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霍麗麗1,2，田宜水1，孟海波1，趙立欣1，姚宗路1
（1.農業部規劃設計研究院，北京100125；2.中國農業大學工學院，北京100083）
摘要：為研究生物質顆粒燃料的微觀成型機理，以玉米秸稈、木屑為原料利用環模式成型機壓縮成生物質顆粒燃料，并對原料、粉碎原料及生物質顆粒燃料進行顯微形貌觀察，對比不同原料、不同階段物料的微觀形態和散粒體壓縮過程的結合形式。結果表明：環模式成型機為間斷性壓縮，生物質顆粒燃料微觀成型機理為分層壓縮，層與層間距為25～40μm；從橫截面看分3層：中心層散粒體“平鋪”，過渡層扭曲變形，表層“直立”。相同擠壓力下秸稈顆粒燃料比木屑顆粒燃料的密度小。為生物質顆粒燃料的成型機具提供重要的設計理論依據。
0引言
生物質顆粒燃料作為一種新型可再生能源，它采用模輥式成型機具壓縮成形，與松散秸稈和煤相比，具有便于儲存和運輸、燃燒過程黑煙少、火力旺、燃燒充分、不飛灰、干凈衛生、且NOx、SOx排放量低、可實現自動化上料等優點。用生物質顆粒燃料替代煤作燃料，對實現能源的可持續發展和對降低溫室氣體及污染物的排放具有重要作用[1-2]。
生物質顆粒燃料的生產技術已基本成熟，但相應的成型設備存在關鍵部件磨損快，壽命短等問題[3-4]，原因是生物質顆粒燃料的微觀成型機理研究較少。現有研究中，郭康權指出，在垂直于最大主應力的方向上，粒子以相互嚙合的形式結合，在沿著最大主應力的方向上，粒子以相互貼合的形式結合[5]。胡建軍和徐廣印對玉米秸稈、棉花秸稈、小麥秸稈、稻草及木屑五種原料，采用同一壓力，不同壓縮速度進行壓縮，分析微觀形貌變化，提出了秸稈冷態壓縮成型的微觀結合模式；在橫截面方向上，秸稈組織受到嚴重破壞，以相互貼合的形式結合；在縱截面方向上，秸稈組織破壞較小，以相互嵌合的形式結合[6-7]。齊菁對稻殼顆粒燃料進行掃描電鏡觀察，提出稻殼顆粒成型機理包括化學結合和物理結合兩部分，主要以物理結合的“片搭”形式結合[8]。孟海波研究了秸稈原料的微觀組織形貌[9]。劉圣勇僅對成型后的玉米秸稈顆粒燃料的微觀組織進行觀察，說明了秸稈組織結構變的混亂無秩序，層與層之間的空隙較小，連接物無明顯界線，結合緊密，斷面的形成有相互牽拉的跡象[10]。
Nalladurai Kaliyan對壓縮前后的玉米秸稈和顆粒進行對比，從物質的結合角度出發，得出原料散粒體之間以“堅實的橋梁”形式結合的，壓縮溫度升高，可以激活水分的作用，使之與木質素，蛋白質，淀粉和脂肪一并成為天然的粘結劑，有助于顆粒的成型[11]。國內外針對生物質顆粒燃料的微觀成型機理研究內容并不深入，只說明了壓縮后其內部結構變緊密的現象，對散粒體間的結合形式論述具有局限性，目前從微觀角度對成型機理的研究仍處于初步研究階段。
本試驗以玉米秸稈、木屑等為原料，用環模式成型機進行壓縮成型，利用掃描電鏡和電子顯微鏡，對生物質顆粒燃料壓縮前后的微觀形貌進行觀察研究，討論散粒體的結合形式，從微觀散粒體結合角度分析生物質顆粒燃料的成型機理，為生物質顆粒燃料的成型機具的開發提供理論基礎。
1材料與方法
1.1儀器設備
試驗儀器電子顯微鏡（OlympusBX41）、顯微攝像系統（Canon550D）、掃描電子顯微鏡（S-3400N）、生物質顆粒燃料成型機（485型）、粉碎機（篩孔徑8mm）、電子天平（PL2002/01型、精度0.01g）、標準篩一套（孔徑分別為6mm，3.2mm，1mm）、電熱鼓風干燥箱（101-1A型）、干燥器、砂紙（粒度600～5000）、切片刀、載玻片、蓋玻片、刷子、鑷子、洗耳球等。
1.2試驗材料
本試驗選擇北方地區極為豐富的玉米秸稈和木屑作為試驗原料。
將玉米秸稈分為3份，第1份對玉米秸稈的表皮和玉米秸稈心部取樣，分別進行切片，待觀察；第2份用粉碎機粉碎（粉碎后粒度分布見圖1），然后對粉碎秸稈進行取樣、干燥，制樣，鍍膜；第3份將粉碎原料壓縮制成直徑為6mm，長約18～50mm的圓柱顆粒，將成型的顆粒燃料標記，選取幾料用切片刀分別切開，成一橫截面和一縱截面，并依次用粒度由粗到細的砂紙磨光，待觀察。
