摘要：生物質(zhì)成型燃料是煤和天然氣優(yōu)秀的清潔替代能源，其技術(shù)的研究得到世界越來越多的關(guān)注和重視。在生物質(zhì)成型過程中，生物質(zhì)化學(xué)成分的含量與其成型質(zhì)量有著密切關(guān)系，不同的生物質(zhì)由于化學(xué)成分含量不同，決定了要采用不同的加工參數(shù)才能形成高品質(zhì)的成型燃料。為此，首先介紹了生物質(zhì)成型燃料的整個(gè)加工過程，并全面分析各主要的加工參數(shù)(原料含水量、顆粒粒徑、溫度和壓力)對成型燃料品質(zhì)的影響。同時(shí)，介紹了目前被廣泛運(yùn)用于生物質(zhì)顆粒成型研究的3個(gè)成型模型，為進(jìn)一步探究不同生物質(zhì)的成型規(guī)律及成型條件，優(yōu)化最佳加工參數(shù)提供理論依據(jù)。

　　0引言

　　隨著世界石油危機(jī)的進(jìn)一步加深，伴隨著的日益突出環(huán)境污染和氣候變暖等問題，積極開發(fā)和利用清潔替代能源已成為世界各國能源發(fā)展的重要戰(zhàn)略。

　　在一定的壓力和溫度下，蓬松的生物質(zhì)可以擠壓或壓縮成為體積較小、形狀和尺寸規(guī)則的成型燃料，能較好地克服生物質(zhì)熱值低、體積密度小、物理形態(tài)不規(guī)則等缺點(diǎn)，降低了儲藏和運(yùn)輸成本。由于生物質(zhì)成型燃料熱值接近煤熱值的60％，因而可以成為煤和天然氣優(yōu)秀的清潔替代燃料。

　　生物質(zhì)成型過程一般分為3個(gè)階段：第1階段是位置重組階段，即在較低的壓力下生物質(zhì)顆粒產(chǎn)生流動，充實(shí)了顆粒間的較大空隙，形成一個(gè)較為緊密的壓實(shí)體；第2階段是彈性和塑性變形階段，即生物質(zhì)顆粒在較高的壓力下破碎并產(chǎn)生彈、塑性變形，進(jìn)一步填充了顆粒間的較小空隙；第3階段是軟化、冷卻固結(jié)階段，即在高溫、高壓下，生物質(zhì)顆粒達(dá)到其熔點(diǎn)而軟化，使顆粒更加緊密地連接在一起；冷卻后顆粒問形成堅(jiān)固的固相橋接，此時(shí)生物質(zhì)原料容積密度進(jìn)一步增大，成為熱值較高的固體成型燃料。國外學(xué)者在研究木屑、玉米、大麥、小麥、油菜、水稻等生物質(zhì)成型技術(shù)時(shí)發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)成型過程中其化學(xué)成分的含量與其成型質(zhì)量有密切關(guān)系，特別是生物質(zhì)中蛋白質(zhì)、淀粉、木質(zhì)素、纖維素是天然的粘接劑，其含量直接決定成型燃料的品質(zhì)。

　　由于各種生物質(zhì)化學(xué)成分不盡相同，每一種生物質(zhì)成型的最佳加工參數(shù)(原料含水量、原料顆粒大小、溫度、壓力等)也不同。本文首先介紹了生物質(zhì)成型燃料的整個(gè)加工過程，并全面探討了各主要加工參數(shù)對成型燃料品質(zhì)的影響；然后在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，討論了目前廣泛運(yùn)用于生物質(zhì)顆粒成型研究的3個(gè)成型模型，為進(jìn)一步探究不同生物質(zhì)的成型規(guī)律及成型條件、確定最佳加工參數(shù)提供理論依據(jù)。

　　1生物質(zhì)成型燃料加工過程

　　生物質(zhì)成型燃料的加工過程大致分為以下幾個(gè)步驟：原料收集、干燥、粉碎、固化成型、冷卻，裝箱、儲藏，如圖1所示。生產(chǎn)原料一般是農(nóng)業(yè)秸稈或鋸末、木屑等林業(yè)廢棄物。原料首先經(jīng)過自然干燥，將含水量由原來的30％～55％降到20％左右，然后用飼料切碎機(jī)將原料切碎，再用錘片式粉碎機(jī)進(jìn)一步粉碎。粉碎后的生物質(zhì)顆粒尺寸一般在3mm以下，再經(jīng)過熱風(fēng)干燥或微波干燥，將含水量進(jìn)一步降到15％以下。如果干燥過多，還要根據(jù)不同生物質(zhì)對濕度的要求進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，將水分控制在適當(dāng)?shù)姆秶?，然后利用成型設(shè)備在一定壓力和溫度下將原料擠壓或壓縮成型；再經(jīng)過一定時(shí)間的冷卻定型后進(jìn)行篩分和除塵，然后裝箱儲存。在整個(gè)加工過程中，不同的生物質(zhì)對原料的含水量、顆粒粒徑的大小、溫度和壓力等加工參數(shù)有不同的要求，加工參數(shù)選擇不當(dāng)，對生物質(zhì)成型燃料的品質(zhì)影響很大。

