20世紀(jì)70年代，由于全球能源危機的出現(xiàn)，人們認(rèn)識到煤、石油等化石能源的有限性和化石能源的過度使用所造成的環(huán)境污染問題。日益嚴(yán)重的環(huán)境污染問題已經(jīng)引起了世界各國的廣泛關(guān)注。環(huán)境問題與能源問題密切相關(guān)，解決好環(huán)境問題的關(guān)鍵是解決好能源問題。于是，可再生能源的研究逐漸引起人們重視。木材是重要能源。根據(jù)丹麥能源局1997年有關(guān)能源生產(chǎn)的調(diào)查，木材能源產(chǎn)量大約是21 PJ，約合500 000 t石油，占可再生能源生產(chǎn)總量的28%。據(jù)調(diào)查資料顯示，我國陸地林木生物質(zhì)總量達(dá)180億t以上，林業(yè)“三剩物”（采伐剩余物、造材剩余物、加工剩余物）的總量在8～10億t。此外，我國還有5 700萬公頃宜林土地和1億公頃不適宜發(fā)展農(nóng)業(yè)的邊際性土地，開發(fā)利用林木生物質(zhì)能源潛力巨大。
目前，關(guān)于生物質(zhì)能的利用途徑主要有：生物質(zhì)直接燃燒技術(shù)，生物質(zhì)壓縮成型和炭化技術(shù)，生物質(zhì)氣化技術(shù)，生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)等。生物質(zhì)致密成型技術(shù)( BBT)是近些年來在我國興起的一種新型生物質(zhì)能利用技術(shù)，正逐漸被人們重視。生物質(zhì)致密成型的機理是利用生物質(zhì)中的木質(zhì)素在高溫下軟化、產(chǎn)生膠黏作用再擠壓成型。經(jīng)過國內(nèi)外研究機構(gòu)幾十年的探索，生物質(zhì)致密成型技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但生物質(zhì)致密成型燃料的燃燒設(shè)備還不成熟。主要原因是對生物質(zhì)致密成型燃料的微觀結(jié)構(gòu)和燃燒機理研究不夠深入，導(dǎo)致在設(shè)計生物質(zhì)致密成型燃料燃燒設(shè)備時，設(shè)計參數(shù)選取不準(zhǔn)。目前大部分生物質(zhì)致密成型燃料燃燒設(shè)備在設(shè)計時，均是參照煤的燃燒機理進(jìn)行選用，缺乏科學(xué)依據(jù)。這將影響生物質(zhì)致密成型燃料的正常燃燒，導(dǎo)致燃燒設(shè)備效率低下，從而影響生物質(zhì)致密成型燃料的應(yīng)用與推廣。為解決此問題，故提出了研究生物質(zhì)致密成型燃料微觀結(jié)構(gòu)的課題。本課題專門針對木屑成型燃料，對木屑致密成型燃料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，以期找出微觀結(jié)構(gòu)的特點與燃燒效率之間的關(guān)系，為今后研究生物質(zhì)致密成型燃料的燃燒機理成型設(shè)備及燃燒設(shè)備提供理論基礎(chǔ)。
富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機、木屑顆粒機、秸稈壓塊機專業(yè)壓制生物質(zhì)顆粒燃料。
1、試驗設(shè)計
1.1試驗原料與分析
本實驗以木屑致密成型燃料為研究對象，這些燃料來自河南農(nóng)業(yè)大學(xué)毛莊科技實驗園區(qū)，為便于觀察，先將部分木屑致密成型燃料加工成直徑9 mm、厚6 mm的圓形片；然后根據(jù)實驗需要對部分木屑致密成型燃料進(jìn)行粉碎，再用分樣篩進(jìn)行分級。本實驗選用規(guī)格為80目的分樣篩。
木屑致密成型燃料的元素分析結(jié)果見表1。從表中可以看出木屑致密成型燃料元素組成成分主要是碳元素和氧元素，其次是氫元素，同時還有微量的氮、硫元素。
