關(guān)鍵詞：生物質(zhì)固體燃料 竹材 竹材顆粒燃料制備與性能
能源短缺和環(huán)境危機(jī)是當(dāng)今社會關(guān)注的焦點(diǎn)，也是現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸。地球的化石能源時代逐漸走向終結(jié)，我國的化石能源形勢也十分嚴(yán)峻。能源供需緊缺將制約我國經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，尋找新的、可再生能源己成為我國的當(dāng)務(wù)之急。對比化石能源，生物質(zhì)能因其可再生、資源豐富、生態(tài)環(huán)境友好而逐漸成為能源產(chǎn)業(yè)的新生力量，在當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演重要角色。目前，生物質(zhì)能源主要包括固態(tài)生物質(zhì)燃料、液態(tài)生物質(zhì)燃料和氣態(tài)生物質(zhì)燃料。因生產(chǎn)工藝簡單、產(chǎn)業(yè)化和規(guī)�；膶�(shí)現(xiàn)容易，產(chǎn)品易儲存、運(yùn)輸、使用方便、清潔環(huán)保、燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)，生物質(zhì)固體燃料已成為生物質(zhì)能源家族一個重要的成員，富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)成型顆粒燃料，生物質(zhì)顆粒燃料如下圖所示：
根據(jù)原料的來源，生物質(zhì)顆粒燃料原料可分為農(nóng)業(yè)剩余物、林業(yè)剩余物、水生植物、人畜糞便和生活有機(jī)垃圾、城市和工業(yè)有機(jī)廢棄物等。Abasaeed (1992)論證農(nóng)業(yè)剩余物，棉花秸稈可作為蘇丹生物質(zhì)能源的主要原料，得出棉花秸稈顆粒燃料碳化后不會對環(huán)境產(chǎn)生影響，是一種可被社會接受的燃料，同時解決棉花秸稈的廢棄物問題。Yaman等(2000)利用造紙廢棄物和橄欖廢棄物制備高機(jī)械強(qiáng)度的生物煤球，并用熱重分析其熱解特性和燃燒特性。Paulrud和Nilsson (2001)利用蘆葦草壓制成顆粒燃料，研究測量蘆葦草顆粒燃料燃燒時的煙氣排放和灰分含量變化。Demirbas和Ayse(2004)利用一些廢棄的材料制備生物質(zhì)顆粒燃料，并對其水分含量、強(qiáng)度、熱值、耐水性能等進(jìn)行測量，得出原料含水率增加，燃料的物理性能有所增加。羅娟等( 2010)對北京地區(qū)8種典型的生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行燃燒性能測試試驗(yàn)，得出揮發(fā)份含量越高，含水率越低，生物質(zhì)顆粒燃料所需的點(diǎn)火時間越短。1、竹材是我國研究和開發(fā)生物質(zhì)固體燃料的潛力資源
1.1竹子生長速度快
竹子是世界上生長最快的植物之一。竹子的每一節(jié)都是一個生長點(diǎn)，都在同時生長，慢時每晝夜高生長20～30cm，快時每晝夜高生長達(dá)150～200cm。毛竹30～40天可長高15～18m，巨龍竹100～120天可長高30～35m。竹子一般在造林后3～5年即可成林，具備生物量生產(chǎn)的能力。
1.2我國竹子種類多，竹材儲蓄量大
我國的竹材資源十分豐富，竹材蓄積量巨大。竹林在我國被稱為“第二森林”，竹林面積在世界上居第二位，竹林產(chǎn)量在世界上居第一位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界有竹類植物70余屬，1200余種，全球竹林面積約2200萬公頃，年生產(chǎn)竹材約1500～2000萬噸。我國共有竹種40個屬，530余種竹子種類，現(xiàn)有竹林總面積538.1萬公頃，其中，毛竹林面積約為300萬公頃。竹材年產(chǎn)量1800萬噸，年伐竹量約850萬噸，其中商品竹約600萬噸。
1.3我國竹材資源分布廣
