關鍵詞：生物質；同體燃料；含水率；成型；影響
生物質能源是僅次于石油、煤炭和天然氣的世界第4大能源，具有可再生和環(huán)境友好的雙重屬性，其發(fā)展對社會經濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。農業(yè)和林業(yè)是發(fā)展生物質能源的基礎產業(yè)，為生物質能源發(fā)展提供物質保障，而生物質能源的開發(fā)、利用，則為農林業(yè)提供新的發(fā)展空間和發(fā)展模式，是兼顧能源建設和生態(tài)建設的最佳結合點。目前，關于生物質能的利用途徑主要有直接燃燒、壓縮成型、炭化技術、氣化技術、熱裂解液化技術等。生物質致密成型技術是近年來興起的一種新型生物質能利用方法，正逐漸引起人們的重視。生物質致密成型技術是將各種生物質資源，包括木材的鋸末、刨花、木粉和農作物的秸稈、稻殼等農林廢棄物，通過機械加壓、加熱，將原來松散的原料壓縮成具有一定形狀和強度、密度較大的成型燃料的技術。由于生物質原料的高含水率、不規(guī)則的形狀和尺寸、低容積密度，使其很難加工、運輸、儲藏和利用。將這些生物質原料加工成粒狀、塊狀或立方體后，其密度得到大幅度提高，減少了運輸、儲藏的成本。因為有了統(tǒng)一的形狀和尺寸，這些同體燃料的貯藏就可以很容易使用標準設施來進行處理。
各種生物質原料在成型加工時，因各自物理特性不同、加工工藝參數(shù)不同、加工設備匹配動力不同，各種設備應有針對性地設計為宜，否則成型困難，并導致設備工作狀態(tài)不穩(wěn)定，燃料成型效果不佳。因此，研究其成型效果的影響因素，分析成型過程中物理特性的變化，為各種生物質原料的成型前處理條件的確定提供參考是很必要的。
影響生物質壓縮成型的因素非常復雜，早期主要研究的是壓力與密度的關系，而忽視了其他因素的影響。這些因素主要包括原料含水率、顆粒度以及成型設備的各參數(shù)等。國內外學者對各因素的最優(yōu)選擇無法實現(xiàn)統(tǒng)一，主要是因為壓縮條件、壓縮方式、壓縮對象等還有較大的差異。其中，原料的含水率在生物質壓縮成型過程中是一個重要影響因素，合適的含水率可以使壓縮成型的效果達到最佳，其過大或者過小都會對成型造成不利的影響。
1、含水率對生物質壓縮成型過程的影響
水分在成型中起到了黏結劑和潤滑劑的作用。生物質體內的水分作為一種必不可少的自由基，流動于生物質顆粒間，在壓力作用下，與果膠質或糖類混合形成膠體，起黏結劑的作用。同時，適量存在的結合水和自由水，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，具有潤滑劑的作用。
1.1過低含水率的影響
當生物質原料的含水率過低時，粒子得不到充分延展，與四周粒子結合不夠緊密，不能成型。例如秸稈原料，若含水率過低，微量水分在高溫下汽化，這將有利于熱流的快速傳導與均勻分布，從而使木質素軟化點降低，導致成型困難。姜洋等，在研究玉米秸稈和蘆葦?shù)念w粒燃料成型加工時發(fā)現(xiàn)，原料含水率保持在12%~18%之間較為適宜，最佳含水率為15%。成型顆粒燃料的密度與原料含水率成正比，在適宜的含水率范圍內，顆粒燃料的密度達到最大，并保持相對穩(wěn)定；當含水率增加到一定程度后，顆料燃料的密度開始下降，最終導致無法成型。
過低含水率的原料生產的生物質成型燃料容易吸濕空氣中的水分，導致生物質成型燃料脹裂變形、松弛，密度變小。
1.2過高含水率的影響
若原料的含水率較高，粒子盡管在垂直于最大主應力方向上能夠充分延展，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。而且，過多的水蒸氣使分子間距離增大，影響熱量傳導，降低成型溫度，使原料中的木質素難以熔融，粗纖維不易軟化，導致黏結力下降，因此，在原料含水率較高時，成型過程中所需的加熱溫度要提高。在生物質壓縮過程中，由于在成型錐套和保型筒內的成型燃料承受著錐套和保型筒對其施加的徑向力，這將產生摩擦力并消耗一定的能量。過高的含水率，會增加成型塊所受的徑向力，這也增加了電耗。同時，成型機預熱原料的一部分熱量消耗在多余的水分上，被蒸發(fā)的水分很快汽化，蒸汽不能及時從成型筒排出，導致體積膨脹，占據(jù)空間增大，容易形成氣堵，且在成型筒內縱向形成很大蒸汽壓力，輕者造成生物質成型燃料出模開裂，表面粗糙；嚴重時，使物料快速噴出成型筒，產生放炮現(xiàn)象，不能成型，還會給周圍環(huán)境造成損害，甚至影響人身安全，在成型燃料擠壓出成型套筒后，由于生物質成型燃料內部高壓水蒸氣而脹裂散開，會影響后續(xù)的包裝和運輸以及成型燃料的成型特性。
2、含水率對固體燃料物理特性的影響
