生物质棒状成型燃料的物理特性研究

杨 华，刘石彩，赵佳平，陈庄星

（1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所 a.生物质化学利用国家工程实验室；b.国家林业局林产化学工程开发实验室；c.江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏 南京210042；2.泰宁县杉阳山区综合开发有限责任公司，福建 泰宁 354400）

生物质棒状成型燃料的物理特性研究

杨 华1a,1b,1c，刘石彩1a,1b,1c，赵佳平1a,1b,1c，陈庄星2

（1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所 a.生物质化学利用国家工程实验室；b.国家林业局林产化学工程开发实验室；c.江苏省生物质能源与材料重点实验室，江苏 南京210042；2.泰宁县杉阳山区综合开发有限责任公司，福建 泰宁 354400）

利用木屑、竹屑及玉米秸秆等生物质原料，采用棒状成型机将原料压缩为棒状成型燃料。试验测定了成型燃料的松弛密度、抗跌碎性、抗渗水性和吸湿性等物理特性参数。结果表明：生物质原料纤维排列形态对成型燃料的密度有影响，原料纤维形态结构排列整齐与零散结构相比，成型后成型燃料的密实度更好。生物质原料固定碳含量影响成型后成型燃料的表面颜色，固定碳含量低的生物质原料，成型后成型燃料的表面颜色较深。试验结果也表明了原料纤维形态和原料特性对成型燃料的抗跌碎性、抗渗水性及吸湿性均有重要影响。

生物质燃料； 棒状成型燃料；松弛密度； 抗跌碎性； 抗渗水性；吸湿性

我国是一个农业大国，生物质能资源十分丰富[1]，仅农作物秸秆折合7×108t左右，而目前年实际使用量仅为2.2×108t左右。因此，我国的生物质资源的利用还有很大的开发潜力。生物质能在我国商业用能结构所占的比例极小。植物约有一半弃于荒野未能利用甚至焚烧，不但利用水平低，造成资源的严重浪费，且污染环境。所以充分合理开发使用生物质能，改善我国的能源利用环境和人类的生态环境，加大生物质能源的高品位利用具有重要的意义。

木质压缩成型燃料是将木质类的木屑、树叶、稻草等，在一定粒度和含水率的条件下，然后在500～2 000 kg/cm2和150～300 ℃高温、高压条件下，或不加热加粘结剂条件下，压缩成棒状、粒状或块状等其它形状且具有一定密实度的成型物。广泛应用于工业锅炉、民用炉灶等场合，还可进一步加工成型木炭和活性炭。由于成型燃料的比重大（约1.2），便于贮存和运输，含水率低（8%以下），含挥发物高（75%以上），含灰分低（一般小于5%），热值高，着火容易，使用方便，完全燃烧时几乎不产生SO2，因此不会造成环境污染，故亦称为“清洁燃料”。当使用于1 t以下小型锅炉燃烧时，不需要改造锅炉即可直接使用。也可作为气化炉的燃料，成型燃料堪称一种理想能源[2-7]，有着广阔的市场开发前景。

本研究利用农林加工剩余物木屑、竹屑及玉米秸秆等生物质原料，采用棒状成型机，把原料压缩成棒状成型燃料。试验研究成型燃料的物理性质，主要包括密度、跌碎性、渗水性、吸湿性及热值，旨在为农林加工剩余物的高效利用提供技术参考。

1 材料与方法

1.1 原料制备

植物细胞中的木质素是具有芳香族特性、结构原体为苯丙烷型立体结构的高分子化合物，在170～250 ℃的温度下会软化、液化，此时施以一定的压力，可使其与纤维素紧密粘接，并与相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型，不需要任何添加剂、粘接剂，大大降低了加工成本。

该工艺首先要将玉米秸秆，竹屑、木屑等生物质原料粉碎成直经小于4 mm的颗粒，再采用气流式干燥法进行干燥。干燥后（含水量小于10%）由旋风分离器排出，再经螺杆挤捧机挤压成型，在适宜的温度下即可得到表面光滑、无明显裂纹、直径为30 mm的成型棒。