世界竹林主要分布在熱帶和亞熱帶地區(qū)，少數(shù)分布在溫帶和寒帶地區(qū)。按地理位置分布可分為亞太竹區(qū)、美洲竹區(qū)和非洲竹區(qū)三大竹區(qū)。我國竹林分布廣泛，但具有明顯的地帶性和區(qū)域性，集中分布于浙江、江西、安徽、湖南、湖北、福建、廣東、廣西、貴州、四川、重慶、云南等地的山區(qū)。根據(jù)地理位置，我國的竹資源可分為四個竹區(qū)：(1)黃河．長江竹區(qū)，位于北緯300-400之間，主要有剛竹屬、苦竹屬、箭竹屬、赤竹屬、青籬竹屬和巴山木竹屬等竹種；(2)長江．嶺南竹區(qū)，位于北緯250～300之間，主要有剛竹屬、苦竹屬、短惠竹屬、大節(jié)竹屬、慈竹屬和方竹屬等竹種；(3)華南竹區(qū)，位于北緯10°～20°之間，主要有牡竹屬、酸竹屬、藤竹屬、巨竹屬、茶稈竹屬、泡竹屬、薄竹屬、梨竹屬等竹種；(4)西南高山竹區(qū)，主要有方竹屬、箭竹屬、玉山竹屬、慈竹屬等竹種(江澤慧，2002)。
1.4竹材整竹可制備生物質(zhì)固體燃料
竹材具有直徑小、壁薄中空、尖削度大等結(jié)構(gòu)特性，使得竹材的工業(yè)化利用率較低，約為40%左右，60%以上竹材變成廢棄物。在竹材壁厚方向上，竹材又分為竹青（竹材的外側(cè)）、竹黃（竹材的內(nèi)測）和竹肉（竹材的中間部位）三部分。三者之間在顯微結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和物理力學(xué)性能上差異很大，使其不能同時進(jìn)行工業(yè)化利用。比如在竹復(fù)合材料領(lǐng)域，一般要先去除竹材的竹青和竹黃部分，僅對竹肉部分進(jìn)行工業(yè)化利用，增加了加工難度和降低了生產(chǎn)效率。若利用竹材制備生物質(zhì)固體燃料，可將竹材整竹利用，將大大提高竹材的工業(yè)化利用率，有利于搭建資源節(jié)約型竹產(chǎn)業(yè)。
2、制備竹材顆粒燃料可行性的理論分析
2.1竹材的顯微構(gòu)造滿足生物質(zhì)顆粒燃料成型條件
細(xì)胞是構(gòu)成竹材的基本單元。竹材的生長發(fā)育過程是通過細(xì)胞的不斷分裂和擴(kuò)大，使得其體積和質(zhì)量不斷增加的過程。木竹材的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)類似，均是由初生壁和次生壁組成。初生壁的微纖絲排列總體上呈無定形的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而次生壁按其微纖絲角的排列方向均分為S１層、S2層和S3層結(jié)構(gòu)。竹材細(xì)胞壁均可逐一分解成大纖絲或粗纖絲（0.4～1.0um的絲狀結(jié)構(gòu)），微纖絲（10nm-30nm的絲狀結(jié)構(gòu)），纖維素分子鏈（包括結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)），纖維素分子和構(gòu)成纖維素的分子團(tuán)。竹材的顯微結(jié)構(gòu)特性滿足生物質(zhì)固體燃料的成型條件。如圖3所示，在壓縮初期，壓力傳遞至竹材顆粒，使松散堆積的竹材顆粒排列結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，竹材顆粒內(nèi)部空隙率減少。當(dāng)壓力逐漸增大時，大粒徑的竹材粒子在壓力作用下破碎成細(xì)小的粒子，細(xì)小粒子開始充填空隙，粒子間通過分子吸引力或靜電引力連接起來。隨著壓力的進(jìn)一步增加，粒子間緊密地接觸而互相嚙合，形成了橋接。同時，竹材顆粒發(fā)生變形或塑性流動，一部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，使粒子間結(jié)合更牢固。Nalladurai等(2010)分析了玉米秸稈顆粒燃料的結(jié)合形式，指出玉米秸稈顆粒間主要通過橋接到一起。
2.2竹材細(xì)胞壁物質(zhì)的化學(xué)組成滿足生物質(zhì)顆粒燃料成型條件
