作者利用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HPB - III型生物質(zhì)秸稈成型設(shè)備進(jìn)行粗大秸稈擠壓成型試驗(yàn)，將原料的粒度大大放寬，粗大玉米秸稈只需簡(jiǎn)單切碎，對(duì)麥秸、豆秸、稻殼、花生殼等直徑小于1 cm，長(zhǎng)度小于25cm的大粒徑松軟生物質(zhì)秸稈，不需要粉碎便可輸入成型機(jī)擠壓出成型燃料。不但降低了粉碎秸稈的能耗，減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還有效地提高了生產(chǎn)效率。由于擠壓時(shí)高溫高壓調(diào)整了原生物質(zhì)含水率，改變了其分子結(jié)構(gòu)，成型后生物質(zhì)內(nèi)部空隙率大大減少，揮發(fā)分被濃縮，容積密度增大，從而改善了生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性。作者利用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的生物質(zhì)成型燃料專用鍋爐對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行的燃燒試驗(yàn)表明，成型燃料點(diǎn)火容易，燃燒過(guò)程無(wú)粉塵污染，燃燒效率高，達(dá)到與中質(zhì)煙煤的相當(dāng)?shù)娜紵Ч�，生態(tài)效益尤其顯著。
我國(guó)的生物質(zhì)能利用超過(guò)全國(guó)總能源消耗的40%，在農(nóng)村基本用能90%以上是由生物質(zhì)能源提供的。生物質(zhì)秸稈成型燃料市場(chǎng)潛力巨大，作為清潔能源替代礦物燃料，不但可以緩解能源危機(jī)，減輕環(huán)境污染，同時(shí)為改善農(nóng)民生活條件及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、增加農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入、支援“三農(nóng)”建設(shè)提供了新的技術(shù)途徑。
1、試驗(yàn)材料與方法
1.1準(zhǔn)備試驗(yàn)原料
試驗(yàn)采用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園提供的本年度收割成熟玉米秸稈、大豆秸稈，自然風(fēng)干至含水率25%以下，然后應(yīng)用改進(jìn)的臥式錘片粉碎機(jī)將玉米秸稈切碎，要求粉碎后秸稈長(zhǎng)度不大于25 cm便可入倉(cāng)備用；大豆秸稈抽出籽粒時(shí)已被太陽(yáng)光干燥，碾壓后絕大部分秸稈粒度已滿足成型要求，可不粉碎。試驗(yàn)前將原料從倉(cāng)庫(kù)取出分組晾曬或用烤箱烘干，使含水率分別控制在8%、12%、15%、18%和21%，用塑科袋分裝、密封待用。
1.2主要試驗(yàn)設(shè)備
1.2.1成型設(shè)備
主要包括電機(jī)、液壓系統(tǒng)、活塞沖桿、成型套筒和電加熱圈等部分。HPB - III型成型機(jī)額定壓力31.5MPa，正常工作壓力25 MPa，生產(chǎn)能力根據(jù)原料不同最高可達(dá)600 kg h-l，主電機(jī)功率18.5 kW，成型套筒外輔4 kW電加熱套，由熱電偶與控制柜聯(lián)結(jié)并指示加熱溫度，另外配有自動(dòng)輸送上料機(jī)等輔助系統(tǒng)。成型設(shè)備簡(jiǎn)圖如圖1所示。
1.2.2生物質(zhì)燃燒鍋爐
采用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的88kW生物質(zhì)成型燃料鍋爐對(duì)成型燃料的燃燒性能進(jìn)行測(cè)試。
1.2.3其他儀器和設(shè)備
IRT - 2000A手持式快速紅外測(cè)溫儀；KM9106綜合煙氣分析儀；3012H型自動(dòng)煙塵測(cè)試儀；游標(biāo)卡尺、秒表、烘干箱、磅秤、電子天平等。
