目前，不少農村大量燃用液化氣、煤炭等礦物能源燃料，使得農林廢棄物、農作物秸稈、糠渣、谷殼的剩余量越來越大。這些廢棄生物質體積密度小，占用空間大，到處堆積，銷毀處理不易，掩埋困難，荒燒又會嚴重破壞農業(yè)生態(tài)環(huán)境。為此，科研人員研究了多種生物質處理及再利用技術，其中生物質壓縮成型就是比較成熟的技術之一。生物質秸稈收割后經(jīng)過干燥、粉碎，再經(jīng)生物質成型設備擠壓成棒狀、塊狀或顆粒等成型燃料，其密度可達0.8～1. 35 g·cm^-3，體積壓縮比7 ～10倍，便于儲存、處理和運輸。現(xiàn)有的國內外生物質成型工藝絕大多數(shù)要先將秸稈經(jīng)過秸稈粉碎機粉碎至極為細小的顆粒或粉末，然后經(jīng)成型設備壓縮成型，否則不能成型或難以成型。
    作者利用河南農業(yè)大學研制的HPB - III型生物質秸稈成型設備進行粗大秸稈擠壓成型試驗，將原料的粒度大大放寬，粗大玉米秸稈只需簡單切碎，對麥秸、豆秸、稻殼、花生殼等直徑小于1 cm，長度小于25cm的大粒徑松軟生物質秸稈，不需要粉碎便可輸入成型機擠壓出成型燃料。不但降低了粉碎秸稈的能耗，減少了生產環(huán)節(jié)，還有效地提高了生產效率。由于擠壓時高溫高壓調整了原生物質含水率，改變了其分子結構，成型后生物質內部空隙率大大減少，揮發(fā)分被濃縮，容積密度增大，從而改善了生物質成型燃料的燃燒特性。作者利用河南農業(yè)大學農業(yè)部可再生能源重點實驗室研制的生物質成型燃料專用鍋爐對產品進行的燃燒試驗表明，成型燃料點火容易，燃燒過程無粉塵污染，燃燒效率高，達到與中質煙煤的相當?shù)娜紵�效果，生態(tài)效益尤其顯著。
    我國的生物質能利用超過全國總能源消耗的40%，在農村基本用能90%以上是由生物質能源提供的。生物質秸稈成型燃料市場潛力巨大，作為清潔能源替代礦物燃料，不但可以緩解能源危機，減輕環(huán)境污染，同時為改善農民生活條件及農村生態(tài)環(huán)境、增加農民經(jīng)濟收入、支援“三農”建設提供了新的技術途徑。
1、試驗材料與方法
1.1準備試驗原料
    試驗采用河南農業(yè)大學科教園提供的本年度收割成熟玉米秸稈、大豆秸稈，自然風干至含水率25%以下，然后應用改進的臥式錘片粉碎機將玉米秸稈切碎，要求粉碎后秸稈長度不大于25 cm便可入倉備用；大豆秸稈抽出籽粒時已被太陽光干燥，碾壓后絕大部分秸稈粒度已滿足成型要求，可不粉碎。試驗前將原料從倉庫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主要試驗設備
1.2.1成型設備
主要包括電機、液壓系統(tǒng)、活塞沖桿、成型套筒和電加熱圈等部分。HPB - III型成型機額定壓力31.5MPa，正常工作壓力25 MPa，生產能力根據(jù)原料不同最高可達600 kg  h-l，主電機功率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)結并指示加熱溫度，另外配有自動輸送上料機等輔助系統(tǒng)。成型設備簡圖如圖1所示。
 
1.2.2生物質燃燒鍋爐
    采用河南農業(yè)大學農業(yè)部可再生能源重點實驗室自行研制的88kW生物質成型燃料鍋爐對成型燃料的燃燒性能進行測試。
1.2.3其他儀器和設備
    IRT - 2000A手持式快速紅外測溫儀；KM9106綜合煙氣分析儀；3012H型自動煙塵測試儀；游標卡尺、秒表、烘干箱、磅秤、電子天平等。
1.3熱壓成型機理與試驗方法