竹材細(xì)胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素以及一些抽提物和灰分組成。纖維素分子鏈聚集成束并以排列有序的微纖絲狀態(tài)存在于細(xì)胞壁之中，起骨架物質(zhì)作用。半纖維素以無定形狀態(tài)滲透在骨架物質(zhì)之中，起基體粘結(jié)作用。木質(zhì)素填充在纖維素和半纖維素之間，可使細(xì)胞壁堅(jiān)硬。木竹材細(xì)胞壁物質(zhì)化學(xué)組成的基本構(gòu)成單元類似。木竹材纖維素均是由吡喃葡萄糖單體聚合而成的，在1～4碳原子上以B-甙鍵連接：半纖維素是由木糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖等多糖組成的一種聚合物；木質(zhì)素的構(gòu)成單元是苯基丙烷——是一種非結(jié)晶性的、三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高聚物(徐有明，2006)。在一定含水率條件下，木質(zhì)素的軟化點(diǎn)較低，軟化后形成膠體物質(zhì)，在竹材顆粒燃料成型過程中起到粘結(jié)劑功能，可粘附和聚合竹材顆粒，提高了竹材顆粒燃料的結(jié)合強(qiáng)度和耐久性(Liu等，2012)。Wolfgang等(2011)利用DMA分析了麥草秸稈中無定性物質(zhì)的熱轉(zhuǎn)變，指出其木質(zhì)素的軟化溫度約為53℃。半纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等成分是竹材成分中主要的無定性物質(zhì)，軟化這些物質(zhì)有助于提高生物質(zhì)顆粒燃料的強(qiáng)度。
目前，國內(nèi)外利用木材制備生物質(zhì)固體燃料的生產(chǎn)技術(shù)相對成熟。如Sayed和Bhattachary( 1992)利用三種不同的溫度預(yù)處理木屑，并研究其顆粒燃料的成型過程。Ooi和Siddiqui (2000)利用木屑、稻殼、花生殼、椰子纖維等分別制備生物質(zhì)顆粒燃料，并測試其松弛行為、機(jī)械強(qiáng)度和燃燒特性。Taulbee等(2009)研究了煤粉和木屑顆粒燃料的壓縮成型工藝，考察了膠黏劑用量、木屑的種類、成型壓力、煤粉和木屑的尺寸、原料含水率、成型壓力和壓縮時間對產(chǎn)品性能的影響。蔣劍春等( 1999)研究了林業(yè)剩余物制造顆粒燃料技術(shù)。通過對比分析木竹材的細(xì)胞構(gòu)造和化學(xué)組成可知，利用竹材制備生物質(zhì)顆粒燃料是可行的。
2.3竹材的熱解特性表明其適合制備生物質(zhì)固體燃料
生物質(zhì)固體燃料燃燒是一個強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)過程，是燃料和空氣間的傳熱、傳質(zhì)過程。生物質(zhì)固體燃料的燃燒過程包括水分蒸發(fā)，揮發(fā)物燃燒和焦碳燃燒等過程。燃燒時，必須有足夠溫度的熱量供給和適當(dāng)?shù)目諝夤⿷?yīng)，使生物質(zhì)材料首先熱解出可燃的揮發(fā)物，并在空氣中燃燒。因此，生物質(zhì)材料中可燃性揮發(fā)物的熱解溫度越低，越有利于生物質(zhì)固體燃料的燃燒。作者分析7種竹材（毛竹、慈竹、綠竹、水竹、麻竹、粉單竹和撐篙竹）和人工林杉木的熱解特性，結(jié)果表明，7種竹材與人工林杉木的熱解過程是類似的，熱解過程包括失水干燥、預(yù)熱解、快速熱解和殘余物緩慢熱解4個階段。但每個熱解階段，竹材的熱解溫度低于人工林杉木，表明竹材熱解時，其可燃性揮發(fā)物較人工林杉木更易熱解析出，其生物質(zhì)固體燃料更易燃燒。
3、竹材顆粒燃料的制備和性能測試
3.1竹材顆粒燃料的制備
基于上述分析，本研究以毛竹(Phyllostachys heterocycla)為原料，采自于美國路易斯安那州，初含水率約為6.13%，氣干密度約為0.65g/cm3。毛竹首先被切割成40mm（縱向）x3～8mm（徑向）x20～30mm（弦向）試件。利用木材粉碎機(jī)制備竹材顆粒，并通過機(jī)械篩選獲得3種粒徑的竹材顆粒。利用L-175型常溫滾壓式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)研究制備竹材顆粒燃料，試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。
表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
| 試驗(yàn)號 | 含水率（%） | 粒徑（mm） |
| 1 | 8 | PS1 |
| 2 | 8 | PS2 |
| 3 | 8 | PS3 |
| 4 | 12 | PS1 |
| 5 | 12 | PS2 |
| 6 | 12 | PS3 |
| 7 | 16 | PS1 |