1.3熱壓成型機(jī)理與試驗(yàn)方法
植物細(xì)胞中含有纖維素、半纖維素，還有木質(zhì)素。秸稈中木質(zhì)素含量為14%~25%。木質(zhì)素是具有芳香族特性的結(jié)構(gòu)單體為苯丙烷型的立體結(jié)構(gòu)高分子化合物，在植物細(xì)胞中，有增強(qiáng)細(xì)胞壁、粘合纖維的作用。木質(zhì)素屬于非晶體，在常溫下，其主要部分不溶于任何溶劑，也沒(méi)有熔點(diǎn)，但有軟化點(diǎn)，當(dāng)溫度達(dá)到70℃~ 110℃時(shí)，粘結(jié)力增加，在200℃~300℃的高溫條件下，木質(zhì)素將會(huì)軟化、液化，此時(shí)加以一定的壓力使其與纖維素緊密粘結(jié)，內(nèi)部相鄰生物質(zhì)顆粒相互膠合，外部析出焦油或焦化，冷卻后即可成型而不會(huì)散開(kāi)。由于秸稈中木質(zhì)素的這種特性，秸稈的熱壓成型可不需任何添加劑或粘結(jié)劑，不僅降低生產(chǎn)成本，還由于高溫下析出物的潤(rùn)滑作用而減小了成型所需壓力，從而使能耗大大降低。
工作時(shí)，主電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)液壓泵輸出液力(額定壓力31. 5MPa)，由電液閥控制油缸驅(qū)動(dòng)雙向活塞沖桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在指示溫度220℃~ 260℃時(shí)，喂入料經(jīng)送料帶自動(dòng)送入喂料斗，攪拌電機(jī)驅(qū)動(dòng)攪龍將喂入料推入預(yù)壓缸一次壓縮，隨后一次壓縮料被推入成型套筒，正常工作達(dá)到壓力25MPa(壓力表讀數(shù))，由雙沖桿油缸驅(qū)動(dòng)活塞擠壓一次壓縮料再次壓縮，并將棒狀成型燃料推出成型套筒，套筒內(nèi)徑為50~120 mm可調(diào)，本次試驗(yàn)使用內(nèi)徑120 mm的成型套筒，如圖2。
為了確定成型燃料的穩(wěn)定性和松弛密度，成型燃料從成型套筒推出1 min后立即用游標(biāo)卡尺測(cè)量其直徑和長(zhǎng)度，然后將其在室溫條件下裸露放置3周(室內(nèi)相對(duì)濕度為60%~75%，室內(nèi)環(huán)境溫度28℃~32℃)，再測(cè)量1次；取含水率不同的5塊成型樣本分別測(cè)量，然后取其平均值，隨后對(duì)成型燃料進(jìn)行抗水性試驗(yàn)。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1含水率對(duì)松弛密度的影響
在合適的溫度及壓力下壓縮的成型燃料，原料含水率會(huì)對(duì)其成型密度產(chǎn)生影響。成型塊推出壓模后含水率會(huì)發(fā)生變化，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)而趨于相近。當(dāng)成型塊從成型套筒推出1 min后，立即用游標(biāo)卡尺測(cè)量其直徑和長(zhǎng)度，同時(shí)稱其質(zhì)量，然后在室溫28℃、相對(duì)濕度70%條件下，裸露室內(nèi)放置3周，待其體積、質(zhì)量基本穩(wěn)定后再測(cè)量1次，此時(shí)測(cè)得的密度稱為松弛密度。含水率對(duì)松弛密度的影響如表1。為了保證測(cè)量數(shù)值準(zhǔn)確，取原料含水率分別是8%、12%、15%、18%和21%，直徑為120 mm.長(zhǎng)度為100 mm的成型燃料各5塊，分組測(cè)量取其平均值，并計(jì)算密度變化率。這里密度變化率定義為：
Q=（初始成型密度-松弛密度）/初始成型密度
