赵晓文1，矫振伟1，王瀚平1，赵武子2
（1．吉林大学热能工程系，吉林长春130022；2．中国人民解放军93279特种，吉林丹东118000）
摘要：以玉米秸秆和水稻稻壳为原料，采用正交设计的实验方法，研究不同的配比、不同的成型温度、不同的成型压力对复合生物质颗粒燃料的影响，综合评定复合生物质颗粒燃料的灰熔融性、焦渣特性、成型密度和外观品质。实验结果表明：75﹪玉米秸秆和25﹪水稻稻壳的配比，在32MPa的成型压力、180℃的成型温度条件下压缩成型的复合生物质颗粒燃料的综合性能最佳。
生物质作为一种可再生的清洁能源，具有能源替代、环境保护和促进农村经济发展三重功能，引起了国内外的广泛关注[1-3]。我国农作物秸秆年产量约6亿吨，除部分作为造纸原料和饲料外，大约3亿吨可作为燃料使用，折合约1．5亿吨标准煤[4-5]。由于生物质资源分散、形态各异、结构疏松、空间大、能量密度小、直接燃烧的热效率低、经济效益较差而成为规模化利用的主要瓶颈。颗粒成型技术就是将松散的、无定形的生物质原料压缩成有一定性状和密度较大的燃料，不仅提高了单位体积燃料的热值、便于运输、储存，还具有流动性，可实现燃烧过程自动化供料，改变传统的生物质的利用方式，成为生物质能源利用的一种有效途径。发达国家的技术与产品多用在木质生物质的处理，国内这方面起步较晚，且主要研究单一生物质的成型技术[6-7]。单质成分的生物质颗粒燃料，在燃烧过程中存在各自的特性，有的灰熔融性不好，结焦渣（如玉米秸秆颗粒）；有的灰分大，热值偏低（如水稻稻壳颗粒）等。为了改善生物质颗粒燃料的燃烧特性和焦渣特性，本文进行了复合生物质颗粒燃料实验研究[8]。
1实验设计
生物质中都含有一定数量的木质素，例如玉米秸秆中的木质素含量15﹪左右。木质素是由苯基丙烷单元构成的三维空间聚合物，非晶体，无熔点，但有软化点。当温度为70～110℃时，变软而具有黏性；当温度达到200～300℃时，呈熔融状，黏性较高[9-10]。压力和温度是生物质热压成型中两个重要的影响因素。
本实验的研究目标是以玉米秸秆和水稻稻壳为原料，在不同配比、不同成型温度、不同成型压力下成型的复合生物质颗粒燃料（以下简称燃料）的成型品质。用专家打分的形式综合评定燃料的灰熔融性、焦渣特性、热值和成型密度及外观的实验效应值。评价方法：（1）用灰熔融测定仪测定压缩成型的燃料的软化温度Ts值，Ts≥1000～1500℃，打分为0～30；（2）灰熔融测定仪中燃料温度达到1200℃时将其取出，评定焦渣特性，黏结序数1～7，打分为30～0；（3）用热值测定仪测定燃料的低位发热量，低位热值Qd，ad＝13～20kJ/g，打分为20～60；（4）用电子天平和卡尺测量颗粒的质量密度，观察颗粒外观的光洁度，有无焦糊和焦糊的程度，打分在10～30之间。综合分值越高越好。实验为三因素、三水平，选用正交表L9（34）。因素、水平取值见表1。
2实验装置
本热压成型机是自行设计的，由成型机构、压缩机构和加热机构组成，实物如图1所示。
成型机构由套筒、底座及柱塞组成，机械加工均达到精度要求，保证压缩成型的严密性。压缩机构由液压设备、压力表及支架组成。成型机构卡在液压设备与支架之间，对其定位，通过杠杆对液压设备给成型机构加压，使原料成型，压力表测得成型压力。加热机构是在成型模具的外表面上套上2个38mm×40mm的环形加热套，对模具外表面均匀加热，热量通过模具壁面传递给内部的生物质使其均匀受热。温度控制主要是用AI-518P型人工智能温度控制器，通过继电控制系统实现。测温系统由TESTO454多参数多功能测试仪和镍铬-镍硅热电偶组成。通过测量模具内部各点温度分布，可计算出生物质内部的温度。
成型机主要技术参数：压力范围：0～52MPa；温度范围：＞室温；成型颗粒尺寸：φ10mm×（10～30）mm；粒度范围：0～10mm。
