以玉米秸秆为原料制出生物质颗粒燃料的研究现状

刘雨婷，万 霖

（黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江 大庆163319）

中国是世界上最重要的农业国家之一，具有非常丰富的农业生物质资源。据相关调查，我国农作物秸秆年产量超过了亿吨[1]。但是，因为受到科学技术及农民小农思想的影响，相当一部分的农作物秸秆没有得到合理的利用。其中，有一部分的农作物秸秆直接进行了露天燃烧，或者随意丢弃在大自然中。这样不但导致了巨大的资源浪费，同时也造成了一系列的环境污染问题，破坏了生态环境的平衡。所以有必要采取相关的农业生物质能转化技术，把这些废弃的农作物秸秆转化成为清洁能源[2]。这样不但能够增加我国的能源储备量，推动我国经济的可持续发展，还可以在很大程度上缓解环境污染的问题。实际上，欧美发达国家早就将生物质作为能源进行综合利用[3]。20世纪70年代，美国及加拿大等多个国家尝试生产并应用颗粒燃料[4]。经过20年的发展，现在技术已极为成熟，在瑞典、丹麦及奥地利等欧洲国家，则进行了生物质能的开发和应用[5]。目前，越来越多的国家和地区，开始尝试并发展生物质能的开发技术。由此可见，颗粒燃料具备极大的替代固体燃料的潜力，并且能够良好地应用于供暖及发电中，是非常重要的新兴能源之一。

1 原料

当前，最常见的生物质能源是农业及林业生产所产生的各种废弃物[6]，如农作物秸秆、动物粪便等。将上述材料收集之后，进行粉碎及加压等一系列的工艺操作，使之增密成型，最后所得的物质就是被用于燃烧的秸秆煤炭，是现在市面上最常见的具有再生能源特征的生物质燃料之一。整个流程所需的加工成本十分低廉，也必须要投入很多的人工成本，但是却可以产生较大的利润空间，从售价等多个方面来看，都可以良好地取代煤炭的燃料地位[7]。在此次研究分析的过程中，主要使用的是玉米秸秆这种原材料。在我国，玉米秸秆的产量大且分布广泛。其生物质成分之中，有高达42%的成分为碳元素，被认为是非常可靠的新兴燃料[8]。

1.1 原料含水率

不同的水分含量影响生物质颗粒的压缩成型。水分含量太低或者太高，都会对生物质颗粒的成型产生不利的影响。如果水分含量太高，则原料会散落并且不能形成燃料。一般来说，原料的水分含量在12%~15%最合适。回彩娟研究发现，放置数日后成型块表面光滑，不易开裂；自然风干后的木屑、小刨花原料的含水量约为5.5%，并在此含水量下压制成型块，其密度在0.85 g/cm3~1.259 g/cm3之间。实验液压驱动活塞成型机可以压缩生物质原料的最大水分含量约为22%[9]。石河子大学的徐新惠研究发现，对于棉花秸秆，当水分含量为6%~12%时，成型块不仅具有较高的松弛密度，而且具有良好的耐久性[10]。

1.2 加热温度

加热温度也是影响成型的重要因素之一。通过加热，可以软化原料中包含的木质素和其他低分子的物质，木质素软化的温度在黏接中起到了重要作用。另外，高温也会使原料本身变得更软，更易于压缩。

1.3 压力大小

形成生物质颗粒燃料的主要因素是压缩，压力的大小直接影响成型效果。如果压力太大，原料将被压溃；但是如果压力太小，也会无法获得相应的产品及其所需的性能。李美华研究发现，在200 bar~400 bar的范围，可以满足大多数原材料的成型要求，而且表面光滑，密度适中。Nalladurai Kaliyan研究发现，对于欧洲赤松来说，若压力足够强，那么颗粒尺度不足8 mm的颗粒通常不会影响到燃料的物理力学及其燃烧属性[11]。

