霍麗麗^1,2，田宜水¹，孟海波¹，趙立欣¹，姚宗路¹

（1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京100125；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）

　　摘要：為研究生物質(zhì)顆粒燃料的微觀成型機(jī)理，以玉米秸稈、木屑為原料利用環(huán)模式成型機(jī)壓縮成生物質(zhì)顆粒燃料，并對原料、粉碎原料及生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行顯微形貌觀察，對比不同原料、不同階段物料的微觀形態(tài)和散粒體壓縮過程的結(jié)合形式。結(jié)果表明：環(huán)模式成型機(jī)為間斷性壓縮，生物質(zhì)顆粒燃料微觀成型機(jī)理為分層壓縮，層與層間距為25～40μm；從橫截面看分3層：中心層散粒體“平鋪”，過渡層扭曲變形，表層“直立”。相同擠壓力下秸稈顆粒燃料比木屑顆粒燃料的密度小。為生物質(zhì)顆粒燃料的成型機(jī)具提供重要的設(shè)計理論依據(jù)。

　　0引言

　　生物質(zhì)顆粒燃料作為一種新型可再生能源，它采用模輥式成型機(jī)具壓縮成形，與松散秸稈和煤相比，具有便于儲存和運(yùn)輸、燃燒過程黑煙少、火力旺、燃燒充分、不飛灰、干凈衛(wèi)生、且NO_x、SO_x排放量低、可實(shí)現(xiàn)自動化上料等優(yōu)點(diǎn)。用生物質(zhì)顆粒燃料替代煤作燃料，對實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展和對降低溫室氣體及污染物的排放具有重要作用^[1-2]。

　　生物質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)技術(shù)已基本成熟，但相應(yīng)的成型設(shè)備存在關(guān)鍵部件磨損快，壽命短等問題^[3-4]，原因是生物質(zhì)顆粒燃料的微觀成型機(jī)理研究較少。現(xiàn)有研究中，郭康權(quán)指出，在垂直于最大主應(yīng)力的方向上，粒子以相互嚙合的形式結(jié)合，在沿著最大主應(yīng)力的方向上，粒子以相互貼合的形式結(jié)合[5]。胡建軍和徐廣印對玉米秸稈、棉花秸稈、小麥秸稈、稻草及木屑五種原料，采用同一壓力，不同壓縮速度進(jìn)行壓縮，分析微觀形貌變化，提出了秸稈冷態(tài)壓縮成型的微觀結(jié)合模式；在橫截面方向上，秸稈組織受到嚴(yán)重破壞，以相互貼合的形式結(jié)合；在縱截面方向上，秸稈組織破壞較小，以相互嵌合的形式結(jié)合^[6-7]。齊菁對稻殼顆粒燃料進(jìn)行掃描電鏡觀察，提出稻殼顆粒成型機(jī)理包括化學(xué)結(jié)合和物理結(jié)合兩部分，主要以物理結(jié)合的“片搭”形式結(jié)合^[8]。孟海波研究了秸稈原料的微觀組織形貌^[9]。劉圣勇僅對成型后的玉米秸稈顆粒燃料的微觀組織進(jìn)行觀察，說明了秸稈組織結(jié)構(gòu)變的混亂無秩序，層與層之間的空隙較小，連接物無明顯界線，結(jié)合緊密，斷面的形成有相互牽拉的跡象^[10]。

　　Nalladurai Kaliyan對壓縮前后的玉米秸稈和顆粒進(jìn)行對比，從物質(zhì)的結(jié)合角度出發(fā)，得出原料散粒體之間以“堅實(shí)的橋梁”形式結(jié)合的，壓縮溫度升高，可以激活水分的作用，使之與木質(zhì)素，蛋白質(zhì)，淀粉和脂肪一并成為天然的粘結(jié)劑，有助于顆粒的成型^[11]。國內(nèi)外針對生物質(zhì)顆粒燃料的微觀成型機(jī)理研究內(nèi)容并不深入，只說明了壓縮后其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變緊密的現(xiàn)象，對散粒體間的結(jié)合形式論述具有局限性，目前從微觀角度對成型機(jī)理的研究仍處于初步研究階段。

　　本試驗以玉米秸稈、木屑等為原料，用環(huán)模式成型機(jī)進(jìn)行壓縮成型，利用掃描電鏡和電子顯微鏡，對生物質(zhì)顆粒燃料壓縮前后的微觀形貌進(jìn)行觀察研究，討論散粒體的結(jié)合形式，從微觀散粒體結(jié)合角度分析生物質(zhì)顆粒燃料的成型機(jī)理，為生物質(zhì)顆粒燃料的成型機(jī)具的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

