关键词：生物质固体燃料 竹材 竹材颗粒燃料制备与性能
能源短缺和环境危机是当今社会关注的焦点，也是现代社会经济发展的瓶颈。地球的化石能源时代逐渐走向终结，我国的化石能源形势也十分严峻。能源供需紧缺将制约我国经济和社会的发展，寻找新的、可再生能源己成为我国的当务之急。对比化石能源，生物质能因其可再生、资源丰富、生态环境友好而逐渐成为能源产业的新生力量，在当今社会经济发展中扮演重要角色。目前，生物质能源主要包括固态生物质燃料、液态生物质燃料和气态生物质燃料。因生产工艺简单、产业化和规模化的实现容易，产品易储存、运输、使用方便、清洁环保、燃烧效率高等优点，生物质固体燃料已成为生物质能源家族一个重要的成员，富通新能源生产销售的秸秆颗粒机、木屑颗粒机专业压制生物质成型颗粒燃料，生物质颗粒燃料如下图所示：
根据原料的来源，生物质颗粒燃料原料可分为农业剩余物、林业剩余物、水生植物、人畜粪便和生活有机垃圾、城市和工业有机废弃物等。Abasaeed (1992)论证农业剩余物，棉花秸秆可作为苏丹生物质能源的主要原料，得出棉花秸秆颗粒燃料碳化后不会对环境产生影响，是一种可被社会接受的燃料，同时解决棉花秸秆的废弃物问题。Yaman等(2000)利用造纸废弃物和橄榄废弃物制备高机械强度的生物煤球，并用热重分析其热解特性和燃烧特性。Paulrud和Nilsson (2001)利用芦苇草压制成颗粒燃料，研究测量芦苇草颗粒燃料燃烧时的烟气排放和灰分含量变化。Demirbas和Ayse(2004)利用一些废弃的材料制备生物质颗粒燃料，并对其水分含量、强度、热值、耐水性能等进行测量，得出原料含水率增加，燃料的物理性能有所增加。罗娟等( 2010)对北京地区8种典型的生物质颗粒燃料进行燃烧性能测试试验，得出挥发份含量越高，含水率越低，生物质颗粒燃料所需的点火时间越短。1、竹材是我国研究和开发生物质固体燃料的潜力资源
1.1竹子生长速度快
竹子是世界上生长最快的植物之一。竹子的每一节都是一个生长点，都在同时生长，慢时每昼夜高生长20～30cm，快时每昼夜高生长达150～200cm。毛竹30～40天可长高15～18m，巨龙竹100～120天可长高30～35m。竹子一般在造林后3～5年即可成林，具备生物量生产的能力。
1.2我国竹子种类多，竹材储蓄量大
我国的竹材资源十分丰富，竹材蓄积量巨大。竹林在我国被称为“第二森林”，竹林面积在世界上居第二位，竹林产量在世界上居第一位。据统计，世界有竹类植物70余属，1200余种，全球竹林面积约2200万公顷，年生产竹材约1500～2000万吨。我国共有竹种40个属，530余种竹子种类，现有竹林总面积538.1万公顷，其中，毛竹林面积约为300万公顷。竹材年产量1800万吨，年伐竹量约850万吨，其中商品竹约600万吨。
1.3我国竹材资源分布广
世界竹林主要分布在热带和亚热带地区，少数分布在温带和寒带地区。按地理位置分布可分为亚太竹区、美洲竹区和非洲竹区三大竹区。我国竹林分布广泛，但具有明显的地带性和区域性，集中分布于浙江、江西、安徽、湖南、湖北、福建、广东、广西、贵州、四川、重庆、云南等地的山区。根据地理位置，我国的竹资源可分为四个竹区：(1)黄河．长江竹区，位于北纬300-400之间，主要有刚竹属、苦竹属、箭竹属、赤竹属、青篱竹属和巴山木竹属等竹种；(2)长江．岭南竹区，位于北纬250～300之间，主要有刚竹属、苦竹属、短惠竹属、大节竹属、慈竹属和方竹属等竹种；(3)华南竹区，位于北纬10°～20°之间，主要有牡竹属、酸竹属、藤竹属、巨竹属、茶秆竹属、泡竹属、薄竹属、梨竹属等竹种；(4)西南高山竹区，主要有方竹属、箭竹属、玉山竹属、慈竹属等竹种(江泽慧，2002)。
1.4竹材整竹可制备生物质固体燃料
竹材具有直径小、壁薄中空、尖削度大等结构特性，使得竹材的工业化利用率较低，约为40%左右，60%以上竹材变成废弃物。在竹材壁厚方向上，竹材又分为竹青（竹材的外侧）、竹黄（竹材的内测）和竹肉（竹材的中间部位）三部分。三者之间在显微结构、化学成分和物理力学性能上差异很大，使其不能同时进行工业化利用。比如在竹复合材料领域，一般要先去除竹材的竹青和竹黄部分，仅对竹肉部分进行工业化利用，增加了加工难度和降低了生产效率。若利用竹材制备生物质固体燃料，可将竹材整竹利用，将大大提高竹材的工业化利用率，有利于搭建资源节约型竹产业。