1.4 燃料特性

从燃料制作的层面来看，首先需要对玉米秸秆的基本特性进行全方位的了解和掌握，这也是玉米秸秆燃料制作工艺的理论基础之一。玉米秸秆的生物质成分之中，有大约42%为碳元素，所以是非常可靠的新兴燃料。玉米秸秆发热量为15.55 kJ/g，属于二类烟煤的发热量标准。除了碳元素之外，硫元素同样能够参与燃烧，但是硫元素在燃烧之后会造成酸雨等硫污染问题。除此之外，碳元素虽然不属于可燃的组成部分，但是在经过燃烧之后，同样也会造成环境污染问题。玉米秸秆硫含量只有0.305%，玉米秸秆挥发分为61.4%，但是固定碳仅占13.61%。

1.5 燃烧性能分析

玉米秸秆的燃烧过程可以被划分成三个不同的阶段，首先，原料水分蒸发的阶段，水分汽化之后，其他的低分子量的物质同样会得到进一步的分解和汽化。随着温度的不断提升，达到着火点之后，便开始燃烧并生成火焰。其次，挥发分物质进入到气相着火阶段之后，木质素高温炭化并发生氧化作用，以比较缓慢的燃烧速度进行燃烧。到了最后一个阶段，挥发分物质全部分解，并且其中气相物质的火焰被熄灭。固定碳的燃烧也就是指木质素全部碳化分解。

在任何一种升温速率之下，失重趋势基本不会发生明显的变化。不过当温度恒定时，在不同的升温速率下，燃料燃烧的量不尽相同，所得到的残留物的质量也存在明显的差异性。详细看来，如果升温的速率越小，那么燃料中不同组分就会热解和燃烧得越充分，剩余的染料残留量也会相对应减少。

如果升温速率减小，那么着火点温度和燃尽温度也会同步下降。除此之外，挥发分及固定碳的燃烧最大速率也会同步减小。由于挥发分的充分热解，导致其中低着火点的部分会析出；随着温度的不断升高，高着火点的挥发分也会析出，从而延长了燃烧时间。

1.6 灰熔点分析

生物质灰是一种金属氧化物及非金属氧化物的混合物。对其加热至某一确定温度后，其中的低熔点成分就会进行熔化。温度持续升高，熔化的成分就会越来越多，并全部转化为液态。基于燃料初始变形温度及软化温度，可以确定玉米秸秆的结渣倾向，具体为：1）变形温度DT可以确定燃料结渣倾向界限，当DT>1 289℃时，燃料不结渣；当DT为1 108℃~1 288℃时，中等结渣；当DT<1 107℃时，严重结渣。2）软化温度ST，其判定界限如下，当ST>1 390℃时，燃料轻微结渣；当ST为1 260℃~1 390℃时，中等结渣；当ST<1 260℃时，严重结渣。玉米秸秆的变形温度为1 173℃，软化温度为1 258℃，属中等结渣灰。因此，针对玉米秸秆颗粒燃料在工业锅炉中燃烧的情况，有必要做好温度的管控和检测，控制炉膛出口结渣的情况，炉膛出口的烟气温度必须低于1 150℃。

2 原理

2.1 颗粒燃料成型机理

在进行物理压缩的过程中，粒子显示出了明显的填充特性。除此之外，因为粒子具有流动特性和压缩特性，所以对生物质的压缩成型工艺起到了非常重要的作用。一般情况下，生物质压缩成型工艺主要包括两个不同的阶段。在压缩初期，压力较小，生物质颗粒从原有的松散堆积的形态开始转变，原本的固体颗粒排列结构中的空隙率越来越小。随着压力不断增加，便进入到了第二个阶段。随着压力的持续增大，生物质大颗粒也逐渐破裂，分解成为了很多个细小的粒子，通过进一步的塑形流动填充到周围的空隙中，粒子之间得以更加紧密地接触并实现相互之间的啮合，少数残留的应力会储存在已经成型的块状体的内部，从而使粒子之间能够更加牢固地连接。

