玉米秸秆混污泥成型燃料特性研究

鄢雨朦，许雯雯，李延鼎，张艺腾，滕海阔，周立岱

(辽宁工业大学 化学与环境工程学院，辽宁 锦州 121000)

1 研究背景及意义

不可再生能源泛指人类开发利用后，在现阶段不可能再生的能源资源叫“不可再生能源”。煤、石油、天然气、核能、油页岩等人们越来越依赖的不可再生能源价格飙升。据统计，地球上蕴藏可开发利用煤和石油等将可能分别在200年和40年内耗竭，天然气也只能用40年左右。

作为世界主要能源的化石能源在为人类作出巨大贡献的同时，也在严重地破坏人类的生存环境，其主要表现在：①温室效应气体的排放；②SOx和NOx等有害气体的排放，大气中SOx和NOx气体浓度的增加将会对人类的健康和经济产生直接的危害，而世界上SOx和NOx气体的来源主要在于化石燃料的燃烧；③粉尘的排放[1]。

我国是一个人口大国，又是经济增长迅速的消费国家，21世纪面临经济增长和环境保护的双重压力，随着我国能源需求不断增长及化石能源消耗带来的环境压力不断加剧，开发利用新能源和可再生能源，对于改善以煤炭为主的能源结构，缓解由能源生产和使用造成的环境问题，保障我国经济社会的可持续发展具有十分重要的意义[2]。从国内外的研究发现，改变能源生产和消费方式、开发利用生物质能等可再生清洁能源，对建立可持续发展的能源系统，促进国家经济发展和环境保护具有重大意义[3]。

2 生物质燃料成型技术及成型机理的研究现状

生物质能是一种能量巨大而且可再生的能源。在地球上，每年绿色生物量的增加约为1170亿t，相当于400亿t石油，其中800亿t分布在森林中，其余分布在草原、荒原、田野、沼泽及荒漠中[4]。法国目前每年生物质能源利用已相当于200万t石油，2005年可达1000万t[5]。瑞典更是利用生物质能源较好的国家，据瑞典国家能源局统计的资料显示，由于生物质能源的使用，矿物能源从 1970年占总能源消耗量的80%降低到1998年的33%, 1970年到1998年，使用生物能源占总能源的比例从9%增加到15%，相当于1257×106t石油，并且使用生物质能仍是快速增长的趋势[6]。全世界仍有近25亿人口用生物质作为燃料用于煮饭、取暖和照明等[7]，在发展中国家它占总能耗的35%,在我国农村所占比例更大，约为71%[8]。

但目前绝大多数国家和地区使用生物质燃料都存在热能利用效率低、耗费量大的问题。据联合国粮农组织1995年的统计表明，世界上用于作为燃料的薪炭材消耗量占木材总产量的50%，主要是消耗在占世界人口绝大多数的发展中国家。联合国粮农组织1997年根据中等经济增长预测,2010年薪炭材的年消耗量将达到2.05亿m3。而发展中国家薪炭材占总采伐量的83.4%，主要还是用于家庭炊事和取暖，燃烧灶具的热效率只有5%～10%。我国农村每年要消耗21339×106t的柴草[6]，而绝大多数是使用传统的旧式炉灶，直接燃烧干柴或农作物秸秆，浪费问题较为严重。

如何利用生物质能、提高生物质燃料的燃烧效率、减少浪费是当前世界各国都在进行的研究课题。到目前为止，开发生物质作为燃料的研究主要集中在3个方面：①将生物质原料降解为液体燃料；②将生物质原料气化成可燃气体；③加工成便于运输和贮存的一定形状燃料并提高其燃烧效率。前两种生产方法主要是通过生物降解、化学反应方式，产生氢、沼气、乙醇、合成汽油等。生产成本相对较高，并没有大量应用于生产和日常生活。而第3种方式采用致密成型技术，其成型燃料具有加工简单、成本较低、便于储存和运输、易着火、燃烧性能好、热效率高的优点，并且技术本身一方面可解决环境保护问题，另一方面又能生产代用燃料，近年来越来越受到人们的广泛重视。

本课题研究内容为玉米秸秆颗粒燃料成型、物理特性、燃烧特性。本课题中颗粒燃料的原料为当年成熟玉米秸秆，玉米秸秆作为农作物的废弃物，在每年的10月份玉米收获季节后得不到很好的利用，往往被丢弃于田头，沟渠或就地焚烧，造成了诸如堵塞排水沟渠、污染空气等后果。根据制作颗粒燃料的机器要求，含水率7%左右的玉米秸秆基本符合要求。