测试灰熔融性和焦渣特性的仪器是长沙三德实业有限公司的SDAF-2000d灰熔融性自动测试仪。测热值仪器是长沙三德实业有限公司制造的SDACM-3000精英自动量热仪。密度测量采用上海梅特勒公司的PL2002电子天平和0～200mm游标卡尺。
3实验结果与分析
按正交表L9（34）设计9种实验方案，随机抽取实验序号，分别进行9次实验，将实验结果填入实验表，用正交试验方法计算、分析实验结果[11-12]。
热值测定结果是：80％秸秆和20％稻壳配比的热值为15772kJ/kg；75％秸秆和25％稻壳配比的热值为15644kJ/kg；70％秸秆和30％稻壳配比的热值为15517kJ/kg；因3种配比的热值相近，评定分值差别很小，对目标函数的影响很小，因此该项可以不做评定成分。
实验数据见表2，分析结论见表3[13]。
实验结果是F（2，3，2）最佳，综合分值75，因素F1的极差值最大是23．4。经计算得因素F1、F2和F3的最优水平分别为F（2，2，2）和F（2，3，2）。F（2，2，2）的预测值为F（2，2，2）＝F0＋F21＋F22＋F23＝58．3＋8．4＋3．4＋3．4＝73．5与F（2，3，2）的实验分值仅差1．5，但成型所消耗的功率却降低很多。F（2，2，2）组合的验证实验表明，结果与预测相符。
4结论
实验结果表明：复合生物质的配比对燃料的性能影响最大，主要体现在提高燃料的软化温度和抗结渣性；成型压力和成型温度的影响力基本相当，成型压力和成型温度的增加都能够提高成型密度，提高成型品质。但是，成型压力高于32MPa后，压力增高对提高成型品质贡献不显著，而消耗功率大大增加，不经济。
成型温度达到200℃后，颗粒表面出现焦糊，燃料的挥发份析出，压缩过程易出现放炮现象。综合分析实验结果认为，75﹪玉米秸秆和25﹪水稻稻壳的配比，在32MPa的成型压力、180℃的成型温度条件下压缩成型的复合生物质颗粒燃料的综合性能最佳。
参考文献
[1]Saxenarc，Adhikaridk，Goyalhb.Biomass based energy fuel through biochemical routes：A review[J].Renewable and Sustainable Energy Review，2009，,13（1）： 167-178.
[2]景元琢，董玉平，盖超，等.生物质固化成型技术研究进展与展望[J].中国工程科学，2011，13（2）： 72-77.
[3]唐炼.世界能源供需现状与发展趋势[J].国际石油经济，2005，11（3）： 30-33.
[4]中华人民共和国国家发展和改革委员会.可再生能源中长期发展规划[R].2007.
[5]刘春生.小型生物质气化系统的设计与性能实验研究[D].江苏：江苏大学，2008.
[6]赵廷林，舒伟，邓大军，等.生物质致密成型技术研究现状与发展[J].特别关注，2007，12（4）： 29-33.
[7]苏俊林，赵晓文，王巍.生物质成型燃料研究现状及发展[J].节能技术，2009 ，27（154）： 117-120.
[8]袁艳文，林聪，赵立欣，等.生物质固体成型燃料抗结渣研究进展[J].可再生能源，2009，27（5）： 48-51.
[9]周春梅，来小丽.生物质秸秆成型工艺的试验研究[J].可再生能源，2009 ，27（5）： 37-41.
[10]孙勇，张金平，杨刚，等.玉米秸秆木质素氧化与改性的研究[J].光谱学与光谱分析，2007（27）： 1997-2000.
[11]张成军.实验设计与数据处理[M].北京：化学工业出版社，2009.
[12]任露泉.试验设计及其优化[M].北京：科学出版社，2009.
[13]赵武子.生物质混合颗粒燃料热工特性研究[D].吉林：吉林大学，2010.