1.2 仪器设备

游标卡尺（精度0.01 mm）、天平（精度0.001 g）、台秤（感量0.1 g）、3 mm的圆孔筛、电热鼓风干燥箱、干燥器、万能粉碎机、棒状成型机（成型孔直径为30 mm）、S-3400扫描电镜（日本东芝公司）、刀片、镊子。

1.3 实验方法

棒状成型燃料成型工艺流程如下：

原料→破碎→清洁处理→细粉碎→干燥→调节原料含水率→棒状成型机成型→筛选→冷却→密封储存→性能检测。

本次试验是利用棒状成型机，在相同的成型温度及压力下，制得不同原料的生物质成型燃料，然后对它们进行物理特性等方面的试验研究。

1.4 棒状成型燃料的物理特性测试方法[8]

1.4.1 棒状成型燃料松弛密度

在成型后的燃料冷却2 h后，从中随机选取10个样品，用游标卡尺测其长度l和直径d，并称其质量m，棒状成型燃料的松弛密度ρ按公式计算，最后取其平均值。公式如下：

1.4.2 棒状成型燃料的跌碎性

称取一定质量m（约500 g）的成型燃料放入塑料袋中，将其置于2 m高处后落在水泥地上，共落下2次，称量碎料质量m0。跌碎率v是燃料碎屑与原质量的百分比。公式如下：

1.4.3 棒状成型燃料的吸水性

制备成型燃料长度尺寸为10 cm，两端光滑，称其质量m1将其放入盛有蒸馏水的容器中，浸没5 s之后取出，拭去表面覆水之后，称量质量m2。计算燃料的吸水率v1。公式如下：

1.4.4 棒状成型燃料的吸湿性

成型燃料在不同时间段的吸湿率计算公式如下：

式（4）中： Δm为不同时间段内颗粒燃料的质量差g； m1为颗粒燃料吸湿前的质量g；v2为颗粒燃料不同时间段的吸湿率%。

2 结果与分析

2.1 棒状成型燃料原料的工业分析

3种成型燃料原料的工业分析与元素分析见表1。

表1 原料的工业分析与元素分析Table 1 Industrial analysis and elemental analysis for raw materials

试验选定的3种代表性生物质原料中，木屑和竹屑的固定炭含量接近，玉米秸秆的固定炭量较低，相应地其灰分含量较高。3种原料的硫含量同煤相比均很低，为0.4%左右（煤平均硫含量为2%左右）。

2.2 棒状成型燃料原料的扫描电镜分析

图1是3种棒状成型燃料原料的扫描电镜照片，其中a为木屑放大1 000倍的表面形貌，b和c分别是竹屑和玉米秸秆（直经小于4 mm）放大1 000倍的表面形貌。从图1可以看出，木屑和竹屑表面的骨架结构比较明显，其中竹屑结构排列更加整齐。玉米秸秆的表面比较杂乱，呈片状零散结构。

图1 成型燃料原料的扫描电镜照片Fig.1 SEM images of raw materials of rod-shaped molding fuel

2.3 棒状成型燃料密度

生物质原料经压缩成型后，其体积变小，比重和密度增大。燃烧时，燃烧炉的升温速率和降温速率与成型燃料的比重成反比。比重较大的成型燃料升温速率和降温速率偏低，燃烧时间延长，热解挥发份的逸出时间增加，炭的气化和燃烧热也可充分利用，燃烧炉的热效率提高。成型燃料的松弛密度是影响燃料物理性能和燃烧性能的重要因素[9]。