　　2加工參數(shù)對生物質(zhì)成型燃料品質(zhì)的影響

　　2.1原料含水量

　　在成型過程中，適當(dāng)?shù)乃质巧镔|(zhì)成型的必備條件之一。首先，水分是天然的粘接劑和潤滑劑。它可以在生物質(zhì)顆粒之間形成薄膜，導(dǎo)致顆粒之間的接觸面積增大，從而增大了顆粒之間的相互作用力(范德華力)，提高了生物質(zhì)固化成型能力；薄膜還可以減少成型過程中原料和模具之間以及原料顆粒之間的摩擦力，減少能耗。此外，生物質(zhì)成型過程中淀粉的凝膠作用是提高顆粒之間粘接力的重要因素，而適當(dāng)?shù)乃质谴龠M(jìn)淀粉凝膠的重要條件。

　　但是，過多的水分也會影響生物質(zhì)成型品質(zhì)，原因是多余的水分不能被原料顆粒吸收而附著在顆粒表面上，致使顆粒物料不易壓緊，導(dǎo)致燃料強(qiáng)度和耐久性差。另外，水分過多會造成成型燃料脫模性能變差，壓制過程中產(chǎn)生水蒸汽過多，壓制阻力加大，能耗增加。一般來說，生物質(zhì)原料的最佳含水量在8％～12％之間，高于或低于最佳值，顆粒燃料的品質(zhì)都會降低。根據(jù)國外學(xué)者的研究報(bào)道，不同的生物質(zhì)最佳的原料含水量不盡相同。Li和Liu在研究木質(zhì)顆粒燃料成型條件時(shí)得出，生產(chǎn)木質(zhì)顆粒燃料的原料含水量應(yīng)在6％～12％范圍內(nèi)，當(dāng)原料含水量在8％時(shí)，生產(chǎn)出來的顆粒燃料質(zhì)量最好。Srivastava在研究干草(加入20％苜蓿)壓塊燃料(直徑為150am)時(shí)指出，當(dāng)原料含水量從3％增加到11％時(shí)，壓塊燃料的耐久指數(shù)由27％上升到96％；而當(dāng)原料含水量從11％增加到25％時(shí)，壓塊燃料的耐久指數(shù)從96％降到20％?？梢姡虾康倪x擇對生物質(zhì)成型燃料的品質(zhì)影響很大。

　　2.2原料顆粒

　　粒徑一般來說，生物質(zhì)原料顆粒的粒徑越小，顆粒之間的相互作用面面積越大，顆粒之間的結(jié)合力也就越強(qiáng)；而且顆粒粒徑較小時(shí)，能夠吸收的水分也比較多，淀粉的凝膠作用也就越好，有利于生物質(zhì)顆粒固化成型。Hill和Pulkinen在研究苜蓿顆粒成型時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用于粉碎苜蓿原料的錘片式粉碎機(jī)的篩孔直徑由2.8mm增大到6.4mm，原料顆粒粒徑增大而其它加工參數(shù)不變的情況下，苜蓿顆粒燃料的耐久指數(shù)下降了15％。但是，顆粒粒徑過小，雖滿足了生物質(zhì)原料的粉碎要求，但能耗增加、產(chǎn)量降低，從而增加了生產(chǎn)成本，不利于生物質(zhì)成型燃料商業(yè)化發(fā)展。一般說，生物質(zhì)成型燃料的最佳原料顆粒的平均粒徑應(yīng)在0.6～0.8mm之間。

