玉米秸稈成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性影響因素及分析

李文濤 ，馬超 ，王東海 ，楊洋 ，孫振鑫

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.堪薩斯州立大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程系）

黑龍江省作為農(nóng)業(yè)大省，擁有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，2018 年秸稈產(chǎn)量約8 800 萬t。大慶市農(nóng)作物秸稈總量784.3 萬t，秸稈可收集量659.3 萬t，秸稈綜合利用量431.2 萬t[1]，根據(jù)保護性耕作的技術(shù)要求，除去約30%的秸稈還田滿足保護性耕作的需求外，其余約70%的農(nóng)業(yè)作物秸稈需要進行“離地”處理，而秸稈由于松散程度高、堆積密度較低的問題，給收集、運輸、儲存和應(yīng)用帶來一定的困難。同時傳統(tǒng)的化石燃料日漸枯竭和大量使用導(dǎo)致嚴重生態(tài)破壞與環(huán)境污染，直接或間接的影響了人類社會的發(fā)展。在此背景下，國家越來越重視對可再生能源的開發(fā)與利用，秸稈固化成型燃料，是秸稈綜合利用的方式之一，具有加工簡單、成本較低、便于儲存和運輸、易著火、燃燒性能好、熱效率高的優(yōu)點，可作為炊事、取暖的燃料，也可以作為工業(yè)鍋爐和電廠的燃料。

生物質(zhì)成型技術(shù)是生物質(zhì)有效利用方面非常有前途的技術(shù)，且符合國際生物質(zhì)能利用發(fā)展總趨勢和中國國情，國務(wù)院辦公廳下發(fā)了《關(guān)于加快推進農(nóng)作物秸稈綜合利用的意見》，國家發(fā)改委、農(nóng)業(yè)部聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)編制秸稈綜合利用規(guī)劃的指導(dǎo)意見的通知》，要求省、市、縣三級政府完成秸稈綜合利用規(guī)劃的編制工作，規(guī)劃中要明確農(nóng)作物秸稈綜合利用的政策保障體系，秸稈利用的產(chǎn)業(yè)布局和重點項目，國家發(fā)改委頒布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中明確規(guī)定固化成型燃料作為重中之重的領(lǐng)域，要求在2020 年生物質(zhì)燃料顆粒的利用量要達到5 000 萬t。隨著生物質(zhì)燃料生產(chǎn)量的大幅增加，對其品質(zhì)也就有更高的要求，燃料的物理特性直接決定了包裝、使用、運輸和貯藏條件[2-3]。成型燃料的抗?jié)B水是生物質(zhì)成型燃料的滲水能力，吸濕性是燃料吸收壞境中水分的能力，兩者均可反映成型燃料的粘結(jié)強度。以玉米秸稈粒度、成型壓力、含水率、壓縮時間和超聲波電源功率等為因素，分析其對固化成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響。

1 材料與方法

1.1 成型參數(shù)水平及燃料制備

利用秸稈粉碎機（型號：SM2000，Retsch 公司，德國）將玉米秸稈粉碎成粒徑范圍為0～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0、2.0～2.5 mm 和 2.5～3.0 mm 5 個水平，壓力分別設(shè)置為 138、207、276、345 kPa 和 414 kPa；通過玉米秸稈的干基質(zhì)量計算配制含水率為6%、8%、10%、12%和 14%；壓縮時間分別為 30、50、70、90 s 和 110 s，通過秒表計時；超聲波電源功率（額定功率500 W，AP-1000，美國）為0、20%、40%、60%和80%。對上述5 個因素進行單因素成型試驗，獲得不同條件下的固化成型燃料用于試驗研究。

1.2 抗?jié)B水性測定方法

參照Lindley J A[4-5]的檢測方法，先向干凈的燒杯內(nèi)倒入27 ℃的水200 mL，然后將105 ℃烘干24 h的成型燃料置于水平面下25 mm 處，30 s 后取出，滴干后計算成型燃料所吸收的水量與原成型燃料質(zhì)量的百分比，隨機選擇相同成型條件下的3 個成型燃料進行測試，取平均值作為測試結(jié)果。

