关键词：玉米秸秆；生物质能；颗粒燃料；可再生能源
0、引言
我国是农业大国，农业生物质资源十分丰富。目前我国农作物秸秆年总产量约7亿t，是丰富的生物质能资源，但由于技术和意识的缺乏，大量农作物秸秆未能充分利用，有的露天燃烧，有的直接排入自然环境，不仅造成了巨大的资源浪费，而且导致了严重的环境污染和生态平衡的破坏。利用各种农业生物质能转化技术将其转化成高效、洁净、高品位的能源及其他有益的资源，不仅可以提高我国的能源储备，有利于我国经济的可持续发展，还可以减少环境污染，因此具有重要战略意义。
生物质作为能源利用已有相当长的历史，而颗粒燃料始于20世纪70年代的美国和加拿大，90年代初发展于欧洲。尤其是瑞典、丹麦和奥地利对生物质能的开发利用最普遍。1996年瑞典议会通过议案逐步淘汰核电，而以生物质颗粒燃料发电替代，其2001年生物质颗粒燃料产值达7 000万欧元。现在很多国家致力于生物质能的开发利用，欧洲各国都在商讨如何加大力度利用生物质颗粒燃料，颗粒燃料是一种最具潜力的替代固体燃料用于供暖和发电的新兴能源，秸秆颗粒机压制的玉米秸秆颗粒燃料和小麦秸秆颗粒燃料如下所示：
1、原料
此次试验采用玉米秸秆为原料，因为玉米秸秆在我国产量大、分布广，具有普遍性。玉米秸秆的生物质成分见表1。玉米秸秆发热量是15.55kj/g。表1 玉米秸秆生物质成分 %
| 水分 | 灰分 | 挥发份 | 固定碳 | 氢 | 碳 | 硫 | 氮 | 磷 | 钾 |
| 4.87 | 5.93 | 71.45 | 17.75 | 5.45 | 42.17 | 0.12 | 0.74 | 2.60 | 13.8 |
2.1颗粒燃料成型机理
构成生物质的主要物质形态为不同粒径的粒子，粒子在压缩过程中表现出的充填特性、流动特性和压缩特性对生物质的压缩成型有很大的影响。通常生物质压缩成型分为两个阶段。第一阶段，在压缩初期，较低的压力传递至生物质颗粒中，使原先松散堆积的固体颗粒排列结构开始改变，生物质内部空隙率减少。第二阶段，当压力逐渐增大时，生物质大颗粒在压力作用下破裂，变成更加细小的粒子，并发生变形或塑性流动，粒子开始充填空隙，粒子间更加紧密地接触而互相啮合，一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。压力、含水率及粒径是影响粒子在压缩过程中发生变化的主要因素。
2.2颗粒机工作机理
颗粒机是用来生产颗粒燃料的主要设备，靠压辊和环模对原料进行挤压来生产颗粒燃料。电动机带动环模旋转，由进入环模上的物料带动压辊转动，当物料被强制喂料器送人工作区内时，随着模和辊的转动，压辊前的物料被挤入压缩区。物料在压缩区被挤压，物料之间的空隙急速缩小，物料内部压力及密度增大，物料的弹性变形转为塑性变形，达到一定密度的物料被压入模孔，经过一定时间保压，挤出模孔外，形成颗粒，如图2所示。
3、工艺流程与设备
3.1试验设备
辽宁省能源研究所研制的生物质颗粒燃料设备系统，由上料部分、制粒部分、冷却部分、成品包装和除尘部分组成。结构合理，运行稳定。
4、结果与分析
4.1玉米秸秆在不同压缩比环模中成型分析
玉米秸秆的成型随着环模压缩比的加大，颗粒密度增大，能耗增加，产量提高，当达到一定压缩比时，成型颗粒的密度增加较小，能耗相应增加，而产量却有所下降，如图4和表2。
表2 玉米秸秆在不同环模压缩比中成型的测试及计算结果
| 压缩比 | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 |
| 密度/kg·m-3 | 0.92 | 1.08 | 1.200 | 1.22 | 1.21 |
| 产量/kg·h-1 | 500 | 780 | 900 | 810 | 650 |
| 能耗/kwh·t-1 | 64.00 | 46.15 | 46.67 | 54.32 | 72.31 |
同一种原料在不同压缩比环模中成型，颗粒燃料的密度随压缩比增大而逐渐增大，并在一定压缩比范围内密度保持相对稳定，当压缩比增大到一定程度时，原料会因为压力过大造成出料不畅而不能成型。
根据这一理论依据，对于同一种物料，为获得较大的颗粒密度，应设计采用较大的环模压缩比。
因而用玉米秸秆作原料进行颗粒燃料的生产，采用压缩比为4.5的环模即可满足颗粒燃料的质量要求，同时保证设备系统能耗相对较低。
4.2玉米秸秆在相同环模中不同粒度成型分析
由表3可看出，随着玉米秸秆原料粒度的增大，成型颗粒密度逐渐减小，当原料粒度大于10mm时成型效果极差，甚至不成型，但原料粒度太小也会影响颗粒密度。
表3 原料在不同粒度范围内成型颗粒燃料测试结果
| 粒度范围/mm | 0～1 | 1～5 | 5～10 | 10以上 |
| 密度/kg·m-3 | 1.15 | 1.23 | 1.02 | 0.80 |
因而，玉米秸秆这一类生物质作原料进行颗粒燃料的生产，粒度范围保持在0～5mm较为适宜，最佳为1～5mm。
4.3不同水分玉米秸秆在相同环模中成型情况
选择压缩比4.5的环模研究原料含水率与颗粒密度的关系，可看出随着原料含水率的增加，成型颗粒燃料的密度随之增大，当达到一定的适宜含水率范围内时，颗粒燃料的密度达到最大并保持相对稳定，当原料的含水率增加到一定程度后，颗料燃料的密度开始下降，最终导致不成型。
在生物机体内存在的适量结合水和自由水是一种润滑剂，使粒子间的内摩擦变小，流动性增强，从而促进粒子在压力作用下滑动而嵌合。当生物质原料的含水量过低时，粒子得不到充分延展，与四周的粒子结合不够紧密，所以不能成型；当含水率过高时，粒子尽管在垂直于最大主应力方向上充分延展，粒子间能够啮合，但由于原料中较多的水分被挤出后，分布于粒子层之间，使得粒子层间不能紧密贴合，因而不能成型。
因此，玉米秸秆这类生物质作原料进行颗粒燃料的生产，原料的含水率范围保持在12%～18%的范围内较为适宜，最佳含水率为15%。
4、结论
研究结果表明，利用玉米秸秆挤出生物质颗粒燃料是可行的，在压缩比为4.5的环模，玉米秸秆粒度范围保持在1～5mm，含水率保持在12%～18%的范围内时效果最好，这时颗粒密度、产量最大且能耗较小。同时，对玉米秸秆挤出生物质颗粒燃料的成型机理也进行了研究，确定了合适的设备系统，并研究了生物质颗粒燃料成型的变化规律，为下一步大规模利用玉米秸秆生产生物质颗粒燃料奠定了基础。
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