　　1材料與方法

　　1.1儀器設(shè)備

　　試驗儀器電子顯微鏡（OlympusBX41）、顯微攝像系統(tǒng)（Canon550D）、掃描電子顯微鏡（S-3400N）、生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)（485型）、粉碎機(jī)（篩孔徑8mm）、電子天平（PL2002/01型、精度0.01g）、標(biāo)準(zhǔn)篩一套（孔徑分別為6mm，3.2mm，1mm）、電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-1A型）、干燥器、砂紙（粒度600～5000）、切片刀、載玻片、蓋玻片、刷子、鑷子、洗耳球等。

　　1.2試驗材料

　　本試驗選擇北方地區(qū)極為豐富的玉米秸稈和木屑作為試驗原料。

　　將玉米秸稈分為3份，第1份對玉米秸稈的表皮和玉米秸稈心部取樣，分別進(jìn)行切片，待觀察；第2份用粉碎機(jī)粉碎（粉碎后粒度分布見圖1），然后對粉碎秸稈進(jìn)行取樣、干燥，制樣，鍍膜；第3份將粉碎原料壓縮制成直徑為6mm，長約18～50mm的圓柱顆粒，將成型的顆粒燃料標(biāo)記，選取幾料用切片刀分別切開，成一橫截面和一縱截面，并依次用粒度由粗到細(xì)的砂紙磨光，待觀察。

　　將木屑分為兩份，第1份選取木屑細(xì)小顆粒（粒度分布見圖1），方法與玉米秸稈第2份相同；第二份進(jìn)行壓縮成型，并切出截面方法與玉米秸稈第3份相同。

　　1.3試驗設(shè)計

　　本試驗選擇玉米秸稈和木屑為主要研究對象，分別對上述的自然晾曬的玉米秸稈、粉碎后的玉米秸稈、自然晾曬的木屑和壓縮成型的秸稈、木屑顆粒燃料等進(jìn)行顯微觀察，對比分析粉碎、壓縮前后秸稈、木屑的微觀形貌變化，分析散粒體的結(jié)合形式，闡述生物質(zhì)顆粒燃料成型的微觀機(jī)理。

　　壓縮后的顆粒燃料物理特性見表1。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1外形特征

　　2.1.1自然晾曬的秸稈

　　自然晾曬干燥后的秸稈顏色呈黃色，心部組織與表皮組織相分離，空隙較大，表皮光滑，心部呈較為規(guī)則的條形纖維狀，纖維與纖維之間由少量的基本組織連接。

　　2.1.2粉碎后秸稈和木屑

　　粉碎后的秸稈呈片條狀或少量顆粒狀。自然晾曬的木屑呈棕黃色，塊狀和粉末狀，比粉碎秸稈的尺寸小，粒度較均勻。

　　2.1.3成型后的顆粒燃料

　　木屑顆粒燃料外表面光滑，偶見表面有裂紋。在環(huán)橫孔原料進(jìn)口端端面呈“中心低，四周高”，橫孔出口端端面呈“中心高，四周低”，凸起和凹陷端面較規(guī)則。顏色呈棕黃色，與木屑原本顏色一致，但略顯深。

　　秸稈顆粒燃料外表面略顯粗糙，兩端形貌與木屑顆粒相似，凸起和凹陷端面粗糙無規(guī)則。顏色較木屑顆粒暗，呈灰黃色，比秸稈顏色深，且較木屑顆粒燃料容易掰斷。

　　2.2微觀形貌

　　2.2.1自然晾曬的玉米秸稈

　　自然晾曬后的玉米秸稈切片制樣進(jìn)行觀察，秸稈心部的內(nèi)層組織疏松，髓腔大小均勻，髓腔和維管束清晰可見，但都略有擠壓變形。新鮮秸稈維管束由外圍的初生韌皮部和內(nèi)部的初生木質(zhì)部組成，維管束間距為1.1mm左右。經(jīng)晾曬后秸稈的維管束周圍的韌皮部已消失，只剩木質(zhì)部的導(dǎo)管，直徑約0.1mm，周圍形成較大的氣腔，薄壁組織細(xì)胞愈接近莖中部越大，即髓腔越大，見圖2a。表皮結(jié)構(gòu)基本保持秸稈原貌，從橫截面上觀察，表皮組織呈蜂窩狀，靠近表皮部位的組織細(xì)胞越來越小，維管束散生在基本組織中，在秸稈表皮分布較多，較小，遠(yuǎn)離表皮部位分布較少，較大，圖2b。縱切面上觀察組織細(xì)胞呈磚形，長約125μm，寬約20～30μm，圖2c，表皮外部具有角質(zhì)層，厚度約5μm，光滑堅硬。