    植物細胞中含有纖維素、半纖維素，還有木質素。秸稈中木質素含量為14%~25%。木質素是具有芳香族特性的結構單體為苯丙烷型的立體結構高分子化合物，在植物細胞中，有增強細胞壁、粘合纖維的作用。木質素屬于非晶體，在常溫下，其主要部分不溶于任何溶劑，也沒有熔點，但有軟化點，當溫度達到70℃~ 110℃時，粘結力增加，在200℃~300℃的高溫條件下，木質素將會軟化、液化，此時加以一定的壓力使其與纖維素緊密粘結，內部相鄰生物質顆粒相互膠合，外部析出焦油或焦化，冷卻后即可成型而不會散開。由于秸稈中木質素的這種特性，秸稈的熱壓成型可不需任何添加劑或粘結劑，不僅降低生產成本，還由于高溫下析出物的潤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，主電機啟動，帶動液壓泵輸出液力(額定壓力31. 5MPa)，由電液閥控制油缸驅動雙向活塞沖桿往復運動。在指示溫度220℃~ 260℃時，喂入料經(jīng)送料帶自動送入喂料斗，攪拌電機驅動攪龍將喂入料推入預壓缸一次壓縮，隨后一次壓縮料被推入成型套筒，正常工作達到壓力25MPa(壓力表讀數(shù))，由雙沖桿油缸驅動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，套筒內徑為50~120 mm可調，本次試驗使用內徑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后立即用游標卡尺測量其直徑和長度，然后將其在室溫條件下裸露放置3周(室內相對濕度為60%~75%，室內環(huán)境溫度28℃~32℃)，再測量1次；取含水率不同的5塊成型樣本分別測量，然后取其平均值，隨后對成型燃料進行抗水性試驗。
2、試驗結果與討論
2.1含水率對松弛密度的影響
    在合適的溫度及壓力下壓縮的成型燃料，原料含水率會對其成型密度產生影響。成型塊推出壓模后含水率會發(fā)生變化，隨著放置時間的延長而趨于相近。當成型塊從成型套筒推出1 min后，立即用游標卡尺測量其直徑和長度，同時稱其質量，然后在室溫28℃、相對濕度70%條件下，裸露室內放置3周，待其體積、質量基本穩(wěn)定后再測量1次，此時測得的密度稱為松弛密度。含水率對松弛密度的影響如表1。為了保證測量數(shù)值準確，取原料含水率分別是8%、12%、15%、18%和21%，直徑為120 mm.長度為100 mm的成型燃料各5塊，分組測量取其平均值，并計算密度變化率。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
    含水率對松弛密度的影響見表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。一般認為，松弛密度大于或接近1g· cm^-3的成型燃料無論對于燃燒、儲存、運輸都是比較理想的。當含水率大約為12%時，成型密度最大，密度變化率最小，原料的含水率為8%～15%時均可得到較理想的成型密度。含水率過高或過低，均不易成型，不但動力消耗大，生產率大大降低，而且難以存放。含水率過低的成型燃科，容易吸空氣中水分導致脹裂變形；若含水率較高，由于傳熱系數(shù)增大，電熱損失增加，還會導致成型后耐久性差，甚至由于內部高壓水蒸汽而脹裂、爆裂散開，還常常會發(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價其穩(wěn)定性的一個重要指標，耐水浸能力差的成型燃料會給運輸、儲存帶來麻煩，需要增加防水防潮投資。試驗證明大粒徑秸稈加工成型燃料的耐水性優(yōu)于細小粉粒加工而成的成型燃料，而且抗沖擊能力強。
