玉米秸稈混污泥成型燃料特性研究

鄢雨朦，許雯雯，李延鼎，張藝騰，滕海闊，周立岱

(遼寧工業大學 化學與環境工程學院，遼寧 錦州 121000)

1 研究背景及意義

不可再生能源泛指人類開發利用后，在現階段不可能再生的能源資源叫“不可再生能源”。煤、石油、天然氣、核能、油頁巖等人們越來越依賴的不可再生能源價格飆升。據統計，地球上蘊藏可開發利用煤和石油等將可能分別在200年和40年內耗竭，天然氣也只能用40年左右。

作為世界主要能源的化石能源在為人類作出巨大貢獻的同時，也在嚴重地破壞人類的生存環境，其主要表現在：①溫室效應氣體的排放；②SOx和NOx等有害氣體的排放，大氣中SOx和NOx氣體濃度的增加將會對人類的健康和經濟產生直接的危害，而世界上SOx和NOx氣體的來源主要在于化石燃料的燃燒；③粉塵的排放[1]。

我國是一個人口大國，又是經濟增長迅速的消費國家，21世紀面臨經濟增長和環境保護的雙重壓力，隨著我國能源需求不斷增長及化石能源消耗帶來的環境壓力不斷加劇，開發利用新能源和可再生能源，對于改善以煤炭為主的能源結構，緩解由能源生產和使用造成的環境問題，保障我國經濟社會的可持續發展具有十分重要的意義[2]。從國內外的研究發現，改變能源生產和消費方式、開發利用生物質能等可再生清潔能源，對建立可持續發展的能源系統，促進國家經濟發展和環境保護具有重大意義[3]。

2 生物質燃料成型技術及成型機理的研究現狀

生物質能是一種能量巨大而且可再生的能源。在地球上，每年綠色生物量的增加約為1170億t，相當于400億t石油，其中800億t分布在森林中，其余分布在草原、荒原、田野、沼澤及荒漠中[4]。法國目前每年生物質能源利用已相當于200萬t石油，2005年可達1000萬t[5]。瑞典更是利用生物質能源較好的國家，據瑞典國家能源局統計的資料顯示，由于生物質能源的使用，礦物能源從 1970年占總能源消耗量的80%降低到1998年的33%, 1970年到1998年，使用生物能源占總能源的比例從9%增加到15%，相當于1257×106t石油，并且使用生物質能仍是快速增長的趨勢[6]。全世界仍有近25億人口用生物質作為燃料用于煮飯、取暖和照明等[7]，在發展中國家它占總能耗的35%,在我國農村所占比例更大，約為71%[8]。

但目前絕大多數國家和地區使用生物質燃料都存在熱能利用效率低、耗費量大的問題。據聯合國糧農組織1995年的統計表明，世界上用于作為燃料的薪炭材消耗量占木材總產量的50%，主要是消耗在占世界人口絕大多數的發展中國家。聯合國糧農組織1997年根據中等經濟增長預測,2010年薪炭材的年消耗量將達到2.05億m3。而發展中國家薪炭材占總采伐量的83.4%，主要還是用于家庭炊事和取暖，燃燒灶具的熱效率只有5%～10%。我國農村每年要消耗21339×106t的柴草[6]，而絕大多數是使用傳統的舊式爐灶，直接燃燒干柴或農作物秸稈，浪費問題較為嚴重。

如何利用生物質能、提高生物質燃料的燃燒效率、減少浪費是當前世界各國都在進行的研究課題。到目前為止，開發生物質作為燃料的研究主要集中在3個方面：①將生物質原料降解為液體燃料；②將生物質原料氣化成可燃氣體；③加工成便于運輸和貯存的一定形狀燃料并提高其燃燒效率。前兩種生產方法主要是通過生物降解、化學反應方式，產生氫、沼氣、乙醇、合成汽油等。生產成本相對較高，并沒有大量應用于生產和日常生活。而第3種方式采用致密成型技術，其成型燃料具有加工簡單、成本較低、便于儲存和運輸、易著火、燃燒性能好、熱效率高的優點，并且技術本身一方面可解決環境保護問題，另一方面又能生產代用燃料，近年來越來越受到人們的廣泛重視。

本課題研究內容為玉米秸稈顆粒燃料成型、物理特性、燃燒特性。本課題中顆粒燃料的原料為當年成熟玉米秸稈，玉米秸稈作為農作物的廢棄物，在每年的10月份玉米收獲季節后得不到很好的利用，往往被丟棄于田頭，溝渠或就地焚燒，造成了諸如堵塞排水溝渠、污染空氣等后果。根據制作顆粒燃料的機器要求，含水率7%左右的玉米秸稈基本符合要求。

