關(guān)鍵詞：玉米秸稈；生物質(zhì)能；顆粒燃料；可再生能源
0、引言
我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源十分豐富。目前我國(guó)農(nóng)作物秸稈年總產(chǎn)量約7億t，是豐富的生物質(zhì)能資源，但由于技術(shù)和意識(shí)的缺乏，大量農(nóng)作物秸稈未能充分利用，有的露天燃燒，有的直接排入自然環(huán)境，不僅造成了巨大的資源浪費(fèi)，而且導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染和生態(tài)平衡的破壞。利用各種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)將其轉(zhuǎn)化成高效、潔凈、高品位的能源及其他有益的資源，不僅可以提高我國(guó)的能源儲(chǔ)備，有利于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，還可以減少環(huán)境污染，因此具有重要戰(zhàn)略意義。
生物質(zhì)作為能源利用已有相當(dāng)長(zhǎng)的歷史，而顆粒燃料始于20世紀(jì)70年代的美國(guó)和加拿大，90年代初發(fā)展于歐洲。尤其是瑞典、丹麥和奧地利對(duì)生物質(zhì)能的開發(fā)利用最普遍。1996年瑞典議會(huì)通過(guò)議案逐步淘汰核電，而以生物質(zhì)顆粒燃料發(fā)電替代，其2001年生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)值達(dá)7 000萬(wàn)歐元。現(xiàn)在很多國(guó)家致力于生物質(zhì)能的開發(fā)利用，歐洲各國(guó)都在商討如何加大力度利用生物質(zhì)顆粒燃料，顆粒燃料是一種最具潛力的替代固體燃料用于供暖和發(fā)電的新興能源，秸稈顆粒機(jī)壓制的玉米秸稈顆粒燃料和小麥秸稈顆粒燃料如下所示：
1、原料
此次試驗(yàn)采用玉米秸稈為原料，因?yàn)橛衩捉斩捲谖覈?guó)產(chǎn)量大、分布廣，具有普遍性。玉米秸稈的生物質(zhì)成分見(jiàn)表1。玉米秸稈發(fā)熱量是15.55kj/g。表1 玉米秸稈生物質(zhì)成分 %
| 水分 | 灰分 | 揮發(fā)份 | 固定碳 | 氫 | 碳 | 硫 | 氮 | 磷 | 鉀 |
| 4.87 | 5.93 | 71.45 | 17.75 | 5.45 | 42.17 | 0.12 | 0.74 | 2.60 | 13.8 |
2.1顆粒燃料成型機(jī)理
構(gòu)成生物質(zhì)的主要物質(zhì)形態(tài)為不同粒徑的粒子，粒子在壓縮過(guò)程中表現(xiàn)出的充填特性、流動(dòng)特性和壓縮特性對(duì)生物質(zhì)的壓縮成型有很大的影響。通常生物質(zhì)壓縮成型分為兩個(gè)階段。第一階段，在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質(zhì)顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)開始改變，生物質(zhì)內(nèi)部空隙率減少。第二階段，當(dāng)壓力逐漸增大時(shí)，生物質(zhì)大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細(xì)小的粒子，并發(fā)生變形或塑性流動(dòng)，粒子開始充填空隙，粒子間更加緊密地接觸而互相嚙合，一部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，使粒子間結(jié)合更牢固。壓力、含水率及粒徑是影響粒子在壓縮過(guò)程中發(fā)生變化的主要因素。
2.2顆粒機(jī)工作機(jī)理
顆粒機(jī)是用來(lái)生產(chǎn)顆粒燃料的主要設(shè)備，靠壓輥和環(huán)模對(duì)原料進(jìn)行擠壓來(lái)生產(chǎn)顆粒燃料。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)模旋轉(zhuǎn)，由進(jìn)入環(huán)模上的物料帶動(dòng)壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)物料被強(qiáng)制喂料器送人工作區(qū)內(nèi)時(shí)，隨著模和輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，壓輥前的物料被擠入壓縮區(qū)。物料在壓縮區(qū)被擠壓，物料之間的空隙急速縮小，物料內(nèi)部壓力及密度增大，物料的彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形，達(dá)到一定密度的物料被壓入模孔，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間保壓，擠出模孔外，形成顆粒，如圖2所示。
3、工藝流程與設(shè)備
