以華北產(chǎn)量較大的玉米秸稈、大豆秸稈為原料，采用HPB—III改進(jìn)型生物質(zhì)
秸稈壓塊機(jī)，就大粒徑秸千1：粒度、含水率等對(duì)成型密度、抗水性影響因素進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原料含水率在8％～15％時(shí)均很容易壓縮成型，在12％左右成型效果最佳，成型密度接近或大于1g•cm。經(jīng)抗水性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其耐水浸蝕性能好，玉米秸稈成型燃料最長(zhǎng)達(dá)300h，便于儲(chǔ)存、處理及運(yùn)輸。從成型燃料專用燃燒設(shè)備燃燒試驗(yàn)看到，該成型燃料燃燒充分，燃燒效率超過98％，最高燃燒溫度1100℃以上，燃燒過程飛灰少，不結(jié)渣或輕微結(jié)渣。
目前，不少農(nóng)村大量燃用液化氣、煤炭等礦物能源燃料，使得農(nóng)林廢棄物、農(nóng)作物秸稈、糠渣、谷殼的剩余量越來越大。這些廢棄生物質(zhì)體積密度小，占用空間大，到處堆積，銷毀處理不易，掩埋困難，荒燒又會(huì)嚴(yán)重破壞農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。為此，科研人員研究了多種生物質(zhì)處理及再利用技術(shù)，其中生物質(zhì)壓縮成型就是比較成熟的技術(shù)之一。生物質(zhì)秸稈收割后經(jīng)過干燥、粉碎，再經(jīng)生物質(zhì)成型設(shè)備擠壓成棒狀、塊狀或顆粒等成型燃料，其密度可達(dá)0.8～1.35g•cm，體積壓縮比7～10倍，便于儲(chǔ)存、處理和運(yùn)輸。
現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)成型工藝絕大多數(shù)要先將秸稈粉碎至極為細(xì)小的顆粒或粉末，然后經(jīng)成型設(shè)備壓縮成型，否則不能成型或難以成型。作者利用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HPB—III型生物質(zhì)秸稈成型設(shè)備進(jìn)行粗大秸稈擠壓成型試驗(yàn)，將原料的粒度大大放寬，粗大玉米秸稈只需簡(jiǎn)單切碎，對(duì)麥秸、豆秸、稻殼、花生殼等直徑小于1cm、長(zhǎng)度小于25cIn的大粒徑松軟生物質(zhì)秸稈，不需要粉碎便可輸入成型機(jī)擠壓出成型燃料。
不但降低了粉碎秸稈的能耗，減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還有效地提高了生產(chǎn)效率。由于擠壓時(shí)高溫高壓調(diào)整了原生物質(zhì)含水率，改變了其分子結(jié)構(gòu)，成型后生物質(zhì)內(nèi)部空隙率大大減少，揮發(fā)分被濃縮，容積密度增大，從而改善了生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性。
1、試驗(yàn)材料與方法
1.1準(zhǔn)備試驗(yàn)原料
試驗(yàn)采用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園提供的本年度收割成熟玉米秸稈、大豆秸稈，自然風(fēng)干至含水率25％以下，然后應(yīng)用改進(jìn)的臥式錘片粉碎機(jī)將玉米秸稈切碎，要求粉碎后秸稈長(zhǎng)度不大于25cm便可入倉(cāng)備用；大豆秸稈抽出籽粒時(shí)已被太陽(yáng)光干燥，碾壓后絕大部分秸稈粒度已滿足成型要求，可不粉碎。試驗(yàn)前將原料從倉(cāng)庫(kù)取出分組晾曬或用烤箱烘干，使含水率分別控制在8％、12％、15％、18％和21％，用塑料袋分裝、密封待用。
1.2主要試驗(yàn)設(shè)備
1.2.1成型設(shè)備
主要包括電機(jī)、液壓系統(tǒng)、活塞沖桿、成型套簡(jiǎn)和電加熱圈等部分。
1.2.2生物質(zhì)燃燒鍋爐