| 8 | 16 | PS2 |
| 9 | 16 | PS3 |
(1)本試驗(yàn)選擇三種顆粒大小的竹材原料，其中，PS1的竹材顆粒粒徑大于1.18mm，PS2的竹材顆粒粒徑介于1.18～0.84mm，PS3的竹材顆粒粒徑小于0.84mm。
(2)將上述三種粒徑大小的竹材顆粒分別放入恒溫恒濕室內(nèi)進(jìn)行調(diào)濕處理。為了獲得含水率分別約為8%和12%的竹材顆粒，設(shè)定恒溫恒濕室的參數(shù)為溫度27℃，相對濕度為65%和90%。對于含水率16%的竹材顆粒，通過增加定量蒸餾水的方式調(diào)解其含水率。
(3)將上述調(diào)濕處理的竹材顆粒放在密封袋，并在溫度為27℃，相對濕度為65%的恒溫恒濕室內(nèi)平衡48h，旨在使竹材顆粒的含水率分布均勻。
(4)設(shè)定常溫滾壓式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)為220R/min。
(5)采用手動的進(jìn)料方式將竹材顆粒連續(xù)的加入生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)內(nèi)進(jìn)行竹材顆粒燃料的制備。將制備好的竹材顆粒燃料放在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)7天，待其性能穩(wěn)定后再進(jìn)行性能測定。
3.2測試結(jié)果
根據(jù)美國燃料協(xié)會《民用／商用生物質(zhì)顆粒燃料》和德國國家標(biāo)準(zhǔn)《木質(zhì)顆粒燃料》對竹材顆粒燃料性能進(jìn)行檢測和評價(jià)。
3.2.1含水率對竹材顆粒燃料性能的影響
不同含水率制備的竹材顆粒燃料的性能見表2。竹材顆粒燃料的平均長度在12.71mm和11.69mm之間變化。顆粒燃料的長度影響其燃燒時的進(jìn)料性能。顆粒燃料長度越短，燃燒時越容易連續(xù)流動進(jìn)料。三種含水率條件下（8%，12%和16%），竹材顆粒燃料的直徑差異較小，其值分別為6.09mm，6.03mm和6.04mm。產(chǎn)生差異的原因是顆粒內(nèi)部水分移動破壞其成型過程中形成的粘接(Mahapatra等，2010)。生物質(zhì)顆粒燃料的尺寸是影響其燃燒性能的主要影響因子。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，尺寸小的顆粒燃料具有更加穩(wěn)定的燃燒速度，特別是在小的燃燒爐內(nèi)( Paivi，2001)。竹材顆粒燃料的吸濕性在10.95%和11.35%之間變化。竹材顆粒燃料的吸濕性與水分在其內(nèi)部移動的難易密切相關(guān)。三種含水率條件下制備的竹材顆粒燃料內(nèi)部空隙不同。空隙越大，水分在其內(nèi)部異動越容易；空隙趟小，水分在其內(nèi)部異動越難。竹材顆粒燃料的單元密度和堆積密度隨其含水率的增加而增加。在三個含水率水平下，竹材顆粒燃料單元密度和堆積密度分別為l.05g/cm3，1.14g/cm3，1.20g/cm3和0.52g/cm3，0.63g/cm3，0.65g/crn3。生物質(zhì)顆粒燃料的運(yùn)輸和存儲效率與其堆積密度密切相關(guān)。堆積密度的增加可提高運(yùn)輸效率和降低存儲空間。竹材顆粒燃料的抗破碎性隨著其含水率的增加而降低，其耐久性隨著竹材含水率的增加而增加。三種含水率水平下，竹材顆粒燃料的耐久性分別為95.07%，97.95%和98.38%。單元密度是影響竹材顆粒燃料抗破碎性和耐久性的重要因子。竹材顆粒燃料單元密度越大，其耐久性越好，抗破碎性最好。竹材顆粒燃料的灰分含量在1.46%～1.34%之間波動。生物質(zhì)顆粒燃料的灰分含量與其礦物質(zhì)成分和燃燒過程密切相關(guān)（Dick等，2007）。在生物質(zhì)顆粒燃料成型過程中，生物質(zhì)成分中有機(jī)物質(zhì)含量降低可能導(dǎo)致其灰分含量的增加。對于含水率高的竹材材料，水分在成型過程中使竹材顆粒更容易通過成形孔，其有機(jī)物質(zhì)成分降低越少。因此，含水率為16%的竹材制備的顆粒燃料灰分含量最低，最后為含水率為8%的竹材。不同含水率條件下制備竹材顆粒燃料的燃燒熱值變化不大，其值分別為18465J/g，1843 8J/g和18457J/g。產(chǎn)生差異的原因是不同條件下制備竹材顆粒燃料的含水率不同，燃燒過程中部分熱量被用于蒸發(fā)其內(nèi)部的水分，造成了熱量損失。