2.2 颗粒机工作机理

在生产颗粒燃料的过程中，必须要应用到颗粒机这个关键设备。通过压辊及环模对原料进行挤压并制成颗粒燃料。物料被强制喂料机传送到工作区域后，随着模及辊的转动，压辊前的物料被挤入压缩区挤压，物料和物料之间的缝隙会快速减小。随着物料内部压力及密度的持续加大，弹性变形不复存在，塑性变形开始产生作用。随着密度的增加，物料会被压送到磨孔中进行保压，最终被挤出，形成颗粒。

生物质颗粒燃料设备系统的工作流程分为：上料、制粒、冷却、成品包装及除尘。

3 结果与分析

3.1 玉米秸秆在不同压缩比环模中成型分析

环模的压缩比越大，玉米秸秆的颗粒密度就越大，而且相对应的能耗也会得到一定的增加，产量也会随之提升。在达到某一个临界的压缩比值的时候，成型颗粒的密度则会以较小的幅度增加，而产量则会开始减少。如果是相同的原料，在不同类型的压缩比环模中进行成型，那么颗粒燃料的密度和压缩比之间则呈现出正比例关系。在一定的压缩比范围之中，密度保持着一定的稳定性。超过一定的数值之后，原料则会由于压力过大而导致出料不畅，甚至无法成型。所以为了保证较大的颗粒密度和足够的产量，在设计阶段，应保证环模压缩比较大。通常会选定压缩比为4.5的环模。

3.2 玉米秸杆在相同环模中不同粒度成型分析

在玉米秸秆原料粒度持续增大的过程中，成型颗粒的密度会随之不断减小。如果原料粒度超过了10 mm，那么就会导致成型效果变差，甚至会出现不成型的情况。需要注意的是，若原料粒度过小，同样也会对颗粒密度造成影响。

在实际的生物质原料压缩成型的过程中，粒子之间相互啮合，粒子层则相互贴合。需要注意的是，若粒子越小，那么粒子之间的填充程度就会越高，相互之间就会进行更加紧密的接触。不过也不能够选取过小粒度的粒子，否则就会引起分子引力及静电引力过大的问题，如果液相附着力过大，同样也不利于压缩成型。最终得到的粒度范围是1 mm~5 mm。

3.3 不同水分玉米秸秆在相同环模中成型分析

根据上文的论述可知，最后选定的压缩比为4.5。在此基础上，探究原料含水率与颗粒密度之间的相关性。根据最终的研究结果，可知二者之间在某个临界值之前是正比例关系，当达到该临界值之后，颗粒燃料的密度则达到了最大值，并会持续保持在这个最大值附近，直到含水率超过另一个临界值后，密度则开始下降，最终会出现不成型的情况。

在生物机体中，结合水与自由水通常会起到一定的润滑效果，能够降低粒子之间的内摩擦力，增加粒子的流动性。这样一来，受到压力作用的粒子就会开始滑动，并且粒子之间会相互嵌合。若含水量持续减少，粒子便难以实现延展，相互之间结合的紧密性也会明显下降，必然无法成型。但如果含水率超标，水分会分布在粒子层之间，使得粒子层之间无法紧密地贴合和成型。最终确定原料的含水率为12%~18%，据相关的试验经验，最佳含水率为15%。

4 结论

据此次调查研究结果，玉米秸秆是一种优质的生物质颗粒燃料原料。并且，在压缩比为4.5的环模，玉米秸秆粒度范围为1 mm~5 mm，含水率为12%~18%时效果最好。所得的颗粒密度及产量都能够达到最大值，而能耗也相对较小。在此次试验的过程中，重点讨论了玉米秸秆挤出生物质颗粒燃料的成型机理。除此之外，也通过对比分析的方式，确定了更符合标准的系统设备。在此基础之上，还讨论了生物质颗粒燃料成型的变化规律，为后续的实践工作提供一定的参考。