原料含水率对生物质固体燃料成型效果的影响

张 静，郭玉明，贠慧星

（山西农业大学工学院，山西太谷 030801）

生物质能源是仅次于石油、煤炭和天然气的世界第4大能源，具有可再生和环境友好的双重属性，其发展对社会经济可持续发展具有重要意义[1]。农业和林业是发展生物质能源的基础产业，为生物质能源发展提供物质保障，而生物质能源的开发、利用，则为农林业提供新的发展空间和发展模式，是兼顾能源建设和生态建设的最佳结合点[2]。目前，关于生物质能的利用途径主要有直接燃烧、压缩成型、炭化技术、气化技术、热裂解液化技术等。生物质致密成型技术是近年来兴起的一种新型生物质能利用方法，正逐渐引起人们的重视。

生物质致密成型技术是将各种生物质资源，包括木材的锯末、刨花、木粉和农作物的秸秆、稻壳等农林废弃物，通过机械加压、加热，将原来松散的原料压缩成具有一定形状和强度、密度较大的成型燃料的技术[3]。由于生物质原料的高含水率、不规则的形状和尺寸、低容积密度，使其很难加工、运输、储藏和利用。将这些生物质原料加工成粒状、块状或立方体后，其密度得到大幅度提高，减少了运输、储藏的成本。因为有了统一的形状和尺寸，这些固体燃料的贮藏就可以很容易使用标准设施来进行处理[4]。

各种生物质原料在成型加工时，因各自物理特性不同、加工工艺参数不同、加工设备匹配动力不同，各种设备应有针对性地设计为宜，否则成型困难，并导致设备工作状态不稳定，燃料成型效果不佳。因此，研究其成型效果的影响因素，分析成型过程中物理特性的变化，为各种生物质原料的成型前处理条件的确定提供参考是很必要的。

影响生物质压缩成型的因素非常复杂，早期主要研究的是压力与密度的关系，而忽视了其他因素的影响。这些因素主要包括原料含水率、颗粒度以及成型设备的各参数等。国内外学者对各因素的最优选择无法实现统一，主要是因为压缩条件、压缩方式、压缩对象等还有较大的差异[5]。其中，原料的含水率在生物质压缩成型过程中是一个重要影响因素，合适的含水率可以使压缩成型的效果达到最佳，其过大或者过小都会对成型造成不利的影响。

1 含水率对生物质压缩成型过程的影响

水分在成型中起到了黏结剂和润滑剂的作用[4]。生物质体内的水分作为一种必不可少的自由基，流动于生物质颗粒间，在压力作用下，与果胶质或糖类混合形成胶体，起黏结剂的作用[6]。同时，适量存在的结合水和自由水，使粒子间的内摩擦变小，流动性增强，从而促进粒子在压力作用下滑动而嵌合，具有润滑剂的作用[7]。

1.1 过低含水率的影响

当生物质原料的含水率过低时，粒子得不到充分延展，与四周粒子结合不够紧密，不能成型。例如秸秆原料，若含水率过低，微量水分在高温下汽化，这将有利于热流的快速传导与均匀分布，从而使木质素软化点降低，导致成型困难[6]。姜洋等[7]在研究玉米秸秆和芦苇的颗粒燃料成型加工时发现，原料含水率保持在12%～18%之间较为适宜，最佳含水率为15%。成型颗粒燃料的密度与原料含水率成正比，在适宜的含水率范围内，颗粒燃料的密度达到最大，并保持相对稳定；当含水率增加到一定程度后，颗料燃料的密度开始下降，最终导致无法成型。

过低含水率的原料生产的生物质成型燃料容易吸湿空气中的水分，导致生物质成型燃料胀裂变形、松弛，密度变小。

1.2 过高含水率的影响

若原料的含水率较高，粒子尽管在垂直于最大主应力方向上能够充分延展，粒子间能够啮合，但由于原料中较多的水分被挤出后，分布于粒子层之间，使得粒子层间不能紧密贴合，因而不能成型[6]。而且，过多的水蒸气使分子间距离增大，影响热量传导，降低成型温度，使原料中的木质素难以熔融，粗纤维不易软化，导致黏结力下降，因此，在原料含水率较高时，成型过程中所需的加热温度要提高。在生物质压缩过程中，由于在成型锥套和保型筒内的成型燃料承受着锥套和保型筒对其施加的径向力，这将产生摩擦力并消耗一定的能量。过高的含水率，会增加成型块所受的径向力，这也增加了电耗。同时，成型机预热原料的一部分热量消耗在多余的水分上，被蒸发的水分很快汽化，蒸汽不能及时从成型筒排出，导致体积膨胀，占据空间增大，容易形成气堵，且在成型筒内纵向形成很大蒸汽压力，轻者造成生物质成型燃料出模开裂，表面粗糙；严重时，使物料快速喷出成型筒，产生放炮现象，不能成型，还会给周围环境造成损害，甚至影响人身安全[7]。在成型燃料挤压出成型套筒后，由于生物质成型燃料内部高压水蒸气而胀裂散开，会影响后续的包装和运输以及成型燃料的成型特性[8]。