采用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的88kW生物質(zhì)成型燃料鍋爐對(duì)成型燃料的燃燒性能進(jìn)行測(cè)試。
1.2.3其他儀器和設(shè)備
IRT-2000A手持式快速紅外測(cè)溫儀；KM9106綜合煙氣分析儀；3012H型自動(dòng)煙塵測(cè)試儀；游標(biāo)卡尺、秒表、烘干箱、磅稱、電子天平等。
2試驗(yàn)結(jié)果與討論
2.1含水率對(duì)松弛密度的影響
在合適的溫度及壓力下壓縮的成型燃料，原料含水率會(huì)對(duì)其成型密度產(chǎn)生影響。成型塊推出壓模后含水率會(huì)發(fā)生變化，隨著放置時(shí)間的延長(zhǎng)而趨于相近。
2.2成型燃料的抗水性
成型燃料的抗水能力是評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，耐水浸能力差的成型燃料會(huì)給運(yùn)輸、儲(chǔ)存帶來麻煩，需要增加防水防潮投資。試驗(yàn)證明大粒徑秸稈加工成型燃料的耐水性優(yōu)于細(xì)小粉粒加工而成的成型燃料，而且抗沖擊能力強(qiáng)。
2.3燃燒特性試驗(yàn)
經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得成型燃料與原生物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)沒有明顯的變化，只是物理結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，導(dǎo)致燃燒特性出現(xiàn)較大的差異。根據(jù)GB／T15137—1994(32業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測(cè)方法》、GB5468—91《鍋爐煙塵測(cè)試方法》及GWPB3—1999(鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB212—91《煤的工業(yè)分析方法》和GB5186《生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測(cè)試方法》，對(duì)該生物質(zhì)成型燃料成分分析以及發(fā)熱量、灰分、燃燒性能、環(huán)保指標(biāo)等進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。
2.3.1成型燃料工業(yè)及化學(xué)分析
參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB212—91《煤的工業(yè)分析方法》和GB5186(生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測(cè)試方法》，對(duì)成型燃料進(jìn)行工業(yè)分析和元素分析，所得各成分空氣干燥基的質(zhì)量百分比及發(fā)熱量見表2與表3。可以看出，生物質(zhì)成型燃料的揮發(fā)分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于煤，灰分和含碳量小于煤，這些特點(diǎn)決定了生物質(zhì)秸稈成型燃料燃燒時(shí)與煤相比具有易燃燒、低污染等特性。
2.3.2秸稈成型燃料燃燒性能
為了取得真實(shí)的燃燒效果、可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)采用在實(shí)用鍋爐中進(jìn)行燃燒性能試驗(yàn)的方式，所用鍋爐為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自行研制的生物質(zhì)成型燃料專用鍋爐。該生物質(zhì)成型燃料鍋爐采用雙層爐排、風(fēng)機(jī)強(qiáng)制對(duì)流、上燃下吸式燃燒，屬于常壓熱水鍋爐，設(shè)計(jì)功率88kW，每小時(shí)燃燒消耗成型燃料20～27kg。
2.3.2.1點(diǎn)火性能