含水率對(duì)松弛密度的影響見(jiàn)表1。由表1可知，松弛密度及密度變化率受含水率的影響變化很明顯。一般認(rèn)為，松弛密度大于或接近1g· cm-3的成型燃料無(wú)論對(duì)于燃燒、儲(chǔ)存、運(yùn)輸都是比較理想的。當(dāng)含水率大約為12%時(shí)，成型密度最大，密度變化率最小，原料的含水率為8%～15%時(shí)均可得到較理想的成型密度。含水率過(guò)高或過(guò)低，均不易成型，不但動(dòng)力消耗大，生產(chǎn)率大大降低，而且難以存放。含水率過(guò)低的成型燃科，容易吸空氣中水分導(dǎo)致脹裂變形；若含水率較高，由于傳熱系數(shù)增大，電熱損失增加，還會(huì)導(dǎo)致成型后耐久性差，甚至由于內(nèi)部高壓水蒸汽而脹裂、爆裂散開(kāi)，還常常會(huì)發(fā)生“放炮”現(xiàn)象。
2.2成型燃料的抗水性
成型燃料的抗水能力是評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，耐水浸能力差的成型燃料會(huì)給運(yùn)輸、儲(chǔ)存帶來(lái)麻煩，需要增加防水防潮投資。試驗(yàn)證明大粒徑秸稈加工成型燃料的耐水性優(yōu)于細(xì)小粉粒加工而成的成型燃料，而且抗沖擊能力強(qiáng)。
任意取露天放置3周后的不同原料含水率、相近長(zhǎng)度的成型物放入水池中(為了便于試驗(yàn)，成型燃料長(zhǎng)度不大于100 mm)，添加自來(lái)水浸沒(méi)試驗(yàn)物，觀察并記錄成型燃料的脹裂、散開(kāi)時(shí)間，結(jié)果如圖3。
從圖3看出，相同含水率的玉米秸稈成型燃料抗水侵蝕時(shí)間長(zhǎng)于大豆秸稈成型燃料，最久可持續(xù)300 h以上不散開(kāi)，含水率過(guò)高、過(guò)低的成型燃料其耐水性能差，原料含水率大于21%的成型燃料在水中不到1h就膨脹、松散。這種大粒徑原料壓縮成的成型燃料的耐水浸時(shí)間遠(yuǎn)長(zhǎng)于其他成型產(chǎn)品。。主要原因是：①成型時(shí)大粒徑秸稈的長(zhǎng)纖維沒(méi)有被破壞，多數(shù)纖維相互膠合、絞連在一起；②200℃以上的高溫會(huì)使生物質(zhì)與成型套筒在接觸面析出蠟質(zhì)或形成焦化層，阻止水分浸入；③成型密度較大，空隙率大大縮小，成型燃料結(jié)構(gòu)密實(shí)；④玉米秸稈木質(zhì)素含量比大豆秸稈少，纖維素及半纖維素多，空隙率高，受力均勻易于壓實(shí)。
2.3燃燒特性試驗(yàn)
經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得成型燃料與原生物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)沒(méi)有明顯的變化，只是物理結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，導(dǎo)致燃燒特性出現(xiàn)較大的差異。根據(jù)GB/T15137 - 1994《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》、GB5468 - 91《鍋爐煙塵測(cè)試方法》及GWPB3 - 1999《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB212—91《煤的工業(yè)分析方法》和GB5186《生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測(cè)試方法》，對(duì)該生物質(zhì)成型燃料成分分析以及發(fā)熱量、灰分、燃燒性能、環(huán)保指標(biāo)等進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。
2.3.1成型燃料工業(yè)及化學(xué)分析
參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB212 - 91《煤的工業(yè)分析方法》和GB5186《生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測(cè)試方法》，對(duì)成型燃料進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，所得各成分空氣干燥基的質(zhì)量百分比及發(fā)熱量見(jiàn)表2與表3�？梢钥闯觯镔|(zhì)成型燃料的揮發(fā)分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤，灰分和含碳量小于煤，這些特點(diǎn)決定了生物質(zhì)秸稈成型燃料燃燒時(shí)與煤相比具有易燃燒、低污染等特性。