　　2.2.2粉碎玉米秸稈

　　粉碎秸稈表皮有斷裂痕跡，有少量孔洞和被嵌入的小顆粒，圖3a。對粉碎秸稈表皮表面進(jìn)行觀察，基本組織有被撕裂痕跡，細(xì)胞不完整，斷面可見清晰的破壞結(jié)構(gòu)，并沾有其他細(xì)小散粒體，圖3b。秸稈心部的基本組織有斷裂層，細(xì)胞呈蓬松的碎片狀，見圖3c。秸稈粉碎，只對斷面組織有所破壞，粉碎秸稈散粒體內(nèi)部仍保持原有基本組織形態(tài)。

　　2.2.3玉米秸稈顆粒燃料

　　秸稈壓縮成顆粒燃料其基本組織扭曲變形嚴(yán)重，原有的基本組織形貌已不存在，粉碎秸稈散粒體已完全嵌合在一起。散粒體結(jié)合形式從橫截面看，圖4a，可分為三層，分別為中心層、過渡層、表層。中心層散粒體形貌清晰可見，見圖4b，散粒體呈“平鋪”姿勢，表層的散粒體呈“站立”姿勢，過渡層散粒體嚴(yán)重變形扭曲，散粒體壓縮示意圖5。粉碎后的秸稈大多為片狀或長條狀，極少為粒狀，壓縮過程由于模具孔側(cè)面的限制，隨著擠壓流動靠近模具面的秸稈散粒體沿著側(cè)壁向下運(yùn)動，而中心散粒體由于上壓力的作用被擠倒而平鋪。成型過程中，原料散粒體僅形態(tài)等發(fā)生擠壓變形，屬于物理變化，沒有明顯的化學(xué)變化。

　　縱截面秸稈粉碎散粒體相互擠壓，呈不規(guī)則的鱗片狀，圖6a。由圖可見兩條清晰的裂痕，且間隙較大，兩裂痕間距離約40μm，斷層可見秸稈散粒體的結(jié)構(gòu)扭曲變形較嚴(yán)重，散粒體間完全交錯糅合在一起，圖6b。裂痕產(chǎn)生是由于壓縮過程為間斷性的，粉碎的秸稈散粒體是一層一層被擠壓成型。這符合環(huán)模成型機(jī)理，成型機(jī)通過模輥間的物料及其摩擦力使安裝在環(huán)模內(nèi)的壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)，將物料鉗入、擠壓，最后成圓柱狀從環(huán)模孔中被連續(xù)擠出來，試驗用成型機(jī)為雙壓輥，即環(huán)模旋轉(zhuǎn)一周，每個環(huán)模孔被擠壓兩次，為間斷性壓縮。

　　2.3木屑和木屑顆粒燃料微觀形貌

　　2.3.1木屑

　　木屑的微觀形貌與木材原貌一致，只是木屑邊緣部分有切斷的痕跡，木屑的表面形態(tài)略有變形，圖7a。表面的細(xì)胞已斷裂呈蓬松碎片狀，破裂部仍可見木質(zhì)原有的篩孔，圖7b。

　　2.3.2木屑顆粒燃料

　　由于模具的擠壓，木屑已完全嵌在一起，分辨不出散粒體之間的間隙及木屑表面的原有形貌，只觀察到木屑網(wǎng)絡(luò)骨架變細(xì)，且有一定的彎曲變形，結(jié)合處木屑與木屑之間已完全揉合在一起，部分木屑散粒體完全變形，扭曲。與玉米顆粒燃料類似，從橫截面看，木質(zhì)顆粒燃料形貌仍可分為中心層、過渡層和表層三部分，圖8a。

　　中心層散粒體“平鋪”，清晰可見其為片狀，圖8b。表層散粒體“直立”，呈條塊狀分布。過渡層散粒體已完全變形，無法看出其原有形態(tài)。以上特征比秸稈顆粒燃料明顯，圖8c。

　　縱截面可見層與層相互疊加，片與片層疊在一起。由于擠壓力和模具孔的限制，成型過程位于中心的散粒體先被擠出模具孔，因此，顆粒燃料的中心略凸起，散粒體分別向兩側(cè)彎曲，圖9a，顆粒燃料仍有裂縫存在，兩裂縫間距離約25μm，圖9b。

　　2.4玉米秸稈和木屑顆粒燃料對比

　　肉眼觀察秸稈顆粒燃料表面裂紋比木屑顆粒燃料多，且表面較粗糙，易掰斷。木屑顆粒較結(jié)實(shí)，不易掰斷。顆粒燃料的兩端，一端面呈“中心低，四周高”，另一端面呈“中心高，四周低”，木屑顆粒燃料端面的凸起和凹陷較秸稈顆粒燃料光滑。

