生物质颗粒燃料成型影响因素研究进展

黄 艳， 杜鹏东， 张明远， 汤晶宇， 韦 睿， 刘 灵， 王晓红， 张吉利

(1.中国林业科学研究院 林业新技术研究所，北京 100091； 2.中国林业科学研究院 寒温带林业研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086； 3.国家林业局 哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086)

·综述评论——生物质能源·

生物质颗粒燃料成型影响因素研究进展

黄 艳1,2,3， 杜鹏东2,3， 张明远2,3， 汤晶宇2,3， 韦 睿2,3， 刘 灵2,3， 王晓红2,3， 张吉利2,3

(1.中国林业科学研究院 林业新技术研究所，北京 100091； 2.中国林业科学研究院 寒温带林业研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086； 3.国家林业局 哈尔滨林业机械研究所，黑龙江 哈尔滨 150086)

综述了国内外生物质颗粒燃料成型研究资料，分析了颗粒燃料的黏结机理及质量参数，总结了原料含水率、贮藏时间、成型温度、压力等影响因子对颗粒燃料质量的影响,为成型工艺的合理选择及提高生物质颗粒燃料的物理品质提供理论依据和文献参考。

生物质；颗粒燃料；黏合机制；成型

为了缓解气候变化，应对不可再生化石燃料日益短缺的问题以及增加能源的多样性和安全性，可再生资源的利用日趋流行。其中，生物质颗粒燃料是替代燃煤最直接、最便捷的选择，在环保、价格、资源量等方面优势明显，已成为国家未来生物质能发展的重要内容。进入21世纪后生物质颗粒燃料产业飞速发展，2010 年的产量是2000 年的 9.5 倍[1]。目前,在欧美等国家，生物质颗粒燃料以木质颗粒燃料为主，具有热值高、灰分低、燃烧后不易结渣等优点[2-3],而我国的生物质成型燃料以农作物秸秆为主,与木质颗粒燃料相比,在物理特性、化学组分方面有着较大差别,导致燃烧特性存在差异,因此对成型设备、燃烧设备的技术、工艺参数的要求也不同[4]。生物质颗粒燃料的原材料主要来自初级和次级木材加工业的剩余物，如刨花，锯屑和木片，同时，农业剩余物，能源作物和食品加工业的剩余物在生物质颗粒燃料的生产中也越来越重要[5]。农作物秸秆、林业剩余物等生物质材料原始形态水分含量高，结构松散，形态和大小多变，且堆积密度较低，分布不集中，热效率低等诸多缺陷。因此，在加工、运输、储藏和利用过程中需消耗较多的劳动力和能源[6]，从而导致了昂贵的物流，尤其当生物质与能源生产的地点较远时，不利于大规模利用。将生物质原始材料加工成致密的颗粒或团块状可以解决这一问题，该过程是将粉碎后具有一定粒度的生物质材料，在一定的成型压力和温度下压制成形状规则、密度较大的颗粒或块状燃料。影响生物质颗粒燃料压缩成型的因素非常复杂，这些因素主要包括原料种类、含水率、颗粒度、成型压力和温度等。目前国内对生物质压缩成型技术的研究主要集中在生物质压缩过程的压缩特性、机械特性、流变特性和成型工艺等方面,对生物质压缩成型的内在黏结机理研究不够深入。作者从生物质颗粒燃料物理品质特性出发,探讨颗粒燃料压缩成型的内在机理,旨在为研究颗粒燃料的物理品质提供更加全面的方法,为成型工艺的合理选择提供理论依据。

1 颗粒燃料制备

1.1 制备

颗粒燃料是精练压缩燃料，直径为6～10 mm，能量密度高(≥4.7 kWh/kg)，灰分含量低，且排放低。颗粒燃料是原料经过研磨，再用水分或热量加以处理，通过模具挤压研磨样品，然后冷却[7]成形。经过颗粒化，单位体积的能量与未经加工过的生物质原料相比大大增加。颗粒燃料与生物质原始材料相比，水分含量、颗粒大小以及密度都更加均匀[8]。作为重要的能源，颗粒燃料已经被运用到很多能量转换过程中，从小型的家用炉具到工厂化的热电生产过程。