依據(jù)GB212 - 77《煤的工業(yè)分析方法》進(jìn)行木屑致密成型燃料的工業(yè)分析。首先在自動控溫通風(fēng)式干燥箱中105℃烘干至恒重，然后在SX -8 - 10型箱式多功能電阻爐中，800qC灰化4h，最后通過計算試樣前后的質(zhì)量變化，即可求得燃料的含水量、可燃物含量及灰分含量，低位發(fā)熱量是在XPY -1A數(shù)顯氧彈式熱量計上測定。由于燃料的形狀比較規(guī)則，故可以直接測量出其體積和質(zhì)量，進(jìn)而求出其密度。測試結(jié)果見表2。
木屑致密成型燃料纖維素、半纖維素、木質(zhì)素及中性洗滌劑溶解物含量由FIWE/3自動纖維素測定儀測定，結(jié)果如表3所示。
由表3可以看出，木屑致密成型燃料主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，同時還含有酸不容灰分等成分。纖維素是世界上最豐富的有機化合物，是植物細(xì)胞壁的主要成分，構(gòu)成了植物支撐組織的基礎(chǔ)。木材中纖維素的平均含量約為50%。纖維素分子的鏈與鏈之間借助分子之間的氫鍵形成像繩索狀結(jié)構(gòu)，具有一定機械強度和韌性。半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，其中木聚糖是構(gòu)成半纖維素的主要成分，通常被選為模化物用來研究半纖維素。木聚糖在木質(zhì)組織中占總量的50%。半纖維素?zé)峤鉁囟纫话惆l(fā)生在473～573 K，在高溫區(qū)域。木聚糖熱解產(chǎn)物在高溫區(qū)域，木聚糖熱解產(chǎn)物大部分是揮發(fā)分和焦炭，在不同的炭化條件下，焦炭產(chǎn)量在10%，20%。木質(zhì)素足由聚合的芳香醇構(gòu)成的一類物質(zhì)，存在于木質(zhì)組織中，主要作用是通過形成交織網(wǎng)來硬化細(xì)胞壁。木質(zhì)素主要位于纖維素纖維之間，起抗壓作用。由于木質(zhì)素本身在結(jié)構(gòu)上具有龐大性和復(fù)雜性，在化學(xué)性質(zhì)上具有極不穩(wěn)定性等，使得迄今為止還沒有一種方法能得到完整的天然木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，而只能得到一些木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)模型。如圖l為木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)模型；圖2為生物質(zhì)的典型化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
1.2試驗儀器
高精度電子天平，max=200 g，d=0,1 mg；200 kV場發(fā)射透射電子顯微鏡，型號：JFM - 2100F；BCH -1型半自動碳氖測定儀；ZCL -2型自動定硫儀；自動控溫通風(fēng)式干燥箱、計時器等；自制孑L隙率試驗臺；液壓式萬能試驗、驗機。
1.3試驗方法
通過液壓式萬能試驗機，對80目樣品在套筒內(nèi)進(jìn)行增壓，制備基準(zhǔn)體。套筒內(nèi)經(jīng)18 mm，外徑300 mm，高70 mm。在增壓時，不是壓力越大越好，當(dāng)壓力增加到一定程度時，再增大壓力成型塊的體積變化很小，相反磨損程度大大增加。一般，當(dāng)原料的體積減少量小于增壓前體積的0.5%時，此時的壓力定為該種材料的密實壓力。確定完基準(zhǔn)體的密實壓力之后，進(jìn)而確定成型燃料的相對空隙率。最后利用200 kV場發(fā)射透射電子顯微鏡對木屑致密成型燃料基準(zhǔn)體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察與分析。掃描電鏡是用聚焦電子束在試樣表面逐點掃描成像。所觀察的位置為木屑致密成型燃料的自然斷面，斷面不作特殊處理，僅用洗耳球吹去表面的粉末，保持?jǐn)嗝娼Y(jié)構(gòu)狀態(tài)。由于木屑致密成型燃料并非導(dǎo)電材料，因此在進(jìn)行掃描之前，要先在成型燃料的截面上進(jìn)行鍍膜處理（采用離子濺射鍍膜法），在截面表面鍍上一層導(dǎo)電膜，以避免電荷累積，影響圖像質(zhì)量，并防止對試樣的熱灼傷，然后把干燥過的鍍膜試樣放在掃描電鏡中試樣座上觀察。掃描電壓為15 kV，放大倍數(shù)分別為100、500、1000和2000倍。