棒状成型燃料松弛密度及成型效果如下表2。

表2 棒状成型燃料密度的实验数据Table 2 Experimental data of density of rod-shaped molding fuel

由表1所显示，所测3种生物质原料棒状成型燃料的密度都大于1.1 g/cm3，木屑和竹屑成型的棒状燃料密度接近，玉米秸秆成型燃料的密度略小。成型过程中，玉米秸秆成型燃料颜色略深，估计跟玉米秸秆的固定碳含量偏低有关，当生物质原料固定碳含量较低时，成型时表面热解反应较剧烈，表面炭化现象较严重，使成型物表面颜色变深。生物质原料纤维排列形态对成型燃料的密度有影响。从图1可以看出，木屑和竹屑表面的骨架结构比较明显，其中竹屑结构排列更加整齐，因此，竹屑成型燃料密实度最好，密度最大。而玉米秸秆原料的表面比较杂乱，呈片状零散结构，玉米秸秆成型燃料最小。纤维形态对生物质成型燃料的成型效果产生很大的影响。生物质原料的纤维排列是无规则的，在成型过程中由于受挤压作用，纤维间孔隙变小，因而容积减小，使成型燃料的密度要高于一般木材。

2.4 棒状成型燃料耐久性

生物质成型燃料的耐久性是评价生物质成型燃料品质的重要性能指标，一般包括生物质成型燃料的抗跌碎性、抗变形性、抗吸水性、抗渗水性和抗吸湿性等几个指标[10]。其中跌碎性、吸水性、渗水性和吸湿性是反映生物质成型燃料耐久性的最重要的指标，影响生物质成型燃料的包装、运输及储存性能，可以通过抽样试验判断生物质成型燃料的耐久性是否满足包装、运输及储存性能的要求。

2.4.1 棒状成型燃料的跌碎性和吸水性

本实验对3种常见生物质原料成型燃料的跌碎性和吸水性进行试验，实验结果如表3。

表3 颗粒燃料的跌碎率和吸水率实验数据Table 3 Experimental data of shatter rate and water absorption of granular fuels

当纤维排列形态由整齐变零乱时，内部结合力发生变化，纤维间由相互缠绕贴合的形式结合占主导变为由分子间引力、静电力为主导地位。由表2可知，纤维形态相似的竹屑棒状燃料和木屑棒状燃料的跌碎率都较小，但纤维排列零乱的玉米秸秆棒状燃料抗跌碎性较差。

成型燃料的吸水率与纤维形状也有密切关系。纤维比表面积大，成型燃料容易吸水；相反，由于纤维比表面积变小，纤维间空隙易于充填，可压缩性变大，使得成型燃料内部残存的内应力变小，从而削弱了成型燃料的亲水性，提高了抗吸水性。本次试验，竹屑棒状燃料和木屑棒状燃料的纤维形态差异不大，所测吸水率差异也不大。

2.4.2 棒状成型燃料的渗水性

检测检测3种生物质原料棒状成型燃料的渗水情况，如下表4。

表4 不同原料的成型燃料渗水情况Table 4 Experimental data of water permeability of different raw materials

由表3可知，原料不同，则燃料的渗水情况不同。刚放入水中全都沉入水中，都会伴有气泡出现，燃料吸水大多从端部开始。开始浸水初期玉米秸秆棒状燃料体积膨胀大，吸水速率最快；木屑棒状燃料的表面质量最好，玉米秸秆棒状燃料表面质量最差，从表3可见，玉米秸秆棒状燃料的抗渗水性最差，木屑棒状燃料同竹屑棒状燃料相比，抗渗水性略好，可见棒状燃料的表面质量对其抗渗水性有重要影响。3种颗粒燃料浸泡8 h后，都已经完全胀大，但木屑棒状燃料和竹屑棒状燃料仍可保持其形状，而玉米秸秆燃料浸水8 h后，其燃料全部散开，其抗渗水性较差。

2.4.3 棒状成型燃料的吸湿性

实验测定3种原料棒状成型燃料在温度为20 ℃，湿度为80%的环境下的吸湿情况，实验数据如表5。

表5 棒状成型燃料不同时间段的吸湿率Table 5 Experimental data of hygroscopicity of rodshaped molding fuel in different time periods