成型燃料的物理品質受到原料種類、原料的含水率、原料的粉碎粒度、成型壓力、成型溫度等眾多因素的影響。在之前整理的資料和早期預備試驗中發現原料長度、含水率、溫度對固體顆粒狀燃料有影響，本次試驗中的試驗因子選取不同粒徑模具和溫度，測其壓制成顆粒燃料以后的吸水性、密度、硬度、熱值等特性，確定最佳的粒徑及溫度。

通過查資料了解供試物料的基本物理特性，可以為高壓成型機理的分析和實驗研究提供必要的參數依據，首先用粉碎機將玉米秸稈粉碎，用干燥箱測其含水率，在不同溫度下壓制不同粒徑的顆粒燃料，測顆粒燃料的密度、吸水性、灰分、硬度、熱值等特性。

3 實驗部分

1962年德國的Rumpf針對不同材料的壓縮成型，將成型物內部的粘結力類型和粘結方式分成5類:①固體顆粒橋接或架橋；②非自由移動粘結劑作用的粘結力；③自由移動液體的表面張力和毛細壓力；④粒子間的分子吸引力(范德華力或靜電力)；⑤固體粒子間的充填或嵌合[9]。粉碎后的生物質由于斷裂程度不同，形成了大小形狀不一顆粒，大的顆粒在壓力的作用下形成架橋現象。而小顆粒較高壓力作用下更容易發生緊密充填，在生物質中存在的適量的水此刻作為一種作為一種潤滑劑使得周圍的粒子得到充分的延展，并使顆粒間的摩擦力減小，從而促進粒子的嵌合，粒子表面接觸越發緊密，粒子間的分子引力、靜電引力和液相附著力(毛細管力)開始發揮作用，此外生物質所含的木質素、腐殖質、樹脂、蠟質等對溫度敏感的固有的天然粘結劑，在致密成型過程中發揮有效的粘結作用[10]。

生物質冷致密成型過程如下:首先，較低的壓力傳遞至粉碎的生物質原料上，使原先松散堆積的固體顆粒排列結構開始改變，內部空隙率不斷減少;然后隨著壓力逐漸增大時，部分生物質原料在壓力作用下破裂，變成更加細小的粒子，部分依然保持原狀，此后發生形變和塑性流動，細小的粒子開始填充原來的空隙。粒子間更加緊密地接觸而相互咬合，一部分殘余應力儲存于顆粒內部，是粒子之間結合更加牢固。生物質物料在受到外力作用后，原料將經歷重新排列位置、機械變形、彈性變形、塑性變形階段。非彈性或粘彈性纖維素分子之間的相互纏繞和絞合，使得物料體積縮小，密度增大[11]。

4 結果與討論

對不同粒徑模具的顆粒燃料成型特性進行了實驗研究。包括對粒徑為6、8、10 mm和在70 ℃、110 ℃的情況下壓制顆粒燃料的特性研究，其顆粒燃料特性包括密度、硬度、吸水性、熱值等，通過實驗得出以下結論。

(1)粒徑為6 mm溫度為70 ℃時能量密度為35.57 J/g，而在110℃時能量密度為31.42 J/g，粒徑為8 mm溫度為70 ℃時能量密度為37.09 J/g，而在110℃時能量密度為33.74 J/g粒徑為10 mm溫度為70 ℃時能量密度為37.67 J/g，而在110℃時能量密度為33.97 J/g，因此溫度越高能量密度越低，在其他條件相同時溫度越高能量所需要的越少。

(2)溫度越高，顆粒密度越大，粒徑越小，顆粒密度越大。所有的顆粒密度都在0.95～1.20 g/cm3之間，所以溫度和模具的粒徑對顆粒的密度影響不大。

(3)6 mm的顆粒燃料在溫度為70 ℃時顆粒的吸水性為11.55%，在110 ℃時顆粒吸水性為10.93%；8 mm顆粒燃料70℃時顆粒的吸水性為13.79%，在110 ℃時顆粒吸水性為12.07%；10 mm顆粒燃料70 ℃時顆粒的吸水性為13.87%，在110 ℃時顆粒吸水性為11.03%。溫度越高吸水性越差，粒徑對吸水性無明顯影響，因為溫度越高顆粒的密度越大，顆粒中的粒子越不活躍，結合的力更強，所以吸水性更差，反之，溫度越低，顆粒見的空隙越大吸水性越強。

(4)溫度越高顆粒燃料的硬度越大，模具的粒徑越小，顆粒硬度越大。模具的粒徑越大時，顆粒的粒子間作用力更小，顆粒的硬度越低。

(5)溫度和模具的粒徑對熱值無明顯影響，均在17 MJ/kg左右因為最高溫度為110 ℃，不會改變顆粒的內部結構，只是改變的顆粒的外觀形式，所以對熱值沒有明顯影響。

(6)綜合以上特性，粒徑為6 mm、溫度為110 ℃時條件最佳，此時的顆粒燃料硬度最大，易保存、易運輸，同時硬度也最大，而且消耗的能量也最小。