0、引 言
中國(guó)擁有豐富的生物質(zhì)能資源。據(jù)估計(jì)，每年產(chǎn)生的可供開采的各種生物質(zhì)能資源達(dá)6. 56億t標(biāo)準(zhǔn)煤。然而，由于生物質(zhì)能資源本身燃燒性能較差，如能量密度低、高含水性及吸濕性、燃燒過程冒煙，熱效率低下等，使得直接利用生物質(zhì)作為生產(chǎn)生活能源產(chǎn)生諸多不便。因此，有必要提高生物質(zhì)的能源品質(zhì)，以改善其燃燒特性。采用生物質(zhì)固化成型技術(shù)可以提高生物質(zhì)的能量密度及其燃燒特性，是生物質(zhì)能開發(fā)利用的一種有效途徑。近年來有人對(duì)生物質(zhì)直接低溫?zé)峤膺M(jìn)行了研究。認(rèn)為這既可破壞生物質(zhì)的纖維素結(jié)構(gòu)提高其可燃性能，又能減少熱解過程中能量損失，同時(shí)提高生物質(zhì)能量密度。但是對(duì)于人多數(shù)生物質(zhì)而言，直接低溫?zé)峤馔瑯哟嬖隗w積能量密度較低的問題，而且直接熱解需要龐人的熱解設(shè)備，材料運(yùn)輸方面也存在困難。如果將生物質(zhì)先固化成型后再進(jìn)行低溫?zé)峤猓瑒t可避免上述缺點(diǎn)。但是生物質(zhì)固化成型后，其物料特性發(fā)生了較人的變化。本文分別以碎木塊、鋸末成型塊和稻殼成型塊為材料在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行低溫?zé)峤庠囼?yàn)，研究低溫?zé)峤鈼l件：溫度及時(shí)間對(duì)產(chǎn)品熱值、質(zhì)量得率、能量得率的影響，并對(duì)產(chǎn)品的燃燒性能進(jìn)行了試驗(yàn)。
生物質(zhì)資源比如農(nóng)作我物秸稈等，每年大量的生物質(zhì)秸稈燃燒造成環(huán)境污染，但是如果把農(nóng)作物秸稈經(jīng)過
顆粒機(jī)、
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)壓制成生物質(zhì)顆粒燃料，那么其的利用價(jià)值將大大的提高。
1、儀器、材料和方法
1.1儀器、設(shè)備
YX-ZR天鷹自動(dòng)量熱儀
YX-MFI．智能馬弗爐
YX-HF灰分儀
YX-HF揮發(fā)分儀
BIO-11型螺旋成型機(jī)
1.2測(cè)試方法
生物質(zhì)材料熱值根據(jù)GB/T 213 -1996標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試；水分、灰分、揮發(fā)分和固定炭根據(jù)GB/T 212 - 2001標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。
1.3材料
選擇中國(guó)南方地區(qū)資源較豐富的稻殼和鋸末作為試驗(yàn)的材料，木塊作為參照試驗(yàn)材料。將鋸末和稻殼經(jīng)過遼寧省能源研究所生產(chǎn)的BIO-11型螺旋成型機(jī)擠壓成型，得到試驗(yàn)用的直徑為60 mm，長(zhǎng)度人于250 mm的中間帶小孔的柱狀成型塊材料。試驗(yàn)材料理化性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見表1。
從表1可以看出，鋸末和稻殼經(jīng)擠壓成型后，其理化指標(biāo)發(fā)生了一些變化，水分和揮發(fā)分都下降了，而固定碳、灰分、密度和熱值都提高了，這是因?yàn)樵显跀D壓成型過程中，對(duì)模具進(jìn)行加熱（表面溫度290℃）而使原料的水分和揮發(fā)物有一定程度揮發(fā)的緣故。
1.4低溫?zé)峤庾罡邷囟鹊拇_定