任意取露天放置3周后的不同原料含水率、相近長度的成型物放入水池中(為了便于試驗，成型燃料長度不大于100 mm)，添加自來水浸沒試驗物，觀察并記錄成型燃料的脹裂、散開時間，結果如圖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間長于大豆秸稈成型燃料，最久可持續(xù)300 h以上不散開，含水率過高、過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間遠長于其他成型產品。。主要原因是：①成型時大粒徑秸稈的長纖維沒有被破壞，多數(shù)纖維相互膠合、絞連在一起；②200℃以上的高溫會使生物質與成型套筒在接觸面析出蠟質或形成焦化層，阻止水分浸入；③成型密度較大，空隙率大大縮小，成型燃料結構密實；④玉米秸稈木質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。
2.3燃燒特性試驗
    經(jīng)試驗測得成型燃料與原生物質的化學性質沒有明顯的變化，只是物理結構重新調整，導致燃燒特性出現(xiàn)較大的差異。根據(jù)GB/T15137 - 1994《工業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》、GB5468 - 91《鍋爐煙塵測試方法》及GWPB3 - 1999《鍋爐大氣污染物排放標準》，參照國家標準GB212—91《煤的工業(yè)分析方法》和GB5186《生物質燃料發(fā)熱量測試方法》，對該生物質成型燃料成分分析以及發(fā)熱量、灰分、燃燒性能、環(huán)保指標等進行測驗。
2.3.1成型燃料工業(yè)及化學分析
    參照國家標準GB212 - 91《煤的工業(yè)分析方法》和GB5186《生物質燃料發(fā)熱量測試方法》，對成型燃料進行工業(yè)分析和元素分析，所得各成分空氣干燥基的質量百分比及發(fā)熱量見表2與表3。可以看出，生物質成型燃料的揮發(fā)分遠遠高于煤，灰分和含碳量小于煤，這些特點決定了生物質秸稈成型燃料燃燒時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
    為了取得真實的燃燒效果、可靠的試驗數(shù)據(jù)，本試驗采用在實用鍋爐中進行燃燒性能試驗的方式，所用鍋爐為河南農業(yè)大學農業(yè)部可再生能源重點實驗室自行研制的生物質成型燃料專用鍋爐。該生物質成型燃料鍋爐采用雙層爐排、風機強制對流、上燃下吸式燃燒，屬于常壓熱水鍋爐，設計功率88kW，每小時燃燒消耗成型燃料20~ 27 kg。
2.3.2.1點火性能
    取含水率8%的2種成型燃料各100 kg，每次試驗取其中一種20 kg左右加入上爐膛，用少許稻草引燃。秸稈成型燃料特點是揮發(fā)分高而空隙率低、結構密實，其組織結構限制揮發(fā)分由內向外的析出速度，熱量由外向內的傳播速度減慢，由于與氧接觸面減少，使得點火所需的氧原生物質點火有所減少，因此其點火性能比原生物質有所降低，但遠遠高于型煤的點火性能。總的說來，生物質成型燃料的點火特性更趨于生物質點火特性，影響成型燃料點火的主要因素有松弛密度、生物質種類、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火越容易，反之點火性能降低。無論何種成型燃料，其點火時間均比型煤引燃時間短數(shù)倍，其點火溫度與原生物質相比略有提高，但遠低于型煤。
2.3.2.2燃燒過程
    秸稈成型燃料燃燒時，它仍不失生物質秸稈的燃燒特性。整個燃燒過程大致為揮發(fā)物燃燒——表面焦炭過渡區(qū)燃燒——滲透擴散燃燒——灰塊形成4個階段。其實質屬于靜態(tài)滲透式擴散燃燒。
    首先，成型燃料燃表面可燃揮發(fā)物析出并開始燃燒，進行可燃氣體和氧氣的熱化學反應，此時燃燒屬于動力區(qū)：燃燒持續(xù)10 min左右，可燃揮發(fā)物燃燒速度較快，形成藍色并略帶淺橙色的中長火焰；隨后，成型燃料表層部分的碳開始燃燒，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，藍色、橙色變多，漸漸形成藍色外焰包圍著黃色火苗的火焰；又燃燒5 min左右，火苗藍色變少，火焰變短，這時明火較多，形成紅色火焰。
