第2章 生物質壓縮成型

2.1 生物質壓縮成型機理

生物質壓縮成型是指將松散的生物質加工成致密成型燃料的過程。成型的主要目的是打破生物質規模化利用的瓶頸——原料收集、儲存、運輸成本高的難題。該難題產生的根源是生物質堆積密度低，如圖2.1所示。一方面與其自身密度低有關；另一方面還與其形狀不規則導致堆積時原料間空隙大有關。將生物質通過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。

成型燃料是生物質原料經粉碎、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《生物質固體成型燃料技術條件》（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。

松散的生物質是如何被壓縮成一個整體的呢?下面通過闡釋生物質顆粒相互間的聯結機制來闡明成型機理。

在壓力和（或）溫度作用下，生物質顆粒間主要通過三種機制結合在一起：固體架橋（solid bridge），機械鑲嵌（mechanical interlocking）和吸引力（attraction forces），如圖2.3所示。

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

木質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，水分對玻璃化溫度的影響也很大，見表2.1。

機械鑲嵌是使生物質顆粒結合在一起的另一重要作用機制。通常情況下，當生物質原料呈纖維狀、扭曲片狀等形狀時，易發生鑲嵌作用，添加纖維狀原料有助于提高成型燃料的強度。此外，高壓條件下，硬性顆粒和軟性顆粒之間也易于發生機械鑲嵌，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象。

生物質成型過程中，發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顆粒間的距離非常近時才會產生，比如，范德華力的產生需要顆粒間的距離小于0.1μm。靜電引力可以在具有過剩電荷或者雙電層的相鄰顆粒間產生。

要使上述機制發揮作用，首先要對原料施加壓力。根據壓力大小可以將生物質成型分為以下三種。

（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程中，需要將原料加熱。加熱使木質素等黏結劑發揮作用，同時也使生物質顆粒軟化，增加其塑性變形性能。

（3）低壓加黏結劑成型。通過外加黏結劑，在較低的壓力下將生物質壓縮成型。

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，是目前應用最廣泛的成型工藝。

將生物質加工成成型燃料后，不僅改變了其密度，而且還方便了燃料的裝卸和存儲等操作，極大地改善了儲運性能，方便采用多種交通工具對其運輸，比如汽車、輪船等，如圖2.6所示。

成型不僅解決了制約生物質規模化利用的堆積密度過低的問題，而且改善了燃料的燃燒性能。主要體現在以下兩方面：

（1）成型降低了生物質揮發分的析出速度，為改變生物質燃燒過程的不穩定創造了條件。生物質結構疏松，揮發分含量高，著火溫度低，一般在250~350℃下揮發分便快速析出并開始劇烈燃燒，此時燃燒設備往往難以及時為這些揮發分的完全燃燒提供充足的空氣，從而造成揮發分不完全燃燒熱損失。成型后燃料結構變得致密，密度的增加既增加了揮發分析出的阻力，又減緩了燃料內部溫度升高的速度，從而使揮發分的析出變得相對平穩。

（2）成型提高了生物質炭骨架抗熱氣流沖擊的能力，為降低炭的不完全燃燒創造了條件。生物質燃燒后期，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。