1.2 黏结机理

结构疏松、密度较小的生物质物料在受到外力作用后，将经历重新排列位置、机械变形、弹性变形、塑性变形阶段，这些变形的结果使得颗粒间接触面积增大，从而激活了分子间的相互作用[9-13]。许多学者已经对黏合机制进行过讨论[6, 14-16]。Rumpf[12]是第一个对生物质颗粒和团块可能存在的黏合机制作出描述的人，他把成型物内部的黏结力类型和黏结方式分为主要的5类：1) 固体颗粒间的分子吸引力或静电引力。引力是引起固体颗粒间黏附的短距离力，该作用力决定于颗粒大小和颗粒间的距离，只有当颗粒间的距离非常小时才会发挥效应，当颗粒间距离和颗粒大小增加时会迅速减小。引力可以是范德华力、氢键和磁场静电。2)界面力和自由移动液体的表面毛细管压力。界面力和流动液体表面的毛细管压力是由液体和颗粒间的表面张力和毛细管力引起的，附着力在颗粒间产生强大的黏合力，但是当液体蒸发后就随之消失[13]。3)附着力和内聚力。内聚力是使得相同物质黏合在一起的分子间的引力；而附着力是不同物质间分子的引力，该力使得不同物质能够附着在一起[16]。4)固体颗粒桥接或架桥。架桥通常是在高温高压下通过溶解质的结晶，黏合剂硬化，以及各种颗粒组分的熔化和烧结而形成的；固体颗粒桥接在很大程度上决定了最终固化或干燥制品的强度。5)颗粒间的机械连锁键。机械连锁是颗粒互相重叠在一起形成连锁键和的一种黏合机制，是固体粒子间的充填或嵌合[16]。该机制对颗粒强度的影响很微弱。

Samuelsson等[16]指出,可以合理假设颗粒燃料的生产中也有相似的黏合机制， 因为在造粒过程中所使用的压力大大高于硬纸板的生产，此外，其它机制也可能会产生作用。这和Stelte等[17]的研究相似，颗粒燃料的黏合是范德华力和氢键的共同作用。

2 质量指标

在欧洲，颗粒燃料质量标准由欧洲标准化委员会(CEN)制定。这些标准分为规范性和告知性，对于规范性标准将定义出质量等级，而告知性标准必须加以说明并提供给客户。

2.1 灰分含量

木材灰分含量根据土壤类型、树龄、部位(针叶、树枝和树皮)和收获季节的不同而不同。树从土壤中吸收的矿物质主要分配给针叶或树叶，小直径树枝和树皮，针叶树中针叶灰分质量分数约为5%，树皮部分约为3%，树干为0.5%[18]。颗粒燃料在造粒过程中所用部位主要为树皮和针叶时，灰分含量相对较高。欧盟标准声明最高质量的颗粒燃料的灰分含量应该不大于颗粒燃料干质量的0.7%。 Koch[19]研究发现黑松树干的灰分质量分数为0.23%～0.28%， Lindström等[20]指出欧洲赤松全树的灰分质量分数为1.1%。

2.2 机械耐久性

机械耐久性是颗粒燃料非常重要的质量参数,因为在用户装货、卸货、运输、储藏过程中,机械强度较低的颗粒燃料容易破碎,导致粉末增加,影响进料,同时在燃烧过程中,还影响烟气的排放[8,21]。机械耐久性的标准测试是通过翻滚颗粒燃料，去除细粉后计算剩余颗粒燃料的百分比。瑞典生物质颗粒燃料标准中要求颗粒燃料的机械耐久性大于95%。耐久性反映了成型颗粒燃料的黏结性能，它是由压缩条件及松弛密度决定的，耐久性作为表示成型燃料品质的一个重要特性，主要体现在不同的使用性能和贮藏性能方面，而仅仅通过单一的松弛密度无法全面、直接地反映出成型燃料在使用方面的差异性。因此，耐久性又具体细化为抗变形性、抗跌碎性、抗滚碎性、抗渗水性和抗吸湿性等几项指标[22]。