2、制备竹材颗粒燃料可行性的理论分析
2.1竹材的显微构造满足生物质颗粒燃料成型条件
细胞是构成竹材的基本单元。竹材的生长发育过程是通过细胞的不断分裂和扩大，使得其体积和质量不断增加的过程。木竹材的细胞壁结构类似，均是由初生壁和次生壁组成。初生壁的微纤丝排列总体上呈无定形的网状结构，而次生壁按其微纤丝角的排列方向均分为S１层、S2层和S3层结构。竹材细胞壁均可逐一分解成大纤丝或粗纤丝（0.4～1.0um的丝状结构），微纤丝（10nm-30nm的丝状结构），纤维素分子链（包括结晶区和非结晶区），纤维素分子和构成纤维素的分子团。竹材的显微结构特性满足生物质固体燃料的成型条件。如图3所示，在压缩初期，压力传递至竹材颗粒，使松散堆积的竹材颗粒排列结构发生改变，竹材颗粒内部空隙率减少。当压力逐渐增大时，大粒径的竹材粒子在压力作用下破碎成细小的粒子，细小粒子开始充填空隙，粒子间通过分子吸引力或静电引力连接起来。随着压力的进一步增加，粒子间紧密地接触而互相啮合，形成了桥接。同时，竹材颗粒发生变形或塑性流动，一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。Nalladurai等(2010)分析了玉米秸秆颗粒燃料的结合形式，指出玉米秸秆颗粒间主要通过桥接到一起。
2.2竹材细胞壁物质的化学组成满足生物质颗粒燃料成型条件
竹材细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素以及一些抽提物和灰分组成。纤维素分子链聚集成束并以排列有序的微纤丝状态存在于细胞壁之中，起骨架物质作用。半纤维素以无定形状态渗透在骨架物质之中，起基体粘结作用。木质素填充在纤维素和半纤维素之间，可使细胞壁坚硬。木竹材细胞壁物质化学组成的基本构成单元类似。木竹材纤维素均是由吡喃葡萄糖单体聚合而成的，在1～4碳原子上以B-甙键连接：半纤维素是由木糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖等多糖组成的一种聚合物；木质素的构成单元是苯基丙烷——是一种非结晶性的、三维网状结构高聚物(徐有明，2006)。在一定含水率条件下，木质素的软化点较低，软化后形成胶体物质，在竹材颗粒燃料成型过程中起到粘结剂功能，可粘附和聚合竹材颗粒，提高了竹材颗粒燃料的结合强度和耐久性(Liu等，2012)。Wolfgang等(2011)利用DMA分析了麦草秸秆中无定性物质的热转变，指出其木质素的软化温度约为53℃。半纤维素、木质素和蛋白质等成分是竹材成分中主要的无定性物质，软化这些物质有助于提高生物质颗粒燃料的强度。
目前，国内外利用木材制备生物质固体燃料的生产技术相对成熟。如Sayed和Bhattachary( 1992)利用三种不同的温度预处理木屑，并研究其颗粒燃料的成型过程。Ooi和Siddiqui (2000)利用木屑、稻壳、花生壳、椰子纤维等分别制备生物质颗粒燃料，并测试其松弛行为、机械强度和燃烧特性。Taulbee等(2009)研究了煤粉和木屑颗粒燃料的压缩成型工艺，考察了胶黏剂用量、木屑的种类、成型压力、煤粉和木屑的尺寸、原料含水率、成型压力和压缩时间对产品性能的影响。蒋剑春等( 1999)研究了林业剩余物制造颗粒燃料技术。通过对比分析木竹材的细胞构造和化学组成可知，利用竹材制备生物质颗粒燃料是可行的。
2.3竹材的热解特性表明其适合制备生物质固体燃料
生物质固体燃料燃烧是一个强烈的化学反应过程，是燃料和空气间的传热、传质过程。生物质固体燃料的燃烧过程包括水分蒸发，挥发物燃烧和焦碳燃烧等过程。燃烧时，必须有足够温度的热量供给和适当的空气供应，使生物质材料首先热解出可燃的挥发物，并在空气中燃烧。因此，生物质材料中可燃性挥发物的热解温度越低，越有利于生物质固体燃料的燃烧。作者分析7种竹材（毛竹、慈竹、绿竹、水竹、麻竹、粉单竹和撑篙竹）和人工林杉木的热解特性，结果表明，7种竹材与人工林杉木的热解过程是类似的，热解过程包括失水干燥、预热解、快速热解和残余物缓慢热解4个阶段。但每个热解阶段，竹材的热解温度低于人工林杉木，表明竹材热解时，其可燃性挥发物较人工林杉木更易热解析出，其生物质固体燃料更易燃烧。