1.3 吸濕性測定方法

為營造恒溫恒濕的環(huán)境，采用飽和氯化鉀溶液室溫條件下置于干燥器中，溶液液位為干燥器的1/3，測定25 ℃時，其濕度為87.5%。試驗時將成型燃料放置于干燥器的中間位置，初始質(zhì)量為m0，每隔12 h測定成型燃料的質(zhì)量mi，吸濕率按下式[6]進行計算：

v=（mi-m0）/m0×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米秸稈粒徑對成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響

圖1 玉米秸稈粒徑下成型燃料的抗?jié)B水性和吸濕率Fig.1 Water resistance and moisture absorption rate of biomass briquette fuel under different corn stalk particle size

圖1 為不同粒徑在含水率為10%、超聲波電源功率40%、成型壓力276 kPa 和壓縮時間70 s 條件下獲得成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響。由圖1（a）可以看出，隨著原料的粒徑增加，成型燃料的抗?jié)B水性略有增加，但無顯著變化，0～1.0、1.0～1.5 mm和1.5～2.0 mm 的抗?jié)B水性均在 50%左右，2.5～3.0 mm的抗?jié)B水性最高為57.2%。圖1（b）顯示，不同粒徑成型燃料的吸濕率隨著時間的延長逐漸升高，12 h 時吸濕率快速增加到7.0%～7.4%范圍內(nèi)，48 h 內(nèi)成型燃料吸收水份的能力最強，此后吸濕率趨于平緩，至72 h 時吸濕率在11.8%～12.2%范圍內(nèi)，相同時間內(nèi)粒徑越大吸濕率相對越高，其中粒徑為1.0～1.5 mm的吸濕率略低于其他粒徑。分析其主要原因為隨著玉米秸稈粒徑的增加，粒子與粒子間的間距減小，范德華力減弱，成型密度逐漸減小[7]，同時粒徑的比表面積越大，燃料容易吸濕回潮；但與之相反，由于粒子的粒徑變小，使粒子間空隙更易于填充，并且其可壓縮性變大，獲得內(nèi)部殘存的內(nèi)應(yīng)力變小的成型燃料，從而提高了成型燃料的抗吸濕性，削弱了親水性[8-10]。由于試驗中粒徑1.0～1.5 mm 的成型燃料吸濕率較低，結(jié)合其抗?jié)B水性，再對其他因素分析時選擇該粒徑下的成型燃料進行研究。

2.2 成型壓力對成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響

圖2 為粒徑為1.0～1.5 mm、含水率10%、超聲波電源功率40%和壓縮時間70 s 在不同成型壓力條件下獲得的成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響。圖2（a）表明，隨著成型壓力的增加，成型燃料的抗?jié)B水性先快速降低，由138 kPa 時的67.4%降低到345 kPa 壓力下的47.6%，當壓力增加到414 kPa 時抗?jié)B水性升高到51.6%，但遠低于初始壓力的抗?jié)B水性。圖2（b）顯示，不同壓力條件下的吸濕率隨時間延長均逐漸升高，12 h 時吸濕率在7.4%～7.7%范圍內(nèi)，到24 h 時吸濕率升高到了9.6%～9.8%，由于成型燃料在吸濕試驗之前進行了烘干處理，故在24 h 內(nèi)吸濕率增加較快，60 h 以后不同壓力下的吸濕率趨于穩(wěn)定，其中414 kPa 的吸濕率略高于其他處理。

圖2 不同成型壓力下成型燃料的抗?jié)B水性和吸濕率Fig.2 Water resistance and moisture absorption rate of biomass briquette fuel under different molding pressure