2.3 密度

原料在模具内体积随压缩过程中压力的增大不断减小，当压力增大到一定程度，体积不再变化，在最终压力下模内物料的密度称为压缩密度。然而，在成型颗粒或团块取出模具后，由于弹性形变和应力松弛，体积会逐渐增大，密度不断减小，一定时间后趋于稳定，此时成型颗粒燃料或团块燃料的密度称为松弛密度。该密度比模内的最终压缩密度小，是决定成型块燃料物理性能和燃烧性能的一个重要指标。生物质颗粒或团块的松弛密度与生物质种类及压缩成型工艺条件密切相关,不同生物质由于含水量不同,组成成分不同,在相同压缩条件下所达到的松弛密度也会有明显差异[23]。提高生物质成型燃料的松弛密度一般有两种途径,一是采用适宜的压缩时间控制成型块在模具内压缩时的应力松弛和弹性形变,阻止成型块出模后压缩密度的减小趋势；二是将生物质原料粉碎,尽可能减小粒度,并适当提高生物质压缩成型的压力、温度或添加黏结剂,最大限度降低成型块内部的空隙率,增强结合力[24-25]。

高密度使得单位体积和能量增高，从而运输和储存成本变低。欧盟标准中规定了最高质量等级的颗粒燃料密度不小于600 kg/m3, 但是通常颗粒燃料生产者旨在生产密度大于650 kg/m3的颗粒燃料[8]。

3 对颗粒燃料成型的影响因素

3.1 水分

水分含量是影响颗粒燃料质量最重要的因素。生物机体内存在适量的结合水和自由水,具有润滑剂的作用, 使粒子间以及粒子与模具内壁间的摩擦变小, 流动性增强，从而促进粒子在压力作用下滑动而嵌合。水分作为黏合剂在造粒过程中的作用非常显著，并且会影响颗粒燃料的机械耐久性及强度。最佳水分含量因原材料和生产设置的不同而发生变化[26-27]。

3.1.1 颗粒燃料强度 工厂化的木屑颗粒燃料生产的资料表明，致密的木质颗粒的强度和耐久性随水分含量的增加而增强，直到一个最优值[6]。成型压力相同时，含水率高的材料孔隙度低，因此黏接面积更大，生产出的颗粒燃料强度更高。低于最优含水率时，随着含水率的增加，黏接面积的增加量大于黏接强度的降低量，最终使得颗粒燃料强度增加；然而，随着含水率的进一步增加，黏接强度大大降低，这一影响占优势且超过了增加的黏接面积对颗粒燃料强度的影响，从而使颗粒燃料强度降低[11]。

3.1.2 密度 适当的含水率有利于减小粒子间的摩擦力，以消除孔隙，因此水分增加了颗粒的质量而体积却没有增大，从而增大了颗粒燃料密度。然而，当水分含量超过最适含水率时，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，使得压制颗粒燃料时阻力增加，多余的水分占据体积，导致颗粒燃料强度和密度降低[28]，加之由于水分的不可压缩性，从而有可能阻碍完全压缩以及微粒中天然黏合剂的释放，导致颗粒燃料不能成型。当生物质原料的含水率过低时, 粒子得不到充分延展, 与四周粒子结合不够紧密, 所以不能成型[29]。姜洋等[29]对玉米秸秆、稻壳、锯末、芦苇和豆秆颗粒燃料成型条件的研究发现，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,最终导致无法成型。樊峰鸣等[30]进行了含水率对松弛密度的影响试验，认为当含水率约为 12 %时，成型密度最大，密度变化率最小，原料含水率在8%～15%范围时均可得到较理想的成型密度。

3.1.3 黏接强度 范德华力和氢键是粒子被压缩时的黏合机制。水分在粒子间的有效部位充当桥梁，从而增加这些粒子间的黏接强度。当含水率过低时，孔隙不能被填满，水分子就不能充当桥梁，黏接强度就弱；另一方面，当含水率过高时，水分吸收氢键位点，占据了颗粒燃料间的黏合位点，从导致了黏接强度的降低[11]。

为了生产出稳定而耐久的颗粒燃料，原材料需达到最佳水分含量。以玉米秸秆、芦苇等生物质作原料进行颗粒燃料的生产时, 原料的含水率应保持在 12%～18%较为适宜, 最佳含水率为15%[29]。蒋剑春等[31]对颗粒燃料成型机制备林业剩余物颗粒燃料进行了研究，得出原料含水率为16%～22% ，成型压力为 49～98 MPa，成型温度约为100 ℃时，成型效果较佳。Samuelsson等[16]研究发现，当储藏时间超过120天，锯末的含水量范围在11%～13%时，欧洲赤松生产出的木屑颗粒燃料的质量最佳。生物质原材料的含水量在8%～12%时，生产出高质量的木屑颗粒燃料，含水率过高或过低都会降低颗粒燃料的品质[32]。

