玉米秸稈 | 10 | 成型效果好，表面有細(xì)小裂紋，密實(shí)，硬度較小 |
| 25 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度大 | |
| 50 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度較大 | |
| 楊樹(shù)鋸末 | 10 | 基本成型，有裂縫，松散，硬度較小 |
| 25 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度大 | |
| 50 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度較大 | |
| 梧桐樹(shù)葉 | 10 | 成型效果好，表面較松散，較密實(shí)，硬度適中 |
| 25 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度大 | |
| 50 | 成型效果好，表面光滑，非常密實(shí)，硬度大 |
表3 不同含水率下生物質(zhì)成型顆粒燃料的成型效果
| 原料種類 | 含水率/% | 成型效果描述 |
| 玉米秸稈 | 8 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度大 |
| 12 | 成型效果好，表面光滑，較密實(shí)，硬度大 | |
| 17 | 基本成型，底部有裂痕，較密實(shí)，硬度小 | |
| 楊樹(shù)鋸末 | 8 | 基本成型，有裂縫，松散，硬度較小 |
| 12 | 成型效果好，表面光滑，非常密實(shí)，硬度較大 | |
| 17 | 不成型，表面有較大裂痕，松散 | |
| 梧桐樹(shù)葉 | 8 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度大 |
| 12 | 成型效果好，表面有細(xì)小裂痕，密實(shí)，硬度大 | |
| 17 | 基本成型，表面有多處裂痕，較密實(shí)，硬度小 |
表4 不同成型壓力下生物質(zhì)成型顆粒燃料的成型效果
| 原料種類 | 粒徑/mm | 成型效果描述 |
| 玉米秸稈 | 0.5 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度大 |
| 1.5 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度大 | |
| 10 | 成型效果好，表面有分層現(xiàn)象，密實(shí)，硬度較大 | |
| 楊樹(shù)鋸末 | 0.5 | 成型效果好，表面有細(xì)小裂紋，密實(shí)，硬度大 |
| 1.5 | 成型效果好，密實(shí)，表面光滑，硬度大 | |
| 10 | 成型效果好，表面稍有分層現(xiàn)象，硬度較大 | |
| 梧桐樹(shù)葉 | 0.5 | 成型效果好，表面光滑，密實(shí)，硬度大 |
| 1.5 | 成型效果好，密實(shí)，表面光滑，硬度大 | |
| 10 | 成型效果差，表面分層現(xiàn)象明顯，硬度較大 |
在生物質(zhì)成型顆粒燃料的各種理化品質(zhì)特性中，除燃燒特性外，成型顆粒燃料的物理品質(zhì)是最重要的理化特性，它直接決定了成型顆粒燃料是否符合使用和儲(chǔ)運(yùn)要求。而松弛密度和耐久性是衡量成型塊物理品質(zhì)特性的兩個(gè)重要指標(biāo)。
2.4.1松弛密度
松弛密度是指生物質(zhì)成型后由于彈性變形和應(yīng)力松弛其成型密度逐漸減小，一段時(shí)間后密度趨于穩(wěn)定，此時(shí)成型顆粒燃料的密度即為松弛密度。松弛密度要比模內(nèi)最終壓縮密度小。它是決定成型顆粒燃料物理品質(zhì)和燃燒性能的一個(gè)重要指標(biāo)。
由以上測(cè)量數(shù)據(jù)可知，成型壓力、原料含水率及粒徑對(duì)成型顆粒燃料的松弛密度場(chǎng)均起著至關(guān)重要的作用。三種生物質(zhì)都呈現(xiàn)出松弛密度隨成型壓力的增大而增大的趨勢(shì)，說(shuō)明一定成型壓力范圍內(nèi)增大壓力會(huì)對(duì)成型材料的松弛密度產(chǎn)生促進(jìn)作用。三種生物質(zhì)均在含水率為12%的條件下產(chǎn)出了最大松弛密度的成型顆粒燃料，在8%～12%范圍內(nèi)松弛密度隨含水率增大而增大，在12%～17%范圍內(nèi)松弛密度隨含水率增大而減小。這一現(xiàn)象說(shuō)明了含水率過(guò)大，成型過(guò)程中原料中的水分被快速汽化，造成燃料棒出模時(shí)漲裂，表面粗糙，無(wú)法成型，即使成型了，由于成型質(zhì)量不好，松弛密度低，也會(huì)增加包裝和運(yùn)輸成本，在使用過(guò)程中造成不便，影響生物質(zhì)成型顆粒燃料的使用。
表5 不同壓力下三種生物質(zhì)成型顆粒燃料松弛密度