從燃料成型的過程分析，成型壓力較小時，即壓力小于345 kPa 時，玉米秸稈在壓力的作用下粒子被壓縮重排填充空隙，部分粒子發(fā)生塑性變形，燃料的密實度較低導(dǎo)致成型燃料的抗?jié)B水性較高。成型壓力大于345 kPa 時在超聲波的作用下可使粒子間相互錯位，形狀和位置發(fā)生變化，粒子在壓力方向上得到延展充分，均以嚙合方式結(jié)合，粒子間的殘余應(yīng)力也會使得結(jié)合更為牢固[11-13]，此時的抗?jié)B水性最小、吸濕率較低。而414 kPa 時的抗?jié)B水性和吸濕率較高的原因是在超聲波的作用下，振子產(chǎn)生高頻的垂直震動，通過機械震動能產(chǎn)生相應(yīng)的熱效應(yīng)，使玉米秸稈吸收轉(zhuǎn)化為熱能，在成型燃料的內(nèi)部由于溫度過高開始出現(xiàn)局部炭化現(xiàn)象[14]。成型壓力對燃料的抗?jié)B水性的影響較大，綜合上述兩個指標選擇成型壓力345 kPa 分析原料含水率對成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響。

2.3 原料含水率對成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響

圖3 為粒徑為1.0～1.5 mm、成型壓力345 kPa、超聲波電源功率40%和壓縮時間70 s 在不同原料含水率條件下獲得的成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響。圖3（a）表明，隨著原料含水率的增加，成型燃料的抗?jié)B水性呈現(xiàn)先快速下降后略有上升的變化規(guī)律。原料含水率在6%時燃料的抗?jié)B水性高達77.7%，抗?jié)B水性最差，原料含水率在8%～14%范圍內(nèi)時，成型燃料的抗?jié)B水性在48.6%～52.8%，其中含水率為10%時獲得的燃料的抗?jié)B水性最低，效果最好。因為原料的含水率對成型過程影響很大，水是良好的潤滑與黏接媒介，過低含水率的秸稈原料由于太干燥，成型時阻力較大，粒子得不到充分延伸，導(dǎo)致成型效果差，而過高含水率的秸稈原料在成型過程中過量的水被擠出后，在粒子層之間形成“水屏障”，反而阻礙了分子之間的直接接觸也不利于成型[15]，一些研究表明不同類型原料和成型工藝對含水率要求在8%～20%范圍內(nèi)效果最佳[16-19]。由圖3（b）可見，隨著時間的增加，成型燃料的吸濕率均不同程度的快速增加，后逐漸趨于平衡。在吸濕的前期48 h 內(nèi)，同一時間段內(nèi)原料含水率6%的吸濕率變化最快，從12 h 時8.1%增加到48 h 時的11.9%，其次是原料含水率為14%的處理，但增加速率遠低于原料含水率6%的燃料，8%、10%和12%%的吸濕率變化規(guī)律基本相同，處理間的差異不大。吸濕后期60 h 以后各個處理均趨于平衡，增加率大幅降低，72 h 時吸濕率均在12.5%左右。通過原料含水率對抗?jié)B水性和吸濕性的影響分析，選擇含水率10%處理進一步對壓縮時間進行研究。

圖3 不同原料含水率下成型燃料的抗?jié)B水性和吸濕率Fig.3 Water resistance and moisture absorption rate of biomass briquette fuel under different moisture content

2.4 壓縮時間對成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響

圖4 不同壓縮時間下成型燃料的抗?jié)B水性和吸濕率Fig.4 Water resistance and moisture absorption rate of biomass briquette fuel under different compression time