最高溫度和裂解時(shí)間是生物質(zhì)熱解的兩個(gè)重要參數(shù)。研究表明，生物質(zhì)熱解溫度在150℃以下時(shí)，主要是發(fā)生水分的蒸發(fā)，得到的餾出液主要是水，氣體產(chǎn)物是空氣及少量的一氧化碳。，該階段主要為干燥階段，很少進(jìn)行熱分解，生物質(zhì)組成成分基本不變，干燥階段要吸收外部熱量才能完成。當(dāng)溫度升到150 -275 ℃時(shí)，在此階段吸收外界熱量的生物質(zhì)首先引起其不穩(wěn)定的組分（半纖維素）發(fā)生熱分解，得到的餾出液中除了水外，還有少量的乙酸、甲醇等有機(jī)物；生成的不凝性氣體中除了CO，以外，可燃性成分CO、CH4等逐漸增加，生物質(zhì)的化學(xué)組成開始發(fā)生明顯的變化，到本階段結(jié)束，材料轉(zhuǎn)變成褐色，但尚未轉(zhuǎn)成炭，這個(gè)階段也是吸熱反應(yīng)階段。當(dāng)溫度達(dá)到275～450℃＋時(shí)，生物質(zhì)開始劇烈地進(jìn)行熱分解，生成人量的分解產(chǎn)物并放出反應(yīng)熱，直到450℃為止：；生物質(zhì)熱解產(chǎn)物幾乎都在此階段完成；餾出液中乙酸、甲醇、木焦油及其他有機(jī)物的含量人人增加；氣體產(chǎn)物中CO、CH4、Hz等可燃性成分比例上升，本階段結(jié)束時(shí)，炭已經(jīng)生成，干餾炭化階段已經(jīng)基本完成。本階段的一個(gè)重要特點(diǎn)是熱分解過程中伴隨著熱量放出，因此，又稱放熱反應(yīng)階段。因此認(rèn)為：275 ℃大約是生物質(zhì)進(jìn)行熱解時(shí)發(fā)生吸熱與放熱反應(yīng)的分界點(diǎn)，超出此溫度后生物質(zhì)容易發(fā)生放熱反應(yīng)使熱解反應(yīng)變得不易控制。當(dāng)溫度進(jìn)一步提高到450C以上，對(duì)固體殘留物進(jìn)行煅燒后，可進(jìn)一步降低其中的揮發(fā)分含量，提高固定碳含量和增加木炭強(qiáng)度。本階段餾出液和不凝性氣體的產(chǎn)量已經(jīng)很少。基于以上分析，本文將低溫?zé)峤庾罡邷囟冗x定為280℃。
2、試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1 木塊低溫?zé)峤庠囼?yàn)
低溫?zé)峤庠囼?yàn)是在最高可控溫度達(dá)300℃的烘箱中進(jìn)行的。首先利用木塊進(jìn)行了溫度分別為200，220，240，260，280℃和加熱時(shí)間分別為1，2，3h的預(yù)備試驗(yàn)。溫度和時(shí)間對(duì)產(chǎn)品熱值、質(zhì)量得率和能量得率指標(biāo)的影響見表2。
由表2可知，在280℃以下進(jìn)行生物質(zhì)熱解時(shí)，能量得率隨著熱解溫度的升高和熱解時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。由表2還可以看出，在熱解時(shí)間較短，溫度較低條件下，產(chǎn)品的熱值、產(chǎn)品質(zhì)量得率變化較小隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)和熱解溫度的提高，質(zhì)量得率下降較快，而熱值上升較快。說明此時(shí)木塊中揮發(fā)物有一個(gè)較激烈的分解過程，揮發(fā)速度加快，得到的熱解固體產(chǎn)物其固定碳、灰分含量增人，而揮發(fā)分在減少。試驗(yàn)觀察表明，當(dāng)熱解溫度超過280C且熱解時(shí)間超過3h以后，木塊表面已發(fā)生炭化現(xiàn)象，取出后容易著火。從表2可以知道：就木塊而言，在280C溫度條件下，熱解3h后，木塊的熱值仍只有20. 65 MJ/kg，比中質(zhì)煤熱值略低。說明熱解時(shí)間太短，產(chǎn)物的熱值較低。可見，若要提高固體產(chǎn)品的熱值，可以選擇通過提高熱解溫度或延長(zhǎng)加熱時(shí)間來達(dá)到。
2.2鋸末和稻殼成型塊低溫?zé)峤庠囼?yàn)
根據(jù)上述木塊低溫?zé)峤庠囼?yàn)的初步結(jié)果，筆者進(jìn)行了鋸末和稻殼生物質(zhì)成型塊的低溫?zé)峤庠囼?yàn)。試驗(yàn)的目的是獲得與中質(zhì)煤熱值(20.0MJ/kg)相當(dāng)?shù)墓腆w燃料，同時(shí)進(jìn)一步改善生物質(zhì)的燃燒特性。上述木塊熱解試驗(yàn)表明，雖然提高熱解溫度也可以提高產(chǎn)品的熱值，但溫度過高容易使木塊發(fā)生炭化，這與我們?cè)囼?yàn)?zāi)康牟环Ｒ虼耍覀冊(cè)谶M(jìn)行鋸末和稻殼成型塊的低溫?zé)峤庠囼?yàn)時(shí)，在限定最高熱解溫度的前提下，適當(dāng)延長(zhǎng)了熱解時(shí)間。溫度分別為260℃，270℃，280℃，熱解時(shí)間分別設(shè)定為4h、5h。結(jié)果見圖1所示。