3、竹材颗粒燃料的制备和性能测试
3.1竹材颗粒燃料的制备
基于上述分析，本研究以毛竹(Phyllostachys heterocycla)为原料，采自于美国路易斯安那州，初含水率约为6.13%，气干密度约为0.65g/cm3。毛竹首先被切割成40mm（纵向）x3～8mm（径向）x20～30mm（弦向）试件。利用木材粉碎机制备竹材颗粒，并通过机械筛选获得3种粒径的竹材颗粒。利用L-175型常温滚压式生物质颗粒燃料成型机研究制备竹材颗粒燃料，试验设计见表1。
表1 试验设计
| 试验号 | 含水率（%） | 粒径（mm） |
| 1 | 8 | PS1 |
| 2 | 8 | PS2 |
| 3 | 8 | PS3 |
| 4 | 12 | PS1 |
| 5 | 12 | PS2 |
| 6 | 12 | PS3 |
| 7 | 16 | PS1 |
| 8 | 16 | PS2 |
| 9 | 16 | PS3 |
(1)本试验选择三种颗粒大小的竹材原料，其中，PS1的竹材颗粒粒径大于1.18mm，PS2的竹材颗粒粒径介于1.18～0.84mm，PS3的竹材颗粒粒径小于0.84mm。
(2)将上述三种粒径大小的竹材颗粒分别放入恒温恒湿室内进行调湿处理。为了获得含水率分别约为8%和12%的竹材颗粒，设定恒温恒湿室的参数为温度27℃，相对湿度为65%和90%。对于含水率16%的竹材颗粒，通过增加定量蒸馏水的方式调解其含水率。
(3)将上述调湿处理的竹材颗粒放在密封袋，并在温度为27℃，相对湿度为65%的恒温恒湿室内平衡48h，旨在使竹材颗粒的含水率分布均匀。
(4)设定常温滚压式生物质颗粒燃料成型机的转数为220R/min。
(5)采用手动的进料方式将竹材颗粒连续的加入生物质颗粒燃料成型机内进行竹材颗粒燃料的制备。将制备好的竹材颗粒燃料放在实验室内7天，待其性能稳定后再进行性能测定。
3.2测试结果
根据美国燃料协会《民用／商用生物质颗粒燃料》和德国国家标准《木质颗粒燃料》对竹材颗粒燃料性能进行检测和评价。
3.2.1含水率对竹材颗粒燃料性能的影响
不同含水率制备的竹材颗粒燃料的性能见表2。竹材颗粒燃料的平均长度在12.71mm和11.69mm之间变化。颗粒燃料的长度影响其燃烧时的进料性能。颗粒燃料长度越短，燃烧时越容易连续流动进料。三种含水率条件下（8%，12%和16%），竹材颗粒燃料的直径差异较小，其值分别为6.09mm，6.03mm和6.04mm。产生差异的原因是颗粒内部水分移动破坏其成型过程中形成的粘接(Mahapatra等，2010)。生物质颗粒燃料的尺寸是影响其燃烧性能的主要影响因子。实际经验表明，尺寸小的颗粒燃料具有更加稳定的燃烧速度，特别是在小的燃烧炉内( Paivi，2001)。竹材颗粒燃料的吸湿性在10.95%和11.35%之间变化。竹材颗粒燃料的吸湿性与水分在其内部移动的难易密切相关。三种含水率条件下制备的竹材颗粒燃料内部空隙不同。空隙越大，水分在其内部异动越容易；空隙趟小，水分在其内部异动越难。竹材颗粒燃料的单元密度和堆积密度随其含水率的增加而增加。在三个含水率水平下，竹材颗粒燃料单元密度和堆积密度分别为l.05g/cm3，1.14g/cm3，1.20g/cm3和0.52g/cm3，0.63g/cm3，0.65g/crn3。生物质颗粒燃料的运输和存储效率与其堆积密度密切相关。堆积密度的增加可提高运输效率和降低存储空间。竹材颗粒燃料的抗破碎性随着其含水率的增加而降低，其耐久性随着竹材含水率的增加而增加。三种含水率水平下，竹材颗粒燃料的耐久性分别为95.07%，97.95%和98.38%。单元密度是影响竹材颗粒燃料抗破碎性和耐久性的重要因子。竹材颗粒燃料单元密度越大，其耐久性越好，抗破碎性最好。竹材颗粒燃料的灰分含量在1.46%～1.34%之间波动。生物质颗粒燃料的灰分含量与其矿物质成分和燃烧过程密切相关（Dick等，2007）。在生物质颗粒燃料成型过程中，生物质成分中有机物质含量降低可能导致其灰分含量的增加。对于含水率高的竹材材料，水分在成型过程中使竹材颗粒更容易通过成形孔，其有机物质成分降低越少。因此，含水率为16%的竹材制备的颗粒燃料灰分含量最低，最后为含水率为8%的竹材。不同含水率条件下制备竹材颗粒燃料的燃烧热值变化不大，其值分别为18465J/g，1843 8J/g和18457J/g。产生差异的原因是不同条件下制备竹材颗粒燃料的含水率不同，燃烧过程中部分热量被用于蒸发其内部的水分，造成了热量损失。