2.3.2秸稈成型燃料燃燒性能
為了取得真實(shí)的燃燒效果、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)采用在實(shí)用鍋爐中進(jìn)行燃燒性能試驗(yàn)的方式，所用鍋爐為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的生物質(zhì)成型燃料專用鍋爐。該生物質(zhì)成型燃料鍋爐采用雙層爐排、風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對(duì)流、上燃下吸式燃燒，屬于常壓熱水鍋爐，設(shè)計(jì)功率88kW，每小時(shí)燃燒消耗成型燃料20~ 27 kg。
2.3.2.1點(diǎn)火性能
取含水率8%的2種成型燃料各100 kg，每次試驗(yàn)取其中一種20 kg左右加入上爐膛，用少許稻草引燃。秸稈成型燃料特點(diǎn)是揮發(fā)分高而空隙率低、結(jié)構(gòu)密實(shí)，其組織結(jié)構(gòu)限制揮發(fā)分由內(nèi)向外的析出速度，熱量由外向內(nèi)的傳播速度減慢，由于與氧接觸面減少，使得點(diǎn)火所需的氧原生物質(zhì)點(diǎn)火有所減少，因此其點(diǎn)火性能比原生物質(zhì)有所降低，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于型煤的點(diǎn)火性能�？偟恼f(shuō)來(lái)，生物質(zhì)成型燃料的點(diǎn)火特性更趨于生物質(zhì)點(diǎn)火特性，影響成型燃料點(diǎn)火的主要因素有松弛密度、生物質(zhì)種類(lèi)、成型燃料幾何尺寸等，松弛密度越小、燃料揮發(fā)分越高而空隙率越低點(diǎn)火越容易，反之點(diǎn)火性能降低。無(wú)論何種成型燃料，其點(diǎn)火時(shí)間均比型煤引燃時(shí)間短數(shù)倍，其點(diǎn)火溫度與原生物質(zhì)相比略有提高，但遠(yuǎn)低于型煤。
2.3.2.2燃燒過(guò)程
秸稈成型燃料燃燒時(shí)，它仍不失生物質(zhì)秸稈的燃燒特性。整個(gè)燃燒過(guò)程大致為揮發(fā)物燃燒——表面焦炭過(guò)渡區(qū)燃燒——滲透擴(kuò)散燃燒——灰塊形成4個(gè)階段。其實(shí)質(zhì)屬于靜態(tài)滲透式擴(kuò)散燃燒。
首先，成型燃料燃表面可燃揮發(fā)物析出并開(kāi)始燃燒，進(jìn)行可燃?xì)怏w和氧氣的熱化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)燃燒屬于動(dòng)力區(qū)：燃燒持續(xù)10 min左右，可燃揮發(fā)物燃燒速度較快，形成藍(lán)色并略帶淺橙色的中長(zhǎng)火焰；隨后，成型燃料表層部分的碳開(kāi)始燃燒，外焰紅色加重，形成橙紅色火焰，燃燒速度變慢；燃燒又持續(xù)10 min左右，紅色漸褪，藍(lán)色、橙色變多，漸漸形成藍(lán)色外焰包圍著黃色火苗的火焰；又燃燒5 min左右，火苗藍(lán)色變少，火焰變短，這時(shí)明火較多，形成紅色火焰。
接著，燃燒逐漸向成型燃料更深層——焦炭層滲透擴(kuò)散，進(jìn)入靜態(tài)滲透區(qū)：CO氣體向外擴(kuò)散，不斷與02結(jié)合生成C02，大約經(jīng)過(guò)15 min后，成型燃料表面生成薄灰殼，外層包圍著藍(lán)色短火焰，藍(lán)色火焰又被內(nèi)部溢出的揮發(fā)分燃燒形成的黃色長(zhǎng)火焰包圍；隨著時(shí)間的推移，成型燃料進(jìn)一步向更深層發(fā)展，在層內(nèi)主要進(jìn)行碳燃燒（即C+Oz= CO），在燃料表面進(jìn)行一氧化碳的燃燒(即CO +02= C02)，這時(shí)藍(lán)色火焰消失，形成紅色的中長(zhǎng)火焰，火焰逐漸變短。這一階段燃燒溫度達(dá)到最高，大約持續(xù)30 min。