表2 不同含水率制備的竹材顆粒燃料性能
| 含水率（%） | 長度（mm） | 直徑（mm） | 吸濕性（%） | 單元密度（g/cm3） | 堆積密度（g/cm3） | 抗破碎性（%） | 耐久性（%） | 灰分（%） | 熱值（j/g） |
| 8 | 12.50 | 6.086 | 11.12 | 1.05 | 0.522 | 0.41 | 95.07 | 1.46 | 18465 |
| 12 | 12.71 | 6.036 | 11.35 | 1.14 | 0.625 | 0.54 | 97.95 | 1.37 | 18438 |
| 16 | 11.69 | 6.044 | 10.95 | 1.20 | 0.652 | 0.27 | 98.38 | 1.34 | 18457 |
不同顆粒粒徑制備的竹材顆粒燃料的性能見表3。竹材顆粒燃料的平均長度隨著竹材粒徑的增加而降低。在三種粒徑條件下(PS1、PS2和PS3)，試件長度分別為12.62mm，12.24mm和11,94mm。在三種粒徑條件下，竹材顆粒燃料的直徑差異較小，其值分別為6.05mm，6.06mm和6.05mm。竹材顆粒燃料的吸濕性隨竹材粒徑的變化而變化，主要原因是竹材顆粒內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不同和三種竹材顆粒的比表面積不同造成的。當(dāng)水分接觸到竹材顆粒表面時，同時發(fā)生吸附、擴(kuò)散和滲透。竹材顆粒燃料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)影響水分的移動。當(dāng)竹材的粒徑越大時，制備的竹材顆粒燃料內(nèi)部空隙的體積越大和數(shù)量越多，水分的移動越容易。竹材顆粒燃料的單元密度和堆積密度隨竹材粒徑的增加而降低，但三種粒徑條件下，其變化不大。竹材顆粒燃料的抗破碎性隨著竹材粒徑率的增加而降低，其抗破碎性的最低值出現(xiàn)在竹材粒徑為PS3的水平上。
表3 不同顆粒粒徑制備的竹材顆粒燃料性能
| 顆粒粒徑 | 長度（mm） | 直徑（mm） | 吸濕性（%） | 單元密度（g/cm3） | 堆積密度（g/cm3） | 抗破碎性（%） | 耐久性（%） | 灰分（%） | 熱值（j/g） |
| PS1 | 12.62 | 6.052 | 11.31 | 1.11 | 0.599 | 0.28 | 97.96 | 1.45 | 18463 |
| PS2 | 12.24 | 0.062 | 11.32 | 1.13 | 0.600 | 0.49 | 97.21 | 1.15 | 18464 |
| PS3 | 11.94 | 6.053 | 10.79 | 1.16 | 0.600 | 0.46 | 96.23 | 1.57 | 18434 |
4、結(jié)論
在未來的能源消耗中，氫能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能和海洋熱能被認(rèn)為可替代傳統(tǒng)化石能源的幾種主要能源。其中，唯有生物質(zhì)能是碳基、可再生的清潔能源。由于生物質(zhì)的種類繁多和分布廣泛等特點(diǎn)，全世界的大多數(shù)人可以使用和利用它。生物質(zhì)能源己成為各國世界能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，在世界能耗中，生物質(zhì)能耗占能源總量的14%左右，特別是一些不發(fā)達(dá)地區(qū)，生物質(zhì)能耗占能源總量的60%以上。
作為一種生物質(zhì)資源，竹材在我國的儲存量大，分布廣泛，是我國開發(fā)利用生物質(zhì)固體燃料的潛力資源。本研究制備的竹材顆粒燃料所有性能均能滿足美國顆粒燃料協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)《民用／商用生物質(zhì)顆粒燃料》的要求，其燃燒熱值也滿足德國標(biāo)準(zhǔn)《木質(zhì)顆粒燃料》中規(guī)定的關(guān)于商業(yè)用生物質(zhì)顆粒燃料燃燒熱值的最低要求(>17500J/g)。竹材顆粒燃料是一種新的生物質(zhì)顆粒燃料，具有商業(yè)化開發(fā)潛力。
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