表2 不同含水率制备的竹材颗粒燃料性能
| 含水率（%） | 长度（mm） | 直径（mm） | 吸湿性（%） | 单元密度（g/cm3） | 堆积密度（g/cm3） | 抗破碎性（%） | 耐久性（%） | 灰分（%） | 热值（j/g） |
| 8 | 12.50 | 6.086 | 11.12 | 1.05 | 0.522 | 0.41 | 95.07 | 1.46 | 18465 |
| 12 | 12.71 | 6.036 | 11.35 | 1.14 | 0.625 | 0.54 | 97.95 | 1.37 | 18438 |
| 16 | 11.69 | 6.044 | 10.95 | 1.20 | 0.652 | 0.27 | 98.38 | 1.34 | 18457 |
不同颗粒粒径制备的竹材颗粒燃料的性能见表3。竹材颗粒燃料的平均长度随着竹材粒径的增加而降低。在三种粒径条件下(PS1、PS2和PS3)，试件长度分别为12.62mm，12.24mm和11,94mm。在三种粒径条件下，竹材颗粒燃料的直径差异较小，其值分别为6.05mm，6.06mm和6.05mm。竹材颗粒燃料的吸湿性随竹材粒径的变化而变化，主要原因是竹材颗粒内部孔隙结构不同和三种竹材颗粒的比表面积不同造成的。当水分接触到竹材颗粒表面时，同时发生吸附、扩散和渗透。竹材颗粒燃料内部空隙结构影响水分的移动。当竹材的粒径越大时，制备的竹材颗粒燃料内部空隙的体积越大和数量越多，水分的移动越容易。竹材颗粒燃料的单元密度和堆积密度随竹材粒径的增加而降低，但三种粒径条件下，其变化不大。竹材颗粒燃料的抗破碎性随着竹材粒径率的增加而降低，其抗破碎性的最低值出现在竹材粒径为PS3的水平上。
表3 不同颗粒粒径制备的竹材颗粒燃料性能
| 颗粒粒径 | 长度（mm） | 直径（mm） | 吸湿性（%） | 单元密度（g/cm3） | 堆积密度（g/cm3） | 抗破碎性（%） | 耐久性（%） | 灰分（%） | 热值（j/g） |
| PS1 | 12.62 | 6.052 | 11.31 | 1.11 | 0.599 | 0.28 | 97.96 | 1.45 | 18463 |
| PS2 | 12.24 | 0.062 | 11.32 | 1.13 | 0.600 | 0.49 | 97.21 | 1.15 | 18464 |
| PS3 | 11.94 | 6.053 | 10.79 | 1.16 | 0.600 | 0.46 | 96.23 | 1.57 | 18434 |
4、结论
在未来的能源消耗中，氢能、太阳能、风能、生物质能和海洋热能被认为可替代传统化石能源的几种主要能源。其中，唯有生物质能是碳基、可再生的清洁能源。由于生物质的种类繁多和分布广泛等特点，全世界的大多数人可以使用和利用它。生物质能源己成为各国世界能源可持续发展战略的重要组成部分，在世界能耗中，生物质能耗占能源总量的14%左右，特别是一些不发达地区，生物质能耗占能源总量的60%以上。
作为一种生物质资源，竹材在我国的储存量大，分布广泛，是我国开发利用生物质固体燃料的潜力资源。本研究制备的竹材颗粒燃料所有性能均能满足美国颗粒燃料协会标准《民用／商用生物质颗粒燃料》的要求，其燃烧热值也满足德国标准《木质颗粒燃料》中规定的关于商业用生物质颗粒燃料燃烧热值的最低要求(>17500J/g)。竹材颗粒燃料是一种新的生物质颗粒燃料，具有商业化开发潜力。
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