將木屑分為兩份，第1份選取木屑細小顆粒（粒度分布見圖1），方法與玉米秸稈第2份相同；第二份進行壓縮成型，并切出截面方法與玉米秸稈第3份相同。
1.3試驗設計
本試驗選擇玉米秸稈和木屑為主要研究對象，分別對上述的自然晾曬的玉米秸稈、粉碎后的玉米秸稈、自然晾曬的木屑和壓縮成型的秸稈、木屑顆粒燃料等進行顯微觀察，對比分析粉碎、壓縮前后秸稈、木屑的微觀形貌變化，分析散粒體的結合形式，闡述生物質顆粒燃料成型的微觀機理。
壓縮后的顆粒燃料物理特性見表1。
2結果與討論
2.1外形特征
2.1.1自然晾曬的秸稈
自然晾曬干燥后的秸稈顏色呈黃色，心部組織與表皮組織相分離，空隙較大，表皮光滑，心部呈較為規則的條形纖維狀，纖維與纖維之間由少量的基本組織連接。
2.1.2粉碎后秸稈和木屑
粉碎后的秸稈呈片條狀或少量顆粒狀。自然晾曬的木屑呈棕黃色，塊狀和粉末狀，比粉碎秸稈的尺寸小，粒度較均勻。
2.1.3成型后的顆粒燃料
木屑顆粒燃料外表面光滑，偶見表面有裂紋。在環橫孔原料進口端端面呈“中心低，四周高”，橫孔出口端端面呈“中心高，四周低”，凸起和凹陷端面較規則。顏色呈棕黃色，與木屑原本顏色一致，但略顯深。
秸稈顆粒燃料外表面略顯粗糙，兩端形貌與木屑顆粒相似，凸起和凹陷端面粗糙無規則。顏色較木屑顆粒暗，呈灰黃色，比秸稈顏色深，且較木屑顆粒燃料容易掰斷。
2.2微觀形貌
2.2.1自然晾曬的玉米秸稈
自然晾曬后的玉米秸稈切片制樣進行觀察，秸稈心部的內層組織疏松，髓腔大小均勻，髓腔和維管束清晰可見，但都略有擠壓變形。新鮮秸稈維管束由外圍的初生韌皮部和內部的初生木質部組成，維管束間距為1.1mm左右。經晾曬后秸稈的維管束周圍的韌皮部已消失，只剩木質部的導管，直徑約0.1mm，周圍形成較大的氣腔，薄壁組織細胞愈接近莖中部越大，即髓腔越大，見圖2a。表皮結構基本保持秸稈原貌，從橫截面上觀察，表皮組織呈蜂窩狀，靠近表皮部位的組織細胞越來越小，維管束散生在基本組織中，在秸稈表皮分布較多，較小，遠離表皮部位分布較少，較大，圖2b。縱切面上觀察組織細胞呈磚形，長約125μm，寬約20～30μm，圖2c，表皮外部具有角質層，厚度約5μm，光滑堅硬。
2.2.2粉碎玉米秸稈
粉碎秸稈表皮有斷裂痕跡，有少量孔洞和被嵌入的小顆粒，圖3a。對粉碎秸稈表皮表面進行觀察，基本組織有被撕裂痕跡，細胞不完整，斷面可見清晰的破壞結構，并沾有其他細小散粒體，圖3b。秸稈心部的基本組織有斷裂層，細胞呈蓬松的碎片狀，見圖3c。秸稈粉碎，只對斷面組織有所破壞，粉碎秸稈散粒體內部仍保持原有基本組織形態。
2.2.3玉米秸稈顆粒燃料
秸稈壓縮成顆粒燃料其基本組織扭曲變形嚴重，原有的基本組織形貌已不存在，粉碎秸稈散粒體已完全嵌合在一起。散粒體結合形式從橫截面看，圖4a，可分為三層，分別為中心層、過渡層、表層。中心層散粒體形貌清晰可見，見圖4b，散粒體呈“平鋪”姿勢，表層的散粒體呈“站立”姿勢，過渡層散粒體嚴重變形扭曲，散粒體壓縮示意圖5。粉碎后的秸稈大多為片狀或長條狀，極少為粒狀，壓縮過程由于模具孔側面的限制，隨著擠壓流動靠近模具面的秸稈散粒體沿著側壁向下運動，而中心散粒體由于上壓力的作用被擠倒而平鋪。成型過程中，原料散粒體僅形態等發生擠壓變形，屬于物理變化，沒有明顯的化學變化。
縱截面秸稈粉碎散粒體相互擠壓，呈不規則的鱗片狀，圖6a。由圖可見兩條清晰的裂痕，且間隙較大，兩裂痕間距離約40μm，斷層可見秸稈散粒體的結構扭曲變形較嚴重，散粒體間完全交錯糅合在一起，圖6b。裂痕產生是由于壓縮過程為間斷性的，粉碎的秸稈散粒體是一層一層被擠壓成型。這符合環模成型機理，成型機通過模輥間的物料及其摩擦力使安裝在環模內的壓輥自轉，將物料鉗入、擠壓，最后成圓柱狀從環?？字斜贿B續擠出來，試驗用成型機為雙壓輥，即環模旋轉一周，每個環?？妆粩D壓兩次，為間斷性壓縮。
2.3木屑和木屑顆粒燃料微觀形貌
2.3.1木屑
木屑的微觀形貌與木材原貌一致，只是木屑邊緣部分有切斷的痕跡，木屑的表面形態略有變形，圖7a。表面的細胞已斷裂呈蓬松碎片狀，破裂部仍可見木質原有的篩孔，圖7b。
2.3.2木屑顆粒燃料
由于模具的擠壓，木屑已完全嵌在一起，分辨不出散粒體之間的間隙及木屑表面的原有形貌，只觀察到木