圖1表明，鋸末成型塊和稻殼成型塊與木塊有相似的低溫裂解性質(zhì)：隨著裂解溫度的提高和裂解時(shí)間的延長(zhǎng)，裂解固體產(chǎn)品的質(zhì)量得率和能量得率都在下降，但熱值上升。從圖1還可看出，若要在保證盡可能高的固體產(chǎn)品質(zhì)量和能量得率的條件下，使產(chǎn)品熱值達(dá)到20.9 MJ/kg以上，對(duì)于鋸末成型塊，其工藝參數(shù)為：熱解溫度260～270C，熱解時(shí)間為4h左右，其產(chǎn)品質(zhì)量得率為64. 8% - 69. 9%，能量得率為76. 9% -80. 7%，熱值為21.68～22.12 MJ/kg;對(duì)于稻殼成型塊，其工藝參數(shù)為：熱解溫度270℃，熱解時(shí)間4 h，產(chǎn)品質(zhì)量得率63. 2%，能量得率為79.1%，熱值21. 33 MJ/kg。
2.3鋸末和稻殼成型塊燃燒特性試驗(yàn)
分別以稻殼成型塊及其熱解固體產(chǎn)品、鋸末成型塊及其固體產(chǎn)品為原料，考查了各自的燃燒特性。上述4種產(chǎn)品的燃燒過程見圖2所示。
由圖2可見，兩種成型塊的熱解品和非熱解品的燃燒性能差別十分明顯。整個(gè)燃燒過程分為冒煙過程、有火焰過程、白熾過程。熱解品冒煙時(shí)為7-12 min，從大約15 min起，鋸末成型熱解品和稻殼成型熱解品進(jìn)入無火焰百熾狀態(tài)，而非熱解品冒煙時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30 min以上。試驗(yàn)還表明熱解產(chǎn)品具有較好的點(diǎn)火性能。到人約50 min左右，所有試驗(yàn)產(chǎn)品燃燒過程結(jié)束。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是產(chǎn)品經(jīng)過熱解后進(jìn)一步脫水和釋放較多的揮發(fā)份附在產(chǎn)品的表面，使之點(diǎn)火較易，且點(diǎn)火后首先燃燒的是揮發(fā)份，從而產(chǎn)生一段冒煙和有火焰過程，揮發(fā)份燃燒完后，則其固定碳開始燃燒，從而使燃燒進(jìn)入白熾無焰過程。
3、結(jié)論和討論
本文分別以碎木塊、鋸末成型壓塊和稻殼成型壓塊為原料，進(jìn)行了低溫（280 C以下）熱解特性試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，為了獲得與中質(zhì)煤熱值相當(dāng)?shù)纳镔|(zhì)固體燃料，其較佳的低溫?zé)峤夤に嚍椋簩?duì)于鋸末成型塊，熱解溫度260～270（、，熱解時(shí)間為4h左右，其產(chǎn)品質(zhì)量得率為64. 8%～69. 9%，能量得率為76. 9%- 80. 7%，熱值為21. 68 - 22. 12 MJ/kg；對(duì)于稻殼成型塊，熱解溫度270℃。熱解時(shí)間4h，產(chǎn)品質(zhì)量得率63. 2%，能量得率79.1%，熱值21. 33 MJ/kg。
燃燒特性試驗(yàn)結(jié)果表明，與非熱解品相比，鋸末成型熱解品和稻殼成型熱解品的冒煙持續(xù)時(shí)間明顯減少，并能很快的進(jìn)入無火焰白熾狀態(tài)，表明，鋸末成型熱解品和稻殼成型熱解品的燃燒特性有了明顯改善。
鋸末成型品和稻殼成型品經(jīng)過低溫?zé)峤馓幚砗缶哂心蛢?chǔ)存、易攜帶、燃燒性能提高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，可以替代木柴、煤炭作生活、生產(chǎn)用能。同時(shí)熱解過程中的餾出液和可燃?xì)怏w等副產(chǎn)品較少，可減少液體和氣體收集、凈化設(shè)備的投資，因此值得進(jìn)一步研究與開發(fā)。