2 含水率对固体燃料物理特性的影响

在生物质成型燃料的各种品质特性中，除燃烧特性外，成型块的物理特性最重要，它直接决定了成型块的使用要求、运输要求和贮藏条件。而松弛密度和耐久性是衡量成型块物理特性的2个重要指标。生物质成型块在出模后，由于弹性变形和应力松弛，其压缩密度逐渐减小，一定时间后密度趋于稳定，此时成型块的密度称为松弛密度。耐久性反映了成型块的黏结性能，它是由成型块的压缩条件及松弛密度决定的。耐久性作为表示成型块品质的一个重要特性，主要体现在成型块的不同使用性能和贮藏性能方面，而仅仅通过单一的松弛密度值无法全面、直接地反映出成型块在使用要求方面的差异性，因此，耐久性又具体细化为抗变形性、抗跌碎性、抗滚碎性、抗渗水性和抗吸湿性等指标[9]。

2.1 含水率对固体燃料耐磨性的影响

Reece[10]发现，苜蓿草含水率在10%～23%之间可加工成耐磨性为80%～90%的薄片；含水率为25%时，压缩成型很难完成。Smith等[11]发现，麦秸的含水率从10%上升到15%后，其压块耐磨性可由73%增加到81%。Turner[12]指出，当原料含水率为16%～18%时，制粒机的模具容易堵塞。在造粒时，高纤维原料在调节室内不能吸收水分，所以水分保留在颗粒表面，造成颗粒间过度润滑，导致颗粒中心挤压快于表面，因此，形成了“圣诞树”形的颗粒，这将减少其耐磨性。O'Dogherty等[13]发现，原始含水率为10%～20%的麦秸压缩成直径为50 mm的薄片，其耐磨性约为97%；若将原始含水率由20%增加到35%，耐磨性将由97%下降到85%。有研究发现，玉米秸秆的含水率由10%提高到15%，其压块的耐磨性可由62%提高到84%。

2.2 含水率对固体燃料其他物理特性的影响

Al-Widyan等[14]发现，若将橄榄的原始含水率由20%增加到35%，则其压块的抗冲击性将由20%增加到100%。Koser等[15]发现，当水葫芦的含水率为8%～12%时，可达到最佳的压块质量，太干（＜8%）或太湿（＞20%）都不能成型，因为压块有非常高的再膨胀性。谢启强[6]通过对芒草、木屑、稻草和稻壳的热压成型研究发现，原料的含水率对成型燃料的抗跌碎性影响较小，而对成型燃料的抗渗水性影响显著。一般含水率控制为5.5%～12%，可以保证成型燃料合格的松弛密度和耐久性。攀峰鸣[8]指出，原料的含水率较高时，由于传热系数增大，分子间力减小，空隙增多，黏结不牢，从而使松弛密度降低。

Li等[16]指出，高品质的木材可在6%～12%的原始水分下被加工为燃料，然而，最佳含水率大约为8%。Obernberger等[17]指出，原料含水率只要在8.0%～12%之间，就能生产出高品质的颗粒，含水率过高或过低都会降低颗粒的品质。表1中列出了一些常见生物质原料加工时合理的含水率范围，为不同原料的致密成型加工前处理条件的确定提供参考。表1所列各原料的最佳含水率范围若与其他文献中有差异，是由于该种燃料加工的成型方式、衡量标准（大多为耐磨强度或松弛密度）等因素不同造成的。

表1 常见生物质原料加工时合理的含水率范围

3 结论

生物质致密成型的效果是多因素综合影响的结果，但含水率却是成型中的一个重要影响因素。原料含水率的高低关系到生物质能否被压缩为成型燃料，对成型燃料的松弛密度影响显著，含水率太高或太低都不能得到松弛密度较为理想的成型燃料。研究表明，谷物类原料在加工时，最适宜的含水率应在11%～12%之间[21]，而林木类原料的最佳含水率为8%左右。各种原料的含水量范围存在较大差别，这是因为原料特性及加工处理方式有较大差异。目前，国内外学者研究较多的是农业废弃物的成型影响因素，而对林业废弃物固体燃料成型的研究极少，以后应加强这方面的研究力度。

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