3.1試驗(yàn)設(shè)備
遼寧省能源研究所研制的生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備系統(tǒng)，由上料部分、制粒部分、冷卻部分、成品包裝和除塵部分組成。結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行穩(wěn)定。
4、結(jié)果與分析
4.1玉米秸稈在不同壓縮比環(huán)模中成型分析
玉米秸稈的成型隨著環(huán)模壓縮比的加大，顆粒密度增大，能耗增加，產(chǎn)量提高，當(dāng)達(dá)到一定壓縮比時(shí)，成型顆粒的密度增加較小，能耗相應(yīng)增加，而產(chǎn)量卻有所下降，如圖4和表2。
表2 玉米秸稈在不同環(huán)模壓縮比中成型的測(cè)試及計(jì)算結(jié)果
| 壓縮比 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 |
| 密度/kg·m-3 | 0.92 | 1.08 | 1.200 | 1.22 | 1.21 |
| 產(chǎn)量/kg·h-1 | 500 | 780 | 900 | 810 | 650 |
| 能耗/kwh·t-1 | 64.00 | 46.15 | 46.67 | 54.32 | 72.31 |
同一種原料在不同壓縮比環(huán)模中成型，顆粒燃料的密度隨壓縮比增大而逐漸增大，并在一定壓縮比范圍內(nèi)密度保持相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)壓縮比增大到一定程度時(shí)，原料會(huì)因?yàn)閴毫^(guò)大造成出料不暢而不能成型。
根據(jù)這一理論依據(jù)，對(duì)于同一種物料，為獲得較大的顆粒密度，應(yīng)設(shè)計(jì)采用較大的環(huán)模壓縮比。
因而用玉米秸稈作原料進(jìn)行顆粒燃料的生產(chǎn)，采用壓縮比為4.5的環(huán)模即可滿足顆粒燃料的質(zhì)量要求，同時(shí)保證設(shè)備系統(tǒng)能耗相對(duì)較低。
4.2玉米秸稈在相同環(huán)模中不同粒度成型分析
由表3可看出，隨著玉米秸稈原料粒度的增大，成型顆粒密度逐漸減小，當(dāng)原料粒度大于10mm時(shí)成型效果極差，甚至不成型，但原料粒度太小也會(huì)影響顆粒密度。
表3 原料在不同粒度范圍內(nèi)成型顆粒燃料測(cè)試結(jié)果
| 粒度范圍/mm | 0～1 | 1～5 | 5～10 | 10以上 |
| 密度/kg·m-3 | 1.15 | 1.23 | 1.02 | 0.80 |
因而，玉米秸稈這一類生物質(zhì)作原料進(jìn)行顆粒燃料的生產(chǎn)，粒度范圍保持在0～5mm較為適宜，最佳為1～5mm。
4.3不同水分玉米秸稈在相同環(huán)模中成型情況
選擇壓縮比4.5的環(huán)模研究原料含水率與顆粒密度的關(guān)系，可看出隨著原料含水率的增加，成型顆粒燃料的密度隨之增大，當(dāng)達(dá)到一定的適宜含水率范圍內(nèi)時(shí)，顆粒燃料的密度達(dá)到最大并保持相對(duì)穩(wěn)定，當(dāng)原料的含水率增加到一定程度后，顆料燃料的密度開始下降，最終導(dǎo)致不成型。
在生物機(jī)體內(nèi)存在的適量結(jié)合水和自由水是一種潤(rùn)滑劑，使粒子間的內(nèi)摩擦變小，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而促進(jìn)粒子在壓力作用下滑動(dòng)而嵌合。當(dāng)生物質(zhì)原料的含水量過(guò)低時(shí)，粒子得不到充分延展，與四周的粒子結(jié)合不夠緊密，所以不能成型；當(dāng)含水率過(guò)高時(shí)，粒子盡管在垂直于最大主應(yīng)力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合，但由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型。
因此，玉米秸稈這類生物質(zhì)作原料進(jìn)行顆粒燃料的生產(chǎn)，原料的含水率范圍保持在12%～18%的范圍內(nèi)較為適宜，最佳含水率為15%。
4、結(jié)論
研究結(jié)果表明，利用玉米秸稈擠出生物質(zhì)顆粒燃料是可行的，在壓縮比為4.5的環(huán)模，玉米秸稈粒度范圍保持在1～5mm，含水率保持在12%～18%的范圍內(nèi)時(shí)效果最好，這時(shí)顆粒密度、產(chǎn)量最大且能耗較小。同時(shí)，對(duì)玉米秸稈擠出生物質(zhì)顆粒燃料的成型機(jī)理也進(jìn)行了研究，確定了合適的設(shè)備系統(tǒng)，并研究了生物質(zhì)顆粒燃料成型的變化規(guī)律，為下一步大規(guī)模利用玉米秸稈生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料奠定了基礎(chǔ)。
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