取含水率8％的2種成型燃料各100kg，每次試驗(yàn)取其中一種20kg左右加入上爐膛，用少許稻草引燃。秸稈成型燃料特點(diǎn)是揮發(fā)分高而空隙率低、結(jié)構(gòu)密實(shí)，其組織結(jié)構(gòu)限制揮發(fā)分由內(nèi)向外的析出速度，熱量由外向內(nèi)的傳播速度減慢，由于與氧接觸面減少，使得點(diǎn)火所需的氧原生物質(zhì)點(diǎn)火有所減少，因此其點(diǎn)火性能比原生物質(zhì)有所降低，但遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于型煤的點(diǎn)火性能�？偟恼f來，生物質(zhì)成型燃料的點(diǎn)火特性更趨于生物質(zhì)點(diǎn)火特性，影響成型燃料點(diǎn)火的主要因素有松弛密度、生物質(zhì)種類、成型燃料幾何尺寸等，松弛密度越小、燃料揮發(fā)分越高而空隙率越低點(diǎn)火越容易，反之點(diǎn)火性能降低。無論何種成型燃料，其點(diǎn)火時(shí)間均比型煤引燃時(shí)間短數(shù)倍，其點(diǎn)火溫度與原生物質(zhì)相比略有提高，但遠(yuǎn)低于型煤。
2.3.2.2燃燒過程
秸稈成型燃料燃燒時(shí)，它仍不失生物質(zhì)秸稈的燃燒特性。整個(gè)燃燒過程大致為揮發(fā)物燃燒——表面焦炭過渡區(qū)燃燒——滲透擴(kuò)散燃燒——灰塊形成4個(gè)階段。其實(shí)質(zhì)屬于靜態(tài)滲透式擴(kuò)散燃燒。
首先，成型燃料燃表面可燃揮發(fā)物析出并開始燃燒，進(jìn)行可燃?xì)怏w和氧氣的熱化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)燃燒屬于動(dòng)力區(qū)：燃燒持續(xù)10min左右，可燃揮發(fā)物燃燒速度較快，形成藍(lán)色并略帶淺橙色的中長(zhǎng)火焰；隨后，成型燃料表層部分的碳開始燃燒，外焰紅色加重，成橙紅色火焰，燃燒速度變慢；燃燒又持續(xù)10min左右，紅色漸褪，藍(lán)色、橙色變多，漸漸形成藍(lán)色外焰包圍著黃色火苗的火焰；又燃燒5min左右，火苗藍(lán)色變少，火焰變短，這時(shí)明火較多，形成紅色火焰。
接著，燃燒逐漸向成型燃料更深層——焦炭層滲透擴(kuò)散，進(jìn)人靜態(tài)滲透區(qū)：CO氣體向外擴(kuò)散，不斷與O2結(jié)合生成CO2，大約經(jīng)過15min后，成型燃料表面生成薄灰殼，外層包圍著藍(lán)色短火焰，藍(lán)色火焰又被內(nèi)部溢出的揮發(fā)分燃燒形成的黃色長(zhǎng)火焰包圍；隨著時(shí)間的推移，成型燃料進(jìn)一步向更深層發(fā)展，在層內(nèi)主要進(jìn)行碳燃燒(即C+O2=CO)，在燃料表面進(jìn)行一氧化碳的燃燒(即CO+O2=CO2)，這時(shí)藍(lán)色火焰消失，形成紅色的中長(zhǎng)火焰，火焰逐漸變短。這一階段燃燒溫度達(dá)到最高，大約持續(xù)30min。
最后，燃料中剩余碳繼續(xù)燃燒：這時(shí)可燃物基本燃盡，燃料塊形成一個(gè)整體的火球，隨著燃料繼續(xù)燃燒，火焰逐漸變短，火焰顏色逐漸變暗，直至灰球表面看不出火焰，灰球變成一團(tuán)暗紅色灰塊，然后封火保溫并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
2.3.2.3煙塵及結(jié)渣分析
待成型燃料充分燃燒后，應(yīng)用KM9106綜合煙氣分析儀測(cè)得煙塵中的CO、CO2、SO2、NOx體積百分比分別為CO<0.3％。
燃燒灰渣與結(jié)渣情況也是衡量燃料優(yōu)劣的重要參數(shù)。由于秸稈灰分低，秸稈成型燃料燃燒后灰渣所占比例一般不超過其重量的10％。燃料燃燒時(shí)如果結(jié)渣嚴(yán)重則降低燃料燃燒效率，不利于鍋爐正常運(yùn)行。結(jié)渣性能除了受生長(zhǎng)秸稈的土質(zhì)1．05g·cm的成型燃料燃燒時(shí)，由于燃料密度大，燃燒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，造成爐膛中心溫度較高，容易結(jié)渣，但結(jié)渣率與型煤相比仍然是很小的。