　　顆粒燃料的橫截面觀察，可分三層，中心層的散粒體“平鋪”，表層的散粒體“直立”，過渡層散粒體變形嚴(yán)重。顆粒燃料縱截面觀察，顆粒燃料內(nèi)部有裂縫存在，裂紋是導(dǎo)致生物質(zhì)顆粒燃料易掰斷的直接原因。不同原料裂紋的寬度不同，玉米秸稈原料的生物質(zhì)顆粒燃料裂紋間距比木屑原料的生物質(zhì)顆粒燃料大，且裂縫間隙寬，因此，秸稈顆粒較木屑顆粒更易掰斷。秸稈顆粒燃料呈不規(guī)則鱗片狀，木屑顆粒燃料呈層狀，且中心凸起，散粒體分別向兩邊彎曲，原因是木屑散粒體較粉碎秸稈散粒體的粒度分布均勻，80%以上為粒度小于1mm的散粒體，且粒度較小，壓縮成型后的散粒體排列較整齊。

　　以原料粉碎粒度的現(xiàn)狀來看，壓力相同時，秸稈顆粒燃料的顆粒绖密性稍差，若提高秸稈顆粒燃料绖密性，則秸稈所需壓力要大于木屑原料。

　　采用秸稈生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)工藝中，應(yīng)在秸稈粗粉后，再進(jìn)行一次細(xì)粉，使秸稈粉料粒度變小，并使粒度分布更加均勻，可以提高生物質(zhì)顆粒燃料的成型質(zhì)量。但成本相應(yīng)增加。

　　3結(jié)論

　　1）粉碎秸稈和木屑的微觀形貌未發(fā)生本質(zhì)變化，只表面細(xì)胞結(jié)構(gòu)被損壞。顆粒燃料的微觀形貌已完全變化，基本失去了原有的細(xì)胞結(jié)構(gòu)微觀形貌，散粒體揉合在一起形成新的微觀形貌。

　　2）生物質(zhì)顆粒燃料橫截面的微觀形貌觀察，可將其形貌分成中心層、過渡層和表層三部分，中心層散粒體“平鋪”，表層散粒體“直立”，過渡層散粒體擠壓變形嚴(yán)重。

　　3）生物質(zhì)顆粒燃料為分層壓縮，顆粒燃料內(nèi)部有裂紋存在，這與環(huán)模式成型機(jī)具的間斷性壓縮過程吻合。該壓縮機(jī)理導(dǎo)致顆粒內(nèi)部有斷層，這是玉米秸稈顆粒燃料容易掰斷的主要原因，若要提高秸稈顆粒燃料質(zhì)量，應(yīng)在壓縮前對原料再進(jìn)行細(xì)粉，減小原料的粒度，使粒度分布更加均勻，來提高散粒體結(jié)合能力。

　　4）秸稈顆粒燃料比木屑顆粒燃料的層間距大，導(dǎo)致木屑顆粒燃料的顆粒密度大于秸稈顆粒燃料。現(xiàn)有原料條件下，秸稈顆粒燃料比木屑顆粒燃料更難成型，若要提高秸稈顆粒燃料顆粒密度，秸稈原料壓縮所需壓力應(yīng)大于木屑原料，可通過增加環(huán)模壓縮比或適當(dāng)增加環(huán)模轉(zhuǎn)速等方式，來增加顆粒燃料密度。

　　[參 考 文 獻(xiàn)]

　　[1]姚向君，田宜水.生物質(zhì)能資源清潔轉(zhuǎn)化利用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

　　[2]王久臣，戴林，田宜水，等.中國生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2007，23(9)：276－282.

　　[3]姚宗路，田宜水，孟海波，等.生物質(zhì)固體成型燃料加工生產(chǎn)線及配套設(shè)備[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.2010，26(9)：280－285.

　　[4]霍麗麗，侯書林，田宜水，等.生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)壓輥磨損失效分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.2010，26(7)：102－106.

　　[5]郭康權(quán).植物材料壓縮成型時粒子的變形及結(jié)合形式[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1995，11(1)：138－143.

　　[6]胡建軍.秸稈顆粒燃料冷態(tài)壓縮成型實(shí)驗研究及數(shù)值模擬[D].大連理工大學(xué)，2008，6.

　　[7]徐廣印，沈勝強(qiáng)，胡建軍，等.秸稈冷態(tài)壓縮成型微觀變化的實(shí)驗研究[J].太陽能學(xué)報，2010，31(3)：273－278.

　　[8]齊菁，于洪亮，林海，等.稻殼生物質(zhì)顆粒成型機(jī)理的顯微觀察[J].遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009(6)：49－50.

　　[9]孟海波.秸稈切割破碎與揉切機(jī)刀片耐用性試驗研究[D].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2005，5.

　　[10]劉圣勇，楊國峰，蘇超杰，等.玉米秸稈成型燃料的微觀結(jié)構(gòu)觀察與分析[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2009，8(3)：277－282.

　　[11]Nalladurai Kaliyan, R.Vance Morey.Natural binders and solid bridge type binding mechanisms in briquettes and pellets made from corn stover and switch grass [J].Bioresearch Technology, 2010(101): 1082－1090.