| 壓力/MPa | 玉米秸稈松弛密度/（g·cm-3） | 楊樹(shù)鋸末松弛密度/（g·cm-3） | 梧桐樹(shù)葉松弛米醋/（g·cm-3） |
| 10 | 0.44 | 0.47 | 0.46 |
| 25 | 0.59 | 0.58 | 0.62 |
| 50 | 0.71 | 0.65 | 0.74 |
| 含水率/% | 玉米秸稈松弛密度/（g·cm-3） | 楊樹(shù)鋸末松弛密度/（g·cm-3） | 梧桐樹(shù)葉松弛米醋/（g·cm-3） |
| 8 | 0.59 | 0.58 | 0.62 |
| 12 | 0.65 | 0.62 | 0.67 |
| 17 | 0.54 | 0.43 | 0.67 |
| 粒徑/% | 玉米秸稈松弛密度/（g·cm-3） | 楊樹(shù)鋸末松弛密度/（g·cm-3） | 梧桐樹(shù)葉松弛米醋/（g·cm-3） |
| 0.5 | 0.46 | 0.58 | 0.46 |
| 1.5 | 0.59 | 0.58 | 0.62 |
| 10 | 0.74 | 0.53 | 0.74 |
耐久性常用抗跌碎性和抗?jié)B水性指標(biāo)來(lái)描述。抗跌碎性是指成型顆粒燃料在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中承受一定跌落和碰撞時(shí)的抗破碎能力。生物質(zhì)成型顆粒燃料的耐久性直接影響生物質(zhì)成型顆粒燃料的儲(chǔ)運(yùn)性能。
表8 不同壓力下三種生物質(zhì)的耐久性
| 壓力/MPa | 玉米秸稈 | 楊樹(shù)鋸末 | 梧桐樹(shù)葉 | |||
| 抗跌摔性/% | 抗?jié)B水性/h | 抗跌摔性/% | 抗?jié)B水性/h | 抗跌摔性/% | 抗?jié)B水性/h | |
| 10 | 55.34 | - | 50.36 | - | 60.15 | - |
| 25 | 87.45 | 7 | 85.67 | 6 | 83.20 | 5 |
| 50 | 95.16 | 10 | 94.32 | 10 | 94.78 | 10 |
| 含水率/% | 玉米秸稈 | 楊樹(shù)鋸末 | 梧桐樹(shù)葉 | |||
| 抗跌摔性/% | 抗?jié)B水性/h | 抗跌摔性/% | 抗?jié)B水性/h | 抗跌摔性/% | 抗?jié)B水性/h | |
| 8 | 87.45 | 7 | 85.67 | 7 | 83.20 | 6 |
| 12 | 95.37 | 10 | 93.62 | 9 | 82.98 | 5 |
| 17 | 76.47 | 1 | 45.34 | - | 63.75 | 1 |
| 粒徑/% | 玉米秸稈 | 楊樹(shù)鋸末 | 梧桐樹(shù)葉 | |||
| 抗跌摔性/% | 抗?jié)B水性/h | 抗跌摔性/% | 抗?jié)B水性/h | 抗跌摔性/% | 抗?jié)B水性/h | |
| 0.5 | 84.83 | 6 | 74.82 | 5 | 87.42 | 7 |
| 1.5 | 96.93 | 11 | 96.78 | 11 | 95.40 | 10 |
| 10 | 75.89 | 5 | 84.96 | 7 | 68.41 | 4 |
3、結(jié)論
(1)三種生物質(zhì)的揮發(fā)分均較高而固定碳含量較低，發(fā)熱量均高于二類煙煤標(biāo)準(zhǔn)，表明生物質(zhì)的燃燒利用價(jià)值很大。
(2)成型過(guò)程中成型壓力、原料含水率及粒徑是影響成型顆粒燃料松弛密度及耐久性的主要因素。
(3)松弛密度、抗跌碎性和抗?jié)B水性都隨成型壓力增大而增大。常溫下的生物質(zhì)成型工藝存在最低成型壓力，在10MPa左右。壓力在25 MPa以上成型效果比較好，但成型壓力過(guò)大，成型顆粒燃料物過(guò)于緊實(shí)，反而能耗會(huì)迅速增大，不利燃燒。
(4)原料含水率大小對(duì)松弛密度和抗?jié)B水性的影響很顯著，原料含水率也是關(guān)系到生物質(zhì)能否成型的重要因素之一。含水率太高或太低都不能使得生物質(zhì)壓縮成較為理想的成型顆粒燃料。實(shí)驗(yàn)表明含水率在8%～12%范圍內(nèi)，無(wú)論是對(duì)燃料的松弛密度還是耐久性均是非常有利的。
(5)原料粒徑增大，抗?jié)B水時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng)，但燃料表面會(huì)變得粗糙，中間會(huì)出現(xiàn)裂縫，松弛密度降低，不利成型。
(6)粒徑為1.5mm的生物質(zhì)原料在25 MPa，含水率在8%~12%范圍內(nèi)，玉米秸桿、楊樹(shù)鋸末、梧桐樹(shù)葉三種生物質(zhì)材料成型效果最好。
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