我國是能源消費(fèi)大國，消耗總量每年以6%～7%的速度增長，消耗結(jié)構(gòu)以煤(72%)和石油(15%)等不可再生資源為主，能源儲備消耗嚴(yán)重，而且產(chǎn)生S02、NOx等副產(chǎn)物，污染大氣環(huán)境。農(nóng)林加工剩余物（例如稻草、人造板砂光粉）是優(yōu)良的生物質(zhì)燃料，清潔、可再生，雖然發(fā)熱量（例如稻草15 000 kj/kg，楊木17 000 kj/kg）比煤(21 000～30 000 kj/kg)有差距，但完全可以替代部分煤和石油，滿足城鄉(xiāng)生活乃至工業(yè)用能和環(huán)保的需要。本文基于前人的研究，探討稻、木混合碎料成型燃料的工藝與性能，重點(diǎn)試驗碎料形態(tài)和稻木混合比例對產(chǎn)品性能的影響。
1、材料與方法
1.1材料
    選取三種碎料作為燃料棒的原料：1）稻草碎料（含水率9.6%）；2）稻草板砂光粉（后文簡稱“稻草粉”，含水率7.5%），取自江蘇鼎元科技發(fā)展有限公司；3）木材人造板砂光粉（后文簡稱“木粉”，意楊，含水率9.9%），取自徐州長青定向結(jié)構(gòu)板有限公司。碎料粒徑分布如圖l所示。從圖中可見：三種碎料都含有較多的細(xì)粉（小于80目：稻草碎料45.61%，稻草板砂光粉80.99%，木材人造板砂光粉67.39%），但稻草碎料粒徑分布桕對偏大（大于80目46.61%）。后文將考察原料形態(tài)對成型燃料工藝和性能的影響。

1.2燃料棒生產(chǎn)I藝與沒備
    采用螺旋擠壓式成型機(jī)，燃料棒呈正六邊形，內(nèi)含20 mm排汽孔。研究表明，致密成型關(guān)鍵工藝因子包括：碎料形態(tài)、成型溫度、成型壓力（或螺旋轉(zhuǎn)速）和碎料含水率等。基本流程為：秸稈碎料和砂光粉準(zhǔn)備→顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等擠壓機(jī)升溫-裝料→擠壓成品→殘余燃料棒燃燼。基于前人的研究成果，本次研究工藝條件確定為：成型溫度為300℃，擠壓速度1 m/min，含水率8%～10%，原料配比見表1。
 
1.3性能測試
    為了揭示燃料棒的密實程度和燃燒性能，參照CB/T 212 - 2001《煤的工業(yè)分析方法》，分別測試了產(chǎn)品的密度、燃燒速率、水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳含量。另外，鑒于燃料棒采用無膠擠壓形成，在空氣中長時間吸濕（水）可能導(dǎo)致膨脹乃至潰散，提出了“時效含水率( Time-related Moisture Content)”的概念，反應(yīng)燃料棒含水率隨時間的變化關(guān)系。具體測試方法為：將燃料棒試樣置于相對濕度為100%的密閉環(huán)境，每間隔24 h稱取試樣的質(zhì)量，直到試樣呈現(xiàn)潰散現(xiàn)象，再取出烘至絕干獲得絕干質(zhì)量，據(jù)此獲得各時間點(diǎn)的含水率，探尋含水率與燃料棒潰散時間的相關(guān)關(guān)系，可為生產(chǎn)燃料棒（未炭化）的貯存與運(yùn)輸提供參考。
2、結(jié)果與分析
2.1密度
    生物質(zhì)致密成型技術(shù)，是在無外加膠粘劑的狀態(tài)下，依靠機(jī)械加壓和加熱，使松散的生物質(zhì)碎料（例如鋸末、刨花、砂光粉、稻殼等）密實化，達(dá)到較高的密度和強(qiáng)度，以期改善生物質(zhì)的燃燒性能。由于缺乏外加膠粘劑，密度成為決定燃料成型、強(qiáng)度、耐久性以及燃燒性能的關(guān)鍵因子之一。從表1可以看出，稻木粉屑燃料棒密度普遍高于1.0 g/cm3。
    碎料形態(tài)和材料性質(zhì)對密度水平具有顯著的影響。從表1中可以看出，在同樣的擠壓工藝條件下，100%稻草碎料燃料棒在密度1.0g/cm3時即可良好成型，而100%稻草板砂光粉和100%木材人造板砂光粉分別達(dá)到1.34 g/cm3和1.27 g/cm3方可。顯然，形態(tài)越大，碎料的交織能力越強(qiáng)，更有助于成型。相對而言，稻草粉比木粉“自粘”作用更弱，這主要?dú)w咎于稻草粉中含量相對高的無機(jī)礦物質(zhì)（如二氧化硅）的阻隔效應(yīng)。混合碎料(混合比例：20%、50%、80%)也同樣體現(xiàn)出上述趨勢，稻草碎料含量越高，所需成型密度越低；“木粉一稻草碎料”的混合原料，其成型燃料密度比“稻草粉一稻草碎料”低。
    姜洋等( 2004)研究指出，適于生物質(zhì)成型燃料的碎料，其合理粒徑應(yīng)心于5 mm，長度宜控制在25 mm以下。本項試驗進(jìn)一步表明，在上述優(yōu)化范圍內(nèi)，可以通過改變碎料形態(tài)和材料種類，靈活調(diào)控成型燃料的密度，以求達(dá)到理想的燃燒性能。
2.2燃燒速率
    燃料形態(tài)是影響燃燒性能的重要因素。對于碎料型燃料（例如砂光粉），必須采用噴燃或流化燃燒方式，對傳統(tǒng)的鏈條式鍋爐進(jìn)行改造；即便如此，其燃燒速率也受到送料均勻性的影響，難以控制；通過致密成型，上述困難可以得到有效改善。試驗測試了不同配比燃料棒的燃燒速率。燃燒初期( 0～10 min)，揮發(fā)分濃度較大，燃燒速率普遍快，達(dá)到0.60～1.18 g/min；中后期( 1～30 min)，灰殼的逐漸加厚，阻礙揮發(fā)份向外溢出，導(dǎo)致燃燒速率放慢且趨于平穩(wěn)，達(dá)到0.03～0.09g/min。從表1可以看出，原料的變化對燃燒速率沒有顯著影響。
2.3工業(yè)分析
    工業(yè)分析涵蓋水分、灰分、揮發(fā)分和固定碳等指
標(biāo)，四個指標(biāo)測試值滿足如下數(shù)學(xué)關(guān)系：水分含量(%)+灰分含量(%)+揮發(fā)分含量(%)+固定碳含量(%)= 100%。本試驗對不同原料的燃料棒進(jìn)行分析，結(jié)果見表l和圖2。結(jié)果表明，所有燃料棒產(chǎn)品（1～9號試件）的揮發(fā)分含量相近( 64.62%～69.27%)，但灰分含量( 6.62%～20.85%)和固定碳含量(7.54%～22.37%)隨粉屑形態(tài)和原料配比的變化，呈現(xiàn)顯著差異。1）粉屑形態(tài)的影響：以1—2號試件為代表，盡管同為稻草，碎料的灰分含量(20.85%)明顯比砂光粉( 13.41010)高。這可從稻草板的制造工藝過程分析：稻草一截斷(含分選)→粉碎→分選-→稻草碎料→稻草板→砂光→砂光粉。由此可見，從稻草到砂光粉，經(jīng)歷了兩次分選工序，導(dǎo)致無機(jī)礦物質(zhì)（灰分）含量有所降低。2）原料配比的影響：隨著稻草碎料混合比例的提高（20%→80%），混合燃料棒的灰分合量明顯增加（“稻草碎料一木粉”：6.62%→16.72%；“稻草碎料→稻粉”：14.90%→19.36%）。

