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生物质成型燃料品质影响因素及成型模型研究

摘要：生物质成型燃料是煤和天然气优秀的清洁替代能源，其技术的研究得到世界越来越多的关注和重视。在生物质成型过程中，生物质化学成分的含量与其成型质量有着密切关系，不同的生物质由于化学成分含量不同，决定了要采用不同的加工参数才能形成高品质的成型燃料。为此，首先介绍了生物质成型燃料的整个加工过程，并全面分析各主要的加工参数(原料含水量、颗粒粒径、温度和压力)对成型燃料品质的影响。同时，介绍了目前被广泛运用于生物质颗粒成型研究的3个成型模型，为进一步探究不同生物质的成型规律及成型条件，优化最佳加工参数提供理论依据。

引言

随着世界石油危机的进一步加深，伴随着的日益突出环境污染和气候变暖等问题，积极开发和利用清洁替代能源已成为世界各国能源发展的重要战略。

在一定的压力和温度下，蓬松的生物质可以挤压或压缩成为体积较小、形状和尺寸规则的成型燃料，能较好地克服生物质热值低、体积密度小、物理形态不规则等缺点，降低了储藏和运输成本。由于生物质成型燃料热值接近煤热值的60％，因而可以成为煤和天然气优秀的清洁替代燃料。

生物质成型过程一般分为3个阶段：第1阶段是位置重组阶段，即在较低的压力下生物质颗粒产生流动，充实了颗粒间的较大空隙，形成一个较为紧密的压实体；第2阶段是弹性和塑性变形阶段，即生物质颗粒在较高的压力下破碎并产生弹、塑性变形，进一步填充了颗粒间的较小空隙；第3阶段是软化、冷却固结阶段，即在高温、高压下，生物质颗粒达到其熔点而软化，使颗粒更加紧密地连接在一起；冷却后颗粒问形成坚固的固相桥接，此时生物质原料容积密度进一步增大，成为热值较高的固体成型燃料。国外学者在研究木屑、玉米、大麦、小麦、油菜、水稻等生物质成型技术时发现，生物质成型过程中其化学成分的含量与其成型质量有密切关系，特别是生物质中蛋白质、淀粉、木质素、纤维素是天然的粘接剂，其含量直接决定成型燃料的品质。

由于各种生物质化学成分不尽相同，每一种生物质成型的最佳加工参数(原料含水量、原料颗粒大小、温度、压力等)也不同。本文首先介绍了生物质成型燃料的整个加工过程，并全面探讨了各主要加工参数对成型燃料品质的影响；然后在总结前人工作的基础上，讨论了目前广泛运用于生物质颗粒成型研究的3个成型模型，为进一步探究不同生物质的成型规律及成型条件、确定最佳加工参数提供理论依据。

1生物质成型燃料加工过程

生物质成型燃料的加工过程大致分为以下几个步骤：原料收集、干燥、粉碎、固化成型、冷却，装箱、储藏，如图1所示。生产原料一般是农业秸秆或锯末、木屑等林业废弃物。原料首先经过自然干燥，将含水量由原来的30％～55％降到20％左右，然后用饲料切碎机将原料切碎，再用锤片式粉碎机进一步粉碎。粉碎后的生物质颗粒尺寸一般在3mm以下，再经过热风干燥或微波干燥，将含水量进一步降到15％以下。如果干燥过多，还要根据不同生物质对湿度的要求进行调质处理，将水分控制在适当的范围，然后利用成型设备在一定压力和温度下将原料挤压或压缩成型；再经过一定时间的冷却定型后进行筛分和除尘，然后装箱储存。在整个加工过程中，不同的生物质对原料的含水量、颗粒粒径的大小、温度和压力等加工参数有不同的要求，加工参数选择不当，对生物质成型燃料的品质影响很大。

2加工参数对生物质成型燃料品质的影响

2.1原料含水量

在成型过程中，适当的水分是生物质成型的必备条件之一。首先，水分是天然的粘接剂和润滑剂。它可以在生物质颗粒之间形成薄膜，导致颗粒之间的接触面积增大，从而增大了颗粒之间的相互作用力(范德华力)，提高了生物质固化成型能力；薄膜还可以减少成型过程中原料和模具之间以及原料颗粒之间的摩擦力，减少能耗。此外，生物质成型过程中淀粉的凝胶作用是提高颗粒之间粘接力的重要因素，而适当的水分是促进淀粉凝胶的重要条件。

但是，过多的水分也会影响生物质成型品质，原因是多余的水分不能被原料颗粒吸收而附着在颗粒表面上，致使颗粒物料不易压紧，导致燃料强度和耐久性差。另外，水分过多会造成成型燃料脱模性能变差，压制过程中产生水蒸汽过多，压制阻力加大，能耗增加。一般来说，生物质原料的最佳含水量在8％～12％之间，高于或低于最佳值，颗粒燃料的品质都会降低。根据国外学者的研究报道，不同的生物质最佳的原料含水量不尽相同。Li和Liu在研究木质颗粒燃料成型条件时得出，生产木质颗粒燃料的原料含水量应在6％～12％范围内，当原料含水量在8％时，生产出来的颗粒燃料质量最好。Srivastava在研究干草(加入20％苜蓿)压块燃料(直径为150am)时指出，当原料含水量从3％增加到11％时，压块燃料的耐久指数由27％上升到96％；而当原料含水量从11％增加到25％时，压块燃料的耐久指数从9