成型燃料的吸湿性与纤维形态有密切关系，原料的纤维形态排列凌乱，比表面积大，燃料容易吸湿回潮；与之相反，原料的纤维形态排列整齐，比表面积小，纤维间空隙易于充填，从而削弱了成型燃料的亲水性，提高了抗吸湿性。由表4可得，3种燃料在72 h后达到质量平衡。成型燃料在吸湿环境中，刚开始时，燃料的吸湿速率大，且都随时间的延长吸湿速率逐渐变小。成型燃料在吸湿24 h之后，其质量变化都不太明显。其中，竹屑棒状燃料的吸湿率最小，其抗吸湿性最好。

3 结 论

（1）生物质原料纤维排列形态对成型燃料的密度有影响。原料纤维形态结构排列整齐与零散结构相比，成型后成型燃料的密实度更好。生物质原料固定碳含量影响成型后成型燃料的表面颜色，固定碳含量低的生物质原料，成型后成型燃料的表面颜色较深。

（2）原料纤维形态和原料特性对成型燃料抗跌碎性有重要影响。纤维形态相似的竹屑棒状燃料和木屑棒状燃料的跌碎率都较小，但纤维排列零乱的玉米秸秆棒状燃料抗跌碎性较差。

（3）棒状燃料的表面质量对其抗渗水性有重要影响。棒状燃料的表面质量好，则其抗渗水性也更好一些。

（4）成型燃料的吸湿性与纤维形态有密切关系，原料的纤维形态排列凌乱，比表面积大，燃料容易吸湿回潮；与之相反，原料的纤维形态排列整齐，比表面积小，纤维间空隙易于充填，从而削弱了成型燃料的亲水性，提高了抗吸湿性。实验选用的3种常见的生物质原料，以竹屑棒状燃料的吸湿率最小，其抗吸湿性最好。

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Study on physical properties of biomass rod-shaped molding fuel

YANG Hua1a,1b,1c, LIU Shi-cai1a,1b,1c, ZHAO Jia-ping1a,1b,1c, CHEN Zhuang-xing2
(1a. Institute of Chemical Industry of Forest Products, National Engineering Lab. For Biomass Chemical Utilization, CAF; 1b. Key and Open Lab. of Forest Chemical Engineering, SFA; 1c. Jiangsu Provincial Key Lab. of Biomass Energy Sources and Materials, Nanjing 210042, Jiangsu, China; 2. Shanyang Mountain-area Developing Company Ltd., Taining 354400, Fujian, China)

Biomass materials including wood, bamboo shavings and corn stalk, etc. were compressed into rod-shaped molding fuel by rod-shaped molding machine. The physical properties of rod-shaped molding fuel, such as relax density, shatter resistance, water resistance and hygroscopicity, were determined. The results indicated that the fiber arrangement form of used biomass materials had influences on the density of rod-shaped fuel, and the materials of neatly arranged fiber morphological structure formed better compactness rod-shaped fuel after molded compared with that of loose structure; The surface color of rod-shaped fuel was affected by fi xed carbon content of biomass materials, the less fi xed carbon content in biomass materials, the deeper the surface color of the rodshaped fuel was; It is concluded that the fi ber morphology and materials properties had important affections on shatter resistance, water resistance and hygroscopicity of the rod-shaped fuel.

biomass fuel; rod-shaped molding fuel; relaxation density; shatter resistance; water resistance; hygroscopicity

S781.46

A

1673-923X(2015)02-0114-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.022

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-03-18

农业科技成果转化资金项目（2012GB24320583）；国家科技支撑计划项目（2012BAD30B03）

杨 华，硕士研究生 通讯作者：刘石彩，研究员，硕士；E-mail：lschicai@sina.com

杨 华，刘石彩，陈庄星. 生物质棒状成型燃料的物理特性研究[J].中南林业科技大学学报，2015,35(2):114-118.

[本文编校：文凤鸣]