成型燃料的物理品质受到原料种类、原料的含水率、原料的粉碎粒度、成型压力、成型温度等众多因素的影响。在之前整理的资料和早期预备试验中发现原料长度、含水率、温度对固体颗粒状燃料有影响，本次试验中的试验因子选取不同粒径模具和温度，测其压制成颗粒燃料以后的吸水性、密度、硬度、热值等特性，确定最佳的粒径及温度。

通过查资料了解供试物料的基本物理特性，可以为高压成型机理的分析和实验研究提供必要的参数依据，首先用粉碎机将玉米秸秆粉碎，用干燥箱测其含水率，在不同温度下压制不同粒径的颗粒燃料，测颗粒燃料的密度、吸水性、灰分、硬度、热值等特性。

3 实验部分

1962年德国的Rumpf针对不同材料的压缩成型，将成型物内部的粘结力类型和粘结方式分成5类:①固体颗粒桥接或架桥；②非自由移动粘结剂作用的粘结力；③自由移动液体的表面张力和毛细压力；④粒子间的分子吸引力(范德华力或静电力)；⑤固体粒子间的充填或嵌合[9]。粉碎后的生物质由于断裂程度不同，形成了大小形状不一颗粒，大的颗粒在压力的作用下形成架桥现象。而小颗粒较高压力作用下更容易发生紧密充填，在生物质中存在的适量的水此刻作为一种作为一种润滑剂使得周围的粒子得到充分的延展，并使颗粒间的摩擦力减小，从而促进粒子的嵌合，粒子表面接触越发紧密，粒子间的分子引力、静电引力和液相附着力(毛细管力)开始发挥作用，此外生物质所含的木质素、腐殖质、树脂、蜡质等对温度敏感的固有的天然粘结剂，在致密成型过程中发挥有效的粘结作用[10]。

生物质冷致密成型过程如下:首先，较低的压力传递至粉碎的生物质原料上，使原先松散堆积的固体颗粒排列结构开始改变，内部空隙率不断减少;然后随着压力逐渐增大时，部分生物质原料在压力作用下破裂，变成更加细小的粒子，部分依然保持原状，此后发生形变和塑性流动，细小的粒子开始填充原来的空隙。粒子间更加紧密地接触而相互咬合，一部分残余应力储存于颗粒内部，是粒子之间结合更加牢固。生物质物料在受到外力作用后，原料将经历重新排列位置、机械变形、弹性变形、塑性变形阶段。非弹性或粘弹性纤维素分子之间的相互缠绕和绞合，使得物料体积缩小，密度增大[11]。

4 结果与讨论

对不同粒径模具的颗粒燃料成型特性进行了实验研究。包括对粒径为6、8、10 mm和在70 ℃、110 ℃的情况下压制颗粒燃料的特性研究，其颗粒燃料特性包括密度、硬度、吸水性、热值等，通过实验得出以下结论。

(1)粒径为6 mm温度为70 ℃时能量密度为35.57 J/g，而在110℃时能量密度为31.42 J/g，粒径为8 mm温度为70 ℃时能量密度为37.09 J/g，而在110℃时能量密度为33.74 J/g粒径为10 mm温度为70 ℃时能量密度为37.67 J/g，而在110℃时能量密度为33.97 J/g，因此温度越高能量密度越低，在其他条件相同时温度越高能量所需要的越少。

(2)温度越高，颗粒密度越大，粒径越小，颗粒密度越大。所有的颗粒密度都在0.95～1.20 g/cm3之间，所以温度和模具的粒径对颗粒的密度影响不大。

(3)6 mm的颗粒燃料在温度为70 ℃时颗粒的吸水性为11.55%，在110 ℃时颗粒吸水性为10.93%；8 mm颗粒燃料70℃时颗粒的吸水性为13.79%，在110 ℃时颗粒吸水性为12.07%；10 mm颗粒燃料70 ℃时颗粒的吸水性为13.87%，在110 ℃时颗粒吸水性为11.03%。温度越高吸水性越差，粒径对吸水性无明显影响，因为温度越高颗粒的密度越大，颗粒中的粒子越不活跃，结合的力更强，所以吸水性更差，反之，温度越低，颗粒见的空隙越大吸水性越强。

(4)温度越高颗粒燃料的硬度越大，模具的粒径越小，颗粒硬度越大。模具的粒径越大时，颗粒的粒子间作用力更小，颗粒的硬度越低。

(5)温度和模具的粒径对热值无明显影响，均在17 MJ/kg左右因为最高温度为110 ℃，不会改变颗粒的内部结构，只是改变的颗粒的外观形式，所以对热值没有明显影响。

(6)综合以上特性，粒径为6 mm、温度为110 ℃时条件最佳，此时的颗粒燃料硬度最大，易保存、易运输，同时硬度也最大，而且消耗的能量也最小。