在生物質成型燃料的各種品質特性中，除燃燒特性外，成型塊的物理特性最重要，它直接決定了成型塊的使用要求、運輸要求和貯藏條件。而松弛密度和耐久性是衡量成型塊物理特性的2個重要指標。生物質成型塊在出模后，由于彈性變形和應力松弛，其壓縮密度逐漸減小，一定時間后密度趨于穩(wěn)定，此時成型塊的密度稱為松弛密度。耐久性反映了成型塊的黏結性能，它是由成型塊的壓縮條件及松弛密度決定的。耐久性作為表示成型塊品質的一個重要特性，主要體現(xiàn)在成型塊的不同使用性能和貯藏性能方面，而僅僅通過單一的松弛密度值無法全面、直接地反映出成型塊在使用要求方面的差異性，因此，耐久性又具體細化為抗變形性、抗跌碎性、抗?jié)L碎性、抗?jié)B水性和抗吸濕性等指標。
2.1含水率對固體燃料耐磨性的影響
Reece發(fā)現(xiàn)，苜蓿草含水率在10% ~ 23%之間可加工成耐磨性為80%～90%的薄片；含水率為25%時，壓縮成型很難完成。Smith等發(fā)現(xiàn)，麥秸的含水率從10%上升到15%后，其壓塊耐磨性可由73%增加到81%。Tume指出，當原料含水率為16%～18%時，顆粒機的模具容易堵塞。在造粒時，高纖維原料在調節(jié)室內不能吸收水分，所以水分保留在顆粒表面，造成顆粒間過度潤滑，導致顆粒中心擠壓快于表面，因此，形成了“圣誕樹”形的顆粒，這將減少其耐磨性。Dogherty等發(fā)現(xiàn)，原始含水率為10%～20%的麥秸壓縮成直徑為50mm的薄片，其耐磨性約為97%；若將原始含水率由20%增加到35%，耐磨性將由97%下降到85%。有研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈的含水率由10%提高到15%，其壓塊的耐磨性可由62%提高到84%。
2.2含水率對固體燃料其他物理特性的影響
Al-Widyan等發(fā)現(xiàn)，若將橄欖的原始含水率由20%增加到35%，則其壓塊的抗沖擊性將由20%增加到100%。Koser等發(fā)現(xiàn)，當水葫蘆的含水率為8%～12%時，可達到最佳的壓塊質量，太干(<8%)或太濕(>20%)都不能成型，因為壓塊有非常高的再膨脹性。謝啟強通過對芒草、木屑、稻草和稻殼的熱壓成型研究發(fā)現(xiàn)，原料的含水率對成型燃料的抗跌碎性影響較小，而對成型燃料的抗?jié)B水性影響顯著。一般含水率控制為5.5%～12%，可以保證成型燃料合格的松弛密度和耐久性。攀峰鳴指出，原料的含水率較高時，由于傳熱系數(shù)增大，分子間力減小，空隙增多，黏結不牢，從而使松弛密度降低。
Li等指出，高品質的木材可在6%～12%的原始水分下被加工為燃料，然而，最佳含水率大約為8%。Obernberger等指出，原料含水率只要在8.0% ~12%之間，就能生產出高品質的顆粒，含水率過高或過低都會降低顆粒的品質。表1中列出了一些常見生物質原料加工時合理的含水率范圍，為不同原料的致密成型加工前處理條件的確定提供參考。表1所列各原料的最佳含水率范圍若與其他文獻中有差異，是由于該種燃料加工的成型方式、衡量標準（大多為耐磨強度或松弛密度）等因素不同造成的。
表1 常見生物質原料加工時合理的含水率范圍
| 原料 | 固體燃料形態(tài) | 最佳含水率 | 含水率最高值 |
| 苜蓿 | 薄餅 | 10%～23% | 25% |
| 顆粒 | 8%～9% | - | |
| 小麥秸稈 | 壓塊 | 10%～20% | 20% |
| 水葫蘆 | 壓塊 | 8%～12% | - |
| 玉米秸稈 | 壓塊 | 10%～15% | - |
| 橄欖 | 壓塊 | - | 35% |
| 柳枝梗 | 顆粒 | - | 8.6% |
| 花生殼 | 顆粒 | - | 9.1% |
| 芒草 | 棒狀 | 6%～12% | - |
| 木屑 | 棒狀 | 5.5%～12% | - |
| 稻殼 | 棒狀 | 7.5%～14% | - |
| 稻草 | 棒狀 | 5.5%～14% | - |
生物質致密成型的效果是多因素綜合影響的結果，但含水率卻是成型中的一個重要影響因素。原料含水率的高低關系到生物質能否被壓縮為成型燃料，對成型燃料的松弛密度影響顯著，含水率太高或太低都不能得到松弛密度較為理想的成型燃料。研究表明，谷物類原料在加工時，最適宜的含水率應在11%～12%之間，而林木類原料的最佳含水率為8%左右。各種原料的含水量范圍存在較大差別，這是因為原料特性及加工處理方式有較大差異。目前，國內外學者研究較多的是農業(yè)廢棄物的成型影響因素，而對林業(yè)廢棄物固體燃料成型的研究極少，以后應加強這方面的研究力度。
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