2、試驗結(jié)果與分析
2.1試驗結(jié)果
80目樣品在液壓萬能試驗機和自制孔隙率試驗臺上的測試結(jié)果，如圖3所示。
圖4-圖7為在200 kV場發(fā)射透射電子顯微鏡下，得到的木屑致密成型燃料的微觀圖像。放大倍數(shù)分別為100、500、1 000、2 000倍。
2.2結(jié)果分析
(1)首先，測定一定質(zhì)量m木屑致密成型燃料的密度p．；其次，是計算出質(zhì)量為m的木屑致密成型燃料的體積；第三，計算出質(zhì)量為m木屑致密成型燃料標(biāo)準(zhǔn)體的體積第四，計算木屑致密成型燃料的相對孔隙率×100%。80目木屑粉為原料制作基準(zhǔn)體時，其基準(zhǔn)體終壓為30 MPa(當(dāng)壓力增加為30 MPa時，體積減少率為0.41%<0.5%判斷標(biāo)準(zhǔn))，密度為1 271.8 kg/m3。經(jīng)過計算可得：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)HPB -IV型液壓式成型機（輔助加熱成型）生產(chǎn)的木屑直徑為103 mm，密度為1 062 kg/m3的致密成型燃料，相對孔隙率為16, 5%；冷壓成型的木屑稈直徑為9.1 mm，密度為1050kg／m3顆粒成型燃料相對孔隙率為17. 4%。
(2)散狀木屑在被加工成致密成型燃料的過程中，木質(zhì)素在溫度為70一110℃時軟化，具有粘性，當(dāng)溫度達(dá)到200~ 3000C時成熔融狀，粘性高，此時在一定的壓力下，增強分子間的內(nèi)聚力，可將它與纖維素緊密粘接并與相鄰顆粒相互黏結(jié)，變得致密均勻，體積大幅度減小，密度顯著增加。冷卻后，成型燃料強度顯著增加。在整個過程中，以物理變化為主，主要減少的是原散狀木屑的孔隙率。壓縮成型后的木屑致密成型燃料成分中絕大部分纖維素、半纖維素、木質(zhì)素結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，只有成型燃料表面的小部分纖維素和半纖維素由于加熱溫度超過了150℃（一般加熱溫度為220℃）而炭化。
(3)從木屑致密成型燃料斷面電子掃描圖上可以看出，木屑致密成型燃料的微觀結(jié)構(gòu)是層狀和柱狀的混合結(jié)構(gòu)，纖維素結(jié)構(gòu)物排列無序，相互交錯，空隙較大。纖維素柱狀物有纖維素層狀物包裹，結(jié)合緊密，如圖5。斷面的形成有明顯的相互牽拉的痕跡，進(jìn)一步印證了纖維素結(jié)構(gòu)物相互交錯。主要結(jié)構(gòu)物之間的填充物不明顯，空隙較大。雖然木屑顆粒內(nèi)部的纖維素結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)合緊密，且纖維素相互連接，但是木屑致密成型燃料是由粒徑很小的木屑顆粒組成，木屑顆粒之間纖維素結(jié)合物被人為切斷，顆粒之間連接物較少。木屑在加工時易成型，因為木屑中木質(zhì)素含量較大，熱成型時會成為粘結(jié)劑，但這種粘結(jié)劑沒有纖維素本身牢固，在燃燒時會失去粘結(jié)性。故木屑致密成型燃料在燃燒時，水分含量較高時會出現(xiàn)成型塊變散的現(xiàn)象。
3、結(jié)語
木屑致密成型燃料與散狀木屑相比，孔隙率大大減小，在燃燒時大大限制了揮發(fā)分的逸出速度，延長了燃燒時間，可提高燃燒效率。同時，在對木屑進(jìn)行加工成型時，木屑中的木質(zhì)素在一定溫度下會成為粘結(jié)劑，促進(jìn)成型，但水分含量過高，則會抑制成型，甚至出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象，因此要控制木屑的含水量。對木屑致密成型燃料微觀結(jié)構(gòu)的研究為生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備的設(shè)計參數(shù)的選擇奠定了理論基礎(chǔ)，同時也為成型燃料加工設(shè)備的研制提供了理論支持。
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