第2章 生物質(zhì)壓縮成型

2.1 生物質(zhì)壓縮成型機(jī)理

生物質(zhì)壓縮成型是指將松散的生物質(zhì)加工成致密成型燃料的過(guò)程。成型的主要目的是打破生物質(zhì)規(guī)模化利用的瓶頸——原料收集、儲(chǔ)存、運(yùn)輸成本高的難題。該難題產(chǎn)生的根源是生物質(zhì)堆積密度低，如圖2.1所示。一方面與其自身密度低有關(guān)；另一方面還與其形狀不規(guī)則導(dǎo)致堆積時(shí)原料間空隙大有關(guān)。將生物質(zhì)通過(guò)壓縮加工成成型燃料，可以顯著提高其堆積密度，從而較好地解決上述瓶頸。

成型燃料是生物質(zhì)原料經(jīng)粉碎、干燥、壓縮成型等工序，加工而成的具有一定形狀的致密固體燃料。根據(jù)形狀和大小不同，可將成型燃料分為顆粒燃料（Pellet）和棒（塊）狀燃料（Briquette），如圖2.2所示。根據(jù)《生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件》（NY/T 1878—2010），直徑或橫截面尺寸不大于25mm的成型燃料被定義為顆粒燃料，大于25mm的成型燃料則被歸為棒（塊）狀燃料。

松散的生物質(zhì)是如何被壓縮成一個(gè)整體的呢?下面通過(guò)闡釋生物質(zhì)顆粒相互間的聯(lián)結(jié)機(jī)制來(lái)闡明成型機(jī)理。

在壓力和（或）溫度作用下，生物質(zhì)顆粒間主要通過(guò)三種機(jī)制結(jié)合在一起：固體架橋（solid bridge），機(jī)械鑲嵌（mechanical interlocking）和吸引力（attraction forces），如圖2.3所示。

固體架橋主要由黏結(jié)劑固化后形成。生物質(zhì)含有多種天然黏結(jié)劑，包括木質(zhì)素、淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪和水溶性碳水化合物等。其中木質(zhì)素的含量遠(yuǎn)高于其他組分，是生物質(zhì)成型最主要的黏結(jié)劑。木質(zhì)素是一種熱塑性高分子物質(zhì)，沒(méi)有固定熔點(diǎn)，但有玻璃化溫度，溫度超過(guò)玻璃化溫度后，木質(zhì)素開(kāi)始具有黏性，流動(dòng)性增加，使生物質(zhì)顆粒的塑性變形性能增強(qiáng)。軟化后的木質(zhì)素將相鄰的顆粒黏結(jié)在一起，待溫度下降后，木質(zhì)素固化，相當(dāng)于在顆粒之間架了一座橋，如圖2.4所示。

木質(zhì)素的玻璃化溫度受到其分子量大小的影響，分子量越大玻璃化溫度越高，同時(shí)，水分對(duì)玻璃化溫度的影響也很大，見(jiàn)表2.1。

機(jī)械鑲嵌是使生物質(zhì)顆粒結(jié)合在一起的另一重要作用機(jī)制。通常情況下，當(dāng)生物質(zhì)原料呈纖維狀、扭曲片狀等形狀時(shí)，易發(fā)生鑲嵌作用，添加纖維狀原料有助于提高成型燃料的強(qiáng)度。此外，高壓條件下，硬性顆粒和軟性顆粒之間也易于發(fā)生機(jī)械鑲嵌，圖2.5所示為玉米秸稈成型燃料截面的掃描電鏡照片（×600），可以看到顆粒間的鑲嵌現(xiàn)象。

生物質(zhì)成型過(guò)程中，發(fā)生在顆粒之間的吸引力有分子間作用力（范德華力）和靜電引力。這兩種作用力只有當(dāng)顆粒間的距離非常近時(shí)才會(huì)產(chǎn)生，比如，范德華力的產(chǎn)生需要顆粒間的距離小于0.1μm。靜電引力可以在具有過(guò)剩電荷或者雙電層的相鄰顆粒間產(chǎn)生。

要使上述機(jī)制發(fā)揮作用，首先要對(duì)原料施加壓力。根據(jù)壓力大小可以將生物質(zhì)成型分為以下三種。

（1）高壓成型。僅僅依靠壓力的作用將生物質(zhì)壓縮為成型燃料。

（2）中壓加熱成型。又稱熱壓成型，該工藝在壓縮成型過(guò)程中，需要將原料加熱。加熱使木質(zhì)素等黏結(jié)劑發(fā)揮作用，同時(shí)也使生物質(zhì)顆粒軟化，增加其塑性變形性能。

（3）低壓加黏結(jié)劑成型。通過(guò)外加黏結(jié)劑，在較低的壓力下將生物質(zhì)壓縮成型。

上述三種成型工藝中，第二種成型工藝兼顧了能耗和成本，最具可行性，是目前應(yīng)用最廣泛的成型工藝。

將生物質(zhì)加工成成型燃料后，不僅改變了其密度，而且還方便了燃料的裝卸和存儲(chǔ)等操作，極大地改善了儲(chǔ)運(yùn)性能，方便采用多種交通工具對(duì)其運(yùn)輸，比如汽車(chē)、輪船等，如圖2.6所示。

成型不僅解決了制約生物質(zhì)規(guī)模化利用的堆積密度過(guò)低的問(wèn)題，而且改善了燃料的燃燒性能。主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）成型降低了生物質(zhì)揮發(fā)分的析出速度，為改變生物質(zhì)燃燒過(guò)程的不穩(wěn)定創(chuàng)造了條件。生物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，揮發(fā)分含量高，著火溫度低，一般在250~350℃下?lián)]發(fā)分便快速析出并開(kāi)始劇烈燃燒，此時(shí)燃燒設(shè)備往往難以及時(shí)為這些揮發(fā)分的完全燃燒提供充足的空氣，從而造成揮發(fā)分不完全燃燒熱損失。成型后燃料結(jié)構(gòu)變得致密，密度的增加既增加了揮發(fā)分析出的阻力，又減緩了燃料內(nèi)部溫度升高的速度，從而使揮發(fā)分的析出變得相對(duì)平穩(wěn)。

（2）成型提高了生物質(zhì)炭骨架抗熱氣流沖擊的能力，為降低炭的不完全燃燒創(chuàng)造了條件。生物質(zhì)燃燒后期，其松散的炭骨架極易被熱氣流吹散并隨煙氣釋放到大氣中，導(dǎo)致大量炭粒不能完全燃燒并釋放其熱量，而成型可顯著提高其抗熱氣流的能力。