    接著，燃燒逐漸向成型燃料更深層——焦炭層滲透擴散，進入靜態(tài)滲透區(qū)：CO氣體向外擴散，不斷與02結合生成C02，大約經(jīng)過15 min后，成型燃料表面生成薄灰殼，外層包圍著藍色短火焰，藍色火焰又被內部溢出的揮發(fā)分燃燒形成的黃色長火焰包圍；隨著時間的推移，成型燃料進一步向更深層發(fā)展，在層內主要進行碳燃燒（即C+Oz= CO），在燃料表面進行一氧化碳的燃燒(即CO +02= C02)，這時藍色火焰消失，形成紅色的中長火焰，火焰逐漸變短。這一階段燃燒溫度達到最高，大約持續(xù)30 min。
    最后，燃料中剩余碳繼續(xù)燃燒：這時可燃物基本燃盡，燃料塊形成一個整體的火球，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，灰球變成一團暗紅色灰塊，然后封火保溫并記錄試驗數(shù)據(jù)。
試驗發(fā)現(xiàn)，一次加入成型燃料塊燃燒持續(xù)時間超過60 min，穩(wěn)定燃燒時最高溫度超過1100℃，整個過程溫度變化如圖4。圖中曲線變化說明：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、成型密度大導致玉米秸稈成型燃料點火溫度低于大豆秸稈成型燃料，但穩(wěn)定燃燒持續(xù)時間長；低空隙率使大豆秸稈成型燃料保溫時間長且封火溫度高于玉米秸稈成型燃料。
2.3.2.3煙塵及結渣分析
    待成型燃料充分燃燒后，應用KM9106綜合煙氣分析儀測得煙塵中的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；應用3012H型自動煙塵分析儀測得排煙中的煙塵濃度小于200mg·m^-3。
    燃燒灰渣與結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其重量的10%。燃料燃燒時如果結渣嚴重則降低燃料燃燒效率，不利于鍋爐正常運行。結渣性能除了受生長秸稈的土質（Si、K等礦物質含量不同）影響，還隨著松弛密度增大而趨于嚴重。試驗發(fā)現(xiàn)，成型密度<1. 05 g· cm^-3的燃料燃燒時結渣率<1.2%，成型密度> 1.05 g· cm^-3的成型燃料燃燒時，由于燃料密度大，燃燒持續(xù)時間長，造成爐膛中心溫度較高，容易結渣，但結渣率與型煤相比仍然是很小的。松弛密度對結渣影響曲線如圖5。

    由圖5不難看出，密度越大越易結渣，松弛密度在1g· cm^-3左右是比較理想的成型燃料。
3、結論與建議
    (1)未經(jīng)粉碎的大粗經(jīng)秸稈同樣可以壓縮為成型燃料，而且減少設備造價，簡化加工工藝，易操作、能耗低，產品的密度適中，易燃燒；與粉碎為細微顆粒再成型相比，生產原料的含水率進一步放寬。
    (2)大粒經(jīng)秸稈壓縮的成型燃料的抗水浸蝕時間比粉碎為顆粒成型產品顯著延長，可以有效降低儲存、運輸費用。
    (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、低粉塵、無污染、基本無CO、S02、NO。等有害氣體排放，C02被植物吸收再利用，重新進入碳循環(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（生產動力）、燃燒狀況等因素分析，壓縮密度不宜過大，以松弛密度在
1g·cm^-3左右為宜，選用大粒經(jīng)生物質生產成型燃料易于滿足成型工藝要求。
    三門峽富通新能源銷售顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機等生物質燃料飼料成型機械設備。