    上述分析進(jìn)一步表明，通過調(diào)整粉屑形態(tài)和復(fù)合不同原材料，可以有效改善燃料棒的燃燒性能。
2.4時效含水率
    燃料棒的形態(tài)和尺寸穩(wěn)定性關(guān)系到產(chǎn)品的貯存時間。在試驗中，采取加速濕變方式（相對濕度100%），揭示了燃料棒的耐久性能。結(jié)果表明，在初含水率為0.32%～2.73%的條件下，9種原料的燃料棒經(jīng)歷9～10天強(qiáng)制吸濕后，含水率達(dá)到4.89%～16.59%，普遍呈現(xiàn)潰散現(xiàn)象。初含水率越高，10天后的含水率也越高。值得指出的是，在本次試驗中，采取300℃的加熱溫度條件，產(chǎn)品表面尚無明顯炭化現(xiàn)象；如果通過調(diào)整擠壓工藝，賦予燃料棒表面炭化保護(hù)層，可望能延長產(chǎn)品的貯存周期。

    圖3以1—3號試件為例（其他試件體現(xiàn)了同樣的趨勢），描述了燃料棒的含水率隨時間的變化。從圖上可以看出，在100%相對濕度條件下陳放10天，試件含水率MC(t)與時間t呈現(xiàn)強(qiáng)線性關(guān)系（回歸系數(shù)R2見表2），即：MC(t)=MCo+K.t。式中，MCo和K分別為初含水率(%)和每小時變化率(%)。9種試件的線性分析參數(shù)（每小時變化率K、回歸系數(shù)R2）匯總于表2。
 
    從表2可以比較不同原料配比條件下，燃料棒的吸濕速率。三種原料中，稻草板砂光粉每小時變化率K值最大( 2,59%)，稻草碎料其次(2.34%)，木粉最小(2.18%)。這種趨勢也體現(xiàn)在混合原料燃料棒中。“稻草碎料一木粉”混合燃料棒中，隨著稻草碎料含量的增大(20%～80%)，K值呈明顯的遞增趨勢。這表明，利用碎料、木粉和稻草粉的吸濕差異性，在一定程度上可以調(diào)控混合燃料棒的濕變特性。
3、結(jié)論
    生物質(zhì)致密成型技術(shù)，使稻草粉屑作為工業(yè)化燃料成為可能。在擠壓速度（壓力）和溫度確定的條件下，材料種類、碎料形態(tài)、成品密度是決定成型燃料產(chǎn)品性能的關(guān)鍵因素，采用粗細(xì)匹配、材料混合的方法，可以使稻草和木材兩種原料在擠壓性、吸濕性等方面優(yōu)勢互補(bǔ)，賦予產(chǎn)品優(yōu)異的綜合性能。
    三門峽富通新能源生產(chǎn)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。