3.2 提取物

颗粒燃料还受提取物含量的影响。提取物是可从木材中通过有机溶剂提取的物质，包括低相对分子质量的化合物如脂肪酸、蜡、固醇和萜烯等[33]。当木材刚被砍伐时，这些化学物质聚集在木材表层，阻碍木材分子结合，这一现象称为钝化作用，Stehr等[34]将其称为弱边界层。对未经提取和经丙酮提取的欧洲赤松木屑颗粒的对比研究发现，经提取过的锯末生产的木屑颗粒燃料与未处理过的锯末生产的颗粒燃料相比，密度和抗压强度都更高[35]。

Stelte等[17]研究了山毛榉、欧洲云杉以及小麦秸秆制成的颗粒燃料的颗粒间附着力和失效机理，分别代表硬木、软木和草本。结果显示不管在20 ℃还是100 ℃，木屑颗粒的抗压强度都明显高于草制的颗粒燃料。他们把原因归结于草本的提取物比木本植物的提取物高很多。颗粒燃料强度可能与提取物含量紧密相连，当提取物含量增加时，颗粒燃料强度显著下降，因提取物阻碍了颗粒燃料间黏合点的接触，阻碍了颗粒燃料间水分的结合，从而导致颗粒燃料强度的降低。

3.3 生产因素

造粒过程中的生产因素如成型压力和温度等也会显著影响颗粒燃料的性能[6,14,35]。成型压力增加时，颗粒燃料密度增加，将接近真密度，此时孔隙度将减小，意味着黏接面积增大，从而使得颗粒燃料强度增加[35]。造粒设备施加的成型压力激活了填入原材料之间不同的黏合机制，在足够高的成型压力下，生物材料中天然的黏合物如淀粉、蛋白质、木质素和果胶被挤压出来，从而有利于颗粒燃料间更好的黏合。当农林废弃物进行热压成型时,构成生物质的化学成分可以转换为黏结剂,增强了成型颗粒间的黏结力[25]。

成型温度对颗粒燃料质量的影响非常显著。对颗粒燃料断裂表面的研究发现，成型温度为20 ℃时颗粒燃料间只有感觉弱的黏合力[17]。在挪威云杉的研究中，Rhén等[26]发现高温和低湿是增加木屑颗粒抗压强度和密度最重要的因素。Nielsen等[36]在研究欧洲山毛榉和欧洲赤松木屑的造粒过程中温度的重要性时发现，升温有利于减少造粒过程中的能量消耗以及生产出强度更高的颗粒燃料。程大莉等[37]利用自制成型模具对棉秆和竹材颗粒进行热压致密成型，通过极差分析得出棉秆颗粒燃料的最佳成型工艺参数为：成型温度 190 ℃、热压压力32 MPa、成型时间 3 min；竹材颗粒燃料的最佳成型工艺参数为：成型温度 250 ℃、热压压力 32 MPa、成型时间3 min。

3.4 贮藏时间

颗粒燃料质量还会受到原材料贮藏时间的影响，因在贮藏过程中提取物和水分含量等都会减少[21,35-36]。经加工的木屑和木片提取物减少的速度比野外贮藏的原木快得多，室外贮藏5 a的欧洲赤松原木提取物从3.6%降至2.6%，而室外贮藏160 d的木屑的提取物含量从3.7%减少到1.8%[38]。Samuelsson等[15]发现室外贮藏140 d的欧洲赤松和挪威云杉的木屑提取物含量也逐渐减少。

此外，影响生物质压缩成型的因素还有原料种类、粒度、模具的形状尺寸等。不同种类的原料，其压缩成型特性有很大不同，原料的种类不仅影响成型的质量，如密度、强度、热值等，而且还影响生产效率以及动力消耗。原料的粒度影响成型块的质量，也影响生产效率和动力消耗，一般来说，粒度小的原料容易压缩，粒度大的原料较难压缩。