圖4 為粒徑為1.0～1.5 mm、原料含水率10%、成型壓力345 kPa 和超聲波電源功率40%在不同壓縮時間條件下獲得的成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響。圖4（a）表明，壓縮時間對成型燃料的抗?jié)B水性的影響較大，壓縮時間從30 s 增加到90 s，成型燃料的抗?jié)B水性從112.3%降低至49.8%，90 s 后抗?jié)B水性反而增加到66.4%。由圖4（b）所示，隨著吸濕時間的延長，不同壓縮時間條件下成型燃料的吸濕率均呈現(xiàn)增加的趨勢，且在0～36 h 時的增加速度最快，60 h后吸濕率增加速度明顯放緩，同一時間條件下壓縮時間為30 s 的吸濕率最高，90 s 的吸濕率最低。試驗結(jié)束時壓縮時間為70、90 s 和110 s 的吸濕率在11.3%左右，略低于50 s 的11.8%和30 s 的12.6%。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是在成型的過程中壓縮時間30 s較短，超聲波產(chǎn)生的機械振動對玉米秸稈的壓縮不夠充分、效果不夠明顯[20-21]，導(dǎo)致成型燃料的粘結(jié)力較低，進而造成密度較低、孔隙率大，故其抗?jié)B水性和吸濕率最高；隨著壓縮時間的增加，超聲波的作用逐漸顯現(xiàn)，成型燃料的粘結(jié)力逐漸增強[22]，粒子間孔隙率降低，故50～90 s 抗?jié)B水性和吸濕率較低。而在超聲波的輔助作用下，壓縮時間過長會導(dǎo)致成型過程只增加成型燃料的內(nèi)部溫度，使其炭化[22]，試驗中110 s 時成型燃料內(nèi)部開始出現(xiàn)炭化的現(xiàn)象，同時存在細小裂痕，故壓縮時間為110 s 成型燃料的抗?jié)B水性和吸濕率反而升高。合理的壓縮時間即可充分發(fā)揮超聲波的作用，也能避免炭化現(xiàn)象的出現(xiàn)，結(jié)合抗?jié)B水性和吸濕率選擇壓縮時間為90 s 來分析超聲波電源功率的影響。

2.5 超聲波電源功率對成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響

圖5 為粒徑為1.0～1.5 mm、原料含水率10%、成型壓力345 kPa 和成型時間90 s 在不同超聲波電源功率條件下獲得的成型燃料抗?jié)B水性和吸濕性的影響。圖5（a）表明，超聲波電源功率為0 即無超聲波輔助時，成型燃料在水中浸泡30 s 內(nèi)體積完全散開，抗?jié)B水性差，無法定量分析其抗?jié)B水性。隨著超聲波電源功率的增加，從20%～60%范圍內(nèi)，燃料的抗?jié)B水性逐漸降低，從97.4%降低至44%。目前抗?jié)B水性在國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的標準，檢測值越小說明抗?jié)B水性越好[4]。當超聲波電源功率到達80%時，成型過程中燃料出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象，形成多道裂縫并部分炭化，不滿足成型燃料的要求，故不再討論其抗?jié)B水性和吸濕性。圖5（b）可知，隨著超聲波電源功率的增加，吸濕率逐漸降低，超聲波電源功率為0 時的吸濕率最高，12 h 時為7.5%，72 h 時達到12.1%，而超聲波電源功率為60%，吸濕率最低，由12 h 的4.9%增加到72 h 的9.4%。超聲波電源功率對成型燃料的抗?jié)B水性和吸濕性影響顯著，這與Qi zhang[23-24]、Xiaoxu song[25]和叢威龍等[26]的研究結(jié)果一致。分析其原因為通過換能器和變幅桿，將超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぞ哳^的高頻垂直振動，使顆?；钴S起來，顆粒間的間隙被填充，有利于提高顆粒間的粘結(jié)力[22]。同時通過機械振動能產(chǎn)生相應(yīng)的熱效應(yīng)，使玉米秸稈介質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化為熱能。有研究表明在超聲波電源功率50%時，成型過程中燃料內(nèi)部中心位置的溫度可達到234 ℃[14]，高溫致使玉米秸稈中的部分木質(zhì)素軟化呈現(xiàn)溶融狀態(tài)，與纖維素更加緊密的結(jié)合起來，提高了燃料的物理品質(zhì)[27]。

圖5 不同超聲波電源功率下成型燃料的抗?jié)B水性和吸濕率Fig.5 Water resistance and moisture absorption rate of biomass briquette fuel under different ultrasonic power supply

3 結(jié)論

超聲波電源功率、成型壓力和壓縮時間對成型燃料的抗?jié)B水性和吸濕性影響較大，在超聲波電源功率為60%、成型壓力345 kPa 和壓縮時間90 s 時，成型燃料的抗?jié)B水性最低約為44%，72 h 時的吸濕率為9.4%，而原料含水率在8%至14%范圍內(nèi)和粒徑對抗?jié)B水性的影響較小。隨著時間的延長，燃料的吸濕率均呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。為提高燃料的耐久性，同時避免燃料炭化，超聲波電源功率在40%～60%，壓縮時間70～90 s 效果較佳。