　　2.3溫度

　　在一定的溫度下，生物質(zhì)中的淀粉發(fā)生了凝膠作用，蛋白質(zhì)產(chǎn)生了變性反應(yīng)；而木質(zhì)素和纖維素受熱軟化，都能增強(qiáng)原料顆粒間的粘接力，提高生物質(zhì)成型品質(zhì)。Hill和Pulkinen指出，在較高的溫度下成型的苜蓿顆粒燃料的耐久指數(shù)比較高，品質(zhì)也較好。當(dāng)溫度由60℃上升到104℃時(shí)，苜蓿顆粒燃料的耐久指數(shù)上升了30％～35％。同樣，Tabil和Sokhansanj在研究苜蓿顆粒燃料成型技術(shù)也得到相似的結(jié)論，指出當(dāng)溫度大于90％時(shí)，苜蓿顆粒燃料的耐久指數(shù)明顯提高，90％也是生產(chǎn)苜蓿顆粒燃料的最低溫度。由于不同的生物質(zhì)所含淀粉、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素以及纖維素不同，導(dǎo)致它們的最佳加工溫度也就不同。溫度過高，能耗增加，生產(chǎn)成本提高，而且過高的溫度造成成型燃料表面燒焦、退色，影響外觀，降低品質(zhì)。

　　2.4壓力

　　在致密成型過程中，壓力對生物質(zhì)成型燃料品質(zhì)的影響很大。只有在一定的壓力下，生物質(zhì)中淀粉、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和纖維素等天然粘接劑才能從原料顆粒中受擠壓而分離出來，并在一定的溫度和濕度條件下，發(fā)生相應(yīng)的物理、化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生粘接功能，將原料顆粒緊密粘接起來。一般來說，在一定的范圍內(nèi)，增加壓力，生物質(zhì)成型燃料的顆粒密度和機(jī)械強(qiáng)度也相應(yīng)增加；但是當(dāng)成型燃料的顆粒密度增加到一定值時(shí)，增加壓力并不會帶來成型燃料顆粒密度的顯著增加。甚至壓力過大時(shí)，成型燃料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，反而降低了成型燃料的顆粒密度和機(jī)械強(qiáng)度，降低了成型燃料的品質(zhì)。表1為不同壓力下大麥、油菜、燕麥和小麥秸稈成型燃料(直徑為6.35mm)顆粒密度的變化。在原料濕度為10％，加熱溫度為95％的條件下，當(dāng)壓力由1000N上升到3000N時(shí)，大麥、油菜、燕麥、小麥秸稈成型燃料的顆粒密度分別提高了8.9％、19.1％、16.7％、14.5％。但是，當(dāng)壓力進(jìn)一步增加到4400N時(shí)，大麥和小麥秸稈成型燃料的顆粒密度反而下降?？梢?，盲目增加壓力并不能保證生產(chǎn)出高質(zhì)量的生物質(zhì)成型燃料。

　　3生物質(zhì)成型模型介紹

　　顆粒原料(金屬或非金屬)在不同的壓力下表現(xiàn)出來的壓縮特性并不相同，為了更好地了解顆粒原料的成型規(guī)律，國外學(xué)者在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出一些顆粒原料固化成型模型，如Walker(1923)、Jones(1960)、Heckel(1961)、Cooper and Eaton(1962)、Kawakita andLtidde(1971)、Sonnergaard(2001)、Panelli—Filho(2001)等。這些成型模型有的是反映顆粒原料在壓縮過程中壓力和密度的變化關(guān)系，有的是反映壓力和容積的變化關(guān)系。不同的壓縮模型適用于不同壓縮物料，它們被廣泛運(yùn)用于陶瓷制品、金屬材料成型、化肥、藥品和食品的研究領(lǐng)域。而相對于柔軟、蓬松、植物纖維含量高的生物質(zhì)顆粒的成型，Heckel(1961)、Cooper—Eaton(1962)、Kawakita—Ltidde(1971)提出的3個(gè)模型能夠與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地吻合，所以至今仍然被廣泛運(yùn)用于生物質(zhì)成型規(guī)律的研究中。

　　3.1Heckel模型

　　Hechel模型是被廣泛運(yùn)用于制藥和生物質(zhì)成型的模型之一，反映的是顆粒原料壓縮過程中其相對密度和所受壓力之間的函數(shù)關(guān)系，其具體表達(dá)式為

　　4結(jié)束語

　　生物質(zhì)的成型過程與其化學(xué)成分的含量關(guān)系很大，原料含水量、粒徑、溫度和濕度等主要加工參數(shù)對成型燃料的品質(zhì)都有影響，不同的生物質(zhì)由于其化學(xué)成分不相同，決定了最佳加工參數(shù)也不相同。Heckel、Cooper—Eaton、Kawakita-Ltidde3個(gè)成型模型適用于生物質(zhì)的成型研究，它們反映了生物質(zhì)在壓縮過程中壓力和密度或者壓力與容積之間的變化關(guān)系。