4 结 语

生物质颗粒燃料的质量是多因素综合影响的结果，其中含水率是成型中的一个重要影响因素，原料含水率的高低直接关系到生物质能否被压缩为颗粒燃料，含水率太高或太低都不能生产出物理品质高的颗粒燃料。由于原料特性及加工处理方式的不同，各种原料的最适含水率存在较大差别，在生产过程中适应的成型压力和温度等也不尽相同，因此，根据生产的需求，用实验方法得出各原料的最适工艺参数。目前，在国内研究较多的是农业废弃物如秸秆等的成型影响因素，而对林业废弃物固体颗粒燃料成型的研究较少，在以后的研究中应加强这一部分的研究。

实验可以得出影响颗粒质量的单个因素的最优值，但是在实际生产过程中，原材料性质、预处理方法、设备参数等因子之间是相互影响的，因此，需用统计和数学方法得出最理想的造粒程序，以生产出强度和耐久性都最佳的颗粒燃料。在研究最佳造粒方案时，除了颗粒强度和耐久性，单位能量消耗、生产速率、维护和生产成本都应该考虑在内。在生产操作方面，虽然生产过程已经实现自动化，培训高技能的工作人员也是提高颗粒质量的一个重要因素。

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《生物质化学工程》征订启事

《生物质化学工程》(双月刊)是由国家林业局主管、中国林科院林产化学工业研究所主办的，面向国内外公开发行的全国生物质化工行业的技术类刊物。A4开本，56页，邮发代号 28-205，国内年订价60.00元，国外发行代号 BM 2743，国外年定价60美元，国内刊号CN 32-1768/S，ISSN 1673-5854。该刊是美国《化学文摘》(CA)收录期刊、《乌利希国际期刊指南》收录、RCCSE中国核心学术期刊(A)、中国农业核心期刊、“中国期刊全文数据库”、“中文科技期刊数据库” 、“万方数据—数字化期刊群” 、“CEPS中文电子期刊服务”全文收录期刊、“中国学术期刊综合评价数据库”统计刊源期刊、《CAJ-CD规范》执行优秀期刊。

报道范围：可再生的木质和非木质生物质资源的化学加工与利用，包括生物质能源、生物质化学品、生物质新材料、生物质天然活性成分和制浆造纸等。主要报道内容为松脂化学、生物质能源化学、生物质炭材料、生物基功能高分子材料、胶黏剂化学、森林植物资源提取物化学利用、环境保护工程、木材制浆造纸为主的林纸一体化和林产化学工程设备研究设计等方面的最新研究成果。

读者对象：适于从事生物质化学工业、林产化学工业、林业、农业、森工、能源、轻工、化工、环保、医药、食品、土产、商检、外贸等行业从事科研、教学、生产、经营、设计工作等相关人士阅读。欢迎积极投稿、踊跃订阅或来电来函联系广告业务！

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Research Progress of Factors Affecting the Formation of Biofuel Pellets

HUANG Yan1,2,3, DU Peng-dong2,3, ZHANG Ming-yuan2,3, TANG Jing-yu2,3,WEI Rui2,3, LIU Ling2,3, WANG Xiao-hong2,3, ZHANG Ji-li2,3

(1. Research Institute of Forestry New Technology, Beijing 100091, China; 2. Research Center of Cold TemperateForestry, CAF, Harbin 150086, China; 3. Harbin Research Institute of Forestry Machinery,State Forestry Administration, Harbin 150086, China)

The literatures about the formation of biofuel pellet research were reviewed. The bonding mechanism and quality parameters of fuel pellet were analyzed, and the influences of material moisture content, storage time, temperature and pressure on pellet quality were summarized. Based on these, a theoretical basis and literature references for reasonable choices of the pelletizing process were provided to improve the physical quality of the biofuel pellets.

biomass; fuel pellet; binding mechanisms; pelletization

10.3969/j.issn.1673-5854.2015.05.010

2015- 06- 17

中国林科院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(CAFYBB2014QA027)；中国林科院林业新技术所基本科研业务费专项资金(CAFINT2014C18)

黄 艳(1988—),女，助理工程师，硕士，主要从事生物质颗粒燃料研究；E-mail:huangyan19881128@163.com

*通讯作者：张吉利(1986—)，男，工程师，主要从事森林生态研究；E-mail:xtafktj@126.com。

TQ35

A

1673-5854(2015)05- 0053- 06