關鍵詞：玉米秸稈；生物質能；顆粒燃料；可再生能源
0、引言
我國是農業大國，農業生物質資源十分豐富。目前我國農作物秸稈年總產量約7億t，是豐富的生物質能資源，但由于技術和意識的缺乏，大量農作物秸稈未能充分利用，有的露天燃燒，有的直接排入自然環境，不僅造成了巨大的資源浪費，而且導致了嚴重的環境污染和生態平衡的破壞。利用各種農業生物質能轉化技術將其轉化成高效、潔凈、高品位的能源及其他有益的資源，不僅可以提高我國的能源儲備，有利于我國經濟的可持續發展，還可以減少環境污染，因此具有重要戰略意義。
生物質作為能源利用已有相當長的歷史，而顆粒燃料始于20世紀70年代的美國和加拿大，90年代初發展于歐洲。尤其是瑞典、丹麥和奧地利對生物質能的開發利用最普遍。1996年瑞典議會通過議案逐步淘汰核電，而以生物質顆粒燃料發電替代，其2001年生物質顆粒燃料產值達7 000萬歐元。現在很多國家致力于生物質能的開發利用，歐洲各國都在商討如何加大力度利用生物質顆粒燃料，顆粒燃料是一種最具潛力的替代固體燃料用于供暖和發電的新興能源，秸稈顆粒機壓制的玉米秸稈顆粒燃料和小麥秸稈顆粒燃料如下所示：
1、原料
此次試驗采用玉米秸稈為原料，因為玉米秸稈在我國產量大、分布廣，具有普遍性。玉米秸稈的生物質成分見表1。玉米秸稈發熱量是15.55kj/g。表1 玉米秸稈生物質成分 %
| 水分 | 灰分 | 揮發份 | 固定碳 | 氫 | 碳 | 硫 | 氮 | 磷 | 鉀 |
| 4.87 | 5.93 | 71.45 | 17.75 | 5.45 | 42.17 | 0.12 | 0.74 | 2.60 | 13.8 |
2.1顆粒燃料成型機理
構成生物質的主要物質形態為不同粒徑的粒子，粒子在壓縮過程中表現出的充填特性、流動特性和壓縮特性對生物質的壓縮成型有很大的影響。通常生物質壓縮成型分為兩個階段。第一階段，在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結構開始改變，生物質內部空隙率減少。第二階段，當壓力逐漸增大時，生物質大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細小的粒子，并發生變形或塑性流動，粒子開始充填空隙，粒子間更加緊密地接觸而互相嚙合，一部分殘余應力貯存于成型塊內部，使粒子間結合更牢固。壓力、含水率及粒徑是影響粒子在壓縮過程中發生變化的主要因素。
2.2顆粒機工作機理
顆粒機是用來生產顆粒燃料的主要設備，靠壓輥和環模對原料進行擠壓來生產顆粒燃料。電動機帶動環模旋轉，由進入環模上的物料帶動壓輥轉動，當物料被強制喂料器送人工作區內時，隨著模和輥的轉動，壓輥前的物料被擠入壓縮區。物料在壓縮區被擠壓，物料之間的空隙急速縮小，物料內部壓力及密度增大，物料的彈性變形轉為塑性變形，達到一定密度的物料被壓入模孔，經過一定時間保壓，擠出模孔外，形成顆粒，如圖2所示。
3、工藝流程與設備
3.1試驗設備
遼寧省能源研究所研制的生物質顆粒燃料設備系統，由上料部分、制粒部分、冷卻部分、成品包裝和除塵部分組成。結構合理，運行穩定。
4、結果與分析
4.1玉米秸稈在不同壓縮比環模中成型分析
玉米秸稈的成型隨著環模壓縮比的加大，顆粒密度增大，能耗增加，產量提高，當達到一定壓縮比時，成型顆粒的密度增加較小，能耗相應增加，而產量卻有所下降，如圖4和表2。
表2 玉米秸稈在不同環模壓縮比中成型的測試及計算結果
| 壓縮比 | 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 |
| 產量/kg·h-1 | 500 | 780 | 900 | 810 | 650 |
| 能耗/kwh·t-1 | 64.00 | 46.15 | 46.67 | 54.32 | 72.31 |
同一種原料在不同壓縮比環模中成型，顆粒燃料的密度隨壓縮比增大而逐漸增大，并在一定壓縮比范圍內密度保持相對穩定，當壓縮比增大到一定程度時，原料會因為壓力過大造成出料不暢而不能成型。
根據這一理論依據，對于同一種物料，為獲得較大的顆粒密度，應設計采用較大的環模壓縮比。
因而用玉米秸稈作原料進行顆粒燃料的生產，采用壓縮比為4.5的環模即可滿足顆粒燃料的質量要求，同時保證設備系統能耗相對較低。
4.2玉米秸稈在相同環模中不同粒度成型分析
由表3可看出，隨著玉米秸稈原料粒度的增大，成型顆粒密度逐漸減小，當原料粒度大于10mm時成型效果極差，甚至不成型，但原料粒度太小也會影響顆粒密度。
表3 原料在不同粒度范圍內成型顆粒燃料測試結果
| 粒度范圍/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，玉米秸稈這一類生物質作原料進行顆粒燃料的生產，粒度范圍保持在0～5mm較為適宜，最佳為1～5mm。
4.3不同水分玉米秸稈在相同環模中成型情況
選擇壓縮比4.5的環模研究原料含水率與顆粒密度的關系，可看出隨著原料含水率的增加，成型顆粒燃料的密度隨之增大，當達到一定的適宜含水率范圍內時，顆粒燃料的密度達到最大并保持相對穩定，當原料的含水率增加到一定程度后，顆料燃料的密度開始下降，最終導致不成型。
在生物機體內存在的適量結合水和自由水是一種潤滑劑，使粒子間的內摩擦變小，流動性增強，從而促進粒子在壓力作用下滑動而嵌合。當生物質原料的含水量過低時，粒子得不到充分延展，與四周的粒子結合不夠緊密，所以不能成型；當含水率過高時，粒子盡管在垂直于最大主應力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合，但由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型。
因此，玉米秸稈這類生物質作原料進行顆粒燃料的生產，原料的含水率范圍保持在12%～18%的范圍內較為適宜，最佳含水率為15%。
4、結論
研究結果表明，利用玉米秸稈擠出生物質顆粒燃料是可行的，在壓縮比為4.5的環模，玉米秸稈粒度范圍保持在1～5mm，含水率保持在12%～18%的范圍內時效果最好，這時顆粒密度、產量最大且能耗較小。同時，對玉米秸稈擠出生物質顆粒燃料的成型機理也進行了研究，確定了合適的設備系統，并研究了生物質顆粒燃料成型的變化規律，為下一步大規模利用玉米秸稈生產生物質顆粒燃料奠定了基礎。
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