最后，燃料中剩余碳繼續(xù)燃燒：這時(shí)可燃物基本燃盡，燃料塊形成一個(gè)整體的火球，隨著燃料繼續(xù)燃燒，火焰逐漸變短，火焰顏色逐漸變暗，直至灰球表面看不出火焰，灰球變成一團(tuán)暗紅色灰塊，然后封火保溫并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一次加入成型燃料塊燃燒持續(xù)時(shí)間超過(guò)60 min，穩(wěn)定燃燒時(shí)最高溫度超過(guò)1100℃，整個(gè)過(guò)程溫度變化如圖4。圖中曲線變化說(shuō)明：由于含碳量高，大豆秸稈成型燃料最高溫度高于玉米秸稈成型燃料；揮發(fā)分高、成型密度大導(dǎo)致玉米秸稈成型燃料點(diǎn)火溫度低于大豆秸稈成型燃料，但穩(wěn)定燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；低空隙率使大豆秸稈成型燃料保溫時(shí)間長(zhǎng)且封火溫度高于玉米秸稈成型燃料。
2.3.2.3煙塵及結(jié)渣分析
待成型燃料充分燃燒后，應(yīng)用KM9106綜合煙氣分析儀測(cè)得煙塵中的CO、C02、S02、NOx體積百分比分別為CO <0.3%，5.9 <C02<11. 4%，S02 <110mL·L-1，NOx<240 mL·L-１；應(yīng)用3012H型自動(dòng)煙塵分析儀測(cè)得排煙中的煙塵濃度小于200mg·m-3。
燃燒灰渣與結(jié)渣情況也是衡量燃料優(yōu)劣的重要參數(shù)。由于秸稈灰分低，秸稈成型燃料燃燒后灰渣所占比例一般不超過(guò)其重量的10%。燃料燃燒時(shí)如果結(jié)渣嚴(yán)重則降低燃料燃燒效率，不利于鍋爐正常運(yùn)行。結(jié)渣性能除了受生長(zhǎng)秸稈的土質(zhì)（Si、K等礦物質(zhì)含量不同）影響，還隨著松弛密度增大而趨于嚴(yán)重。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，成型密度<1. 05 g· cm-3的燃料燃燒時(shí)結(jié)渣率<1.2%，成型密度> 1.05 g· cm-3的成型燃料燃燒時(shí)，由于燃料密度大，燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成爐膛中心溫度較高，容易結(jié)渣，但結(jié)渣率與型煤相比仍然是很小的。松弛密度對(duì)結(jié)渣影響曲線如圖5。
由圖5不難看出，密度越大越易結(jié)渣，松弛密度在1g· cm-3左右是比較理想的成型燃料。
3、結(jié)論與建議
(1)未經(jīng)粉碎的大粗經(jīng)秸稈同樣可以壓縮為成型燃料，而且減少設(shè)備造價(jià)，簡(jiǎn)化加工工藝，易操作、能耗低，產(chǎn)品的密度適中，易燃燒；與粉碎為細(xì)微顆粒再成型相比，生產(chǎn)原料的含水率進(jìn)一步放寬。
(2)大粒經(jīng)秸稈壓縮的成型燃料的抗水浸蝕時(shí)間比粉碎為顆粒成型產(chǎn)品顯著延長(zhǎng)，可以有效降低儲(chǔ)存、運(yùn)輸費(fèi)用。
(3)大粒經(jīng)秸稈壓縮的成型燃料燃燒性能優(yōu)于原生物質(zhì)、低粉塵、無(wú)污染、基本無(wú)CO、S02、NO。等有害氣體排放，C02被植物吸收再利用，重新進(jìn)入碳循環(huán)，秸稈成型燃料燃料屬于綠色環(huán)保燃料。
(4)作為成型燃料，從成型壓力（生產(chǎn)動(dòng)力）、燃燒狀況等因素分析，壓縮密度不宜過(guò)大，以松弛密度在
1g·cm-3左右為宜，選用大粒經(jīng)生物質(zhì)生產(chǎn)成型燃料易于滿足成型工藝要求。
三門(mén)峽富通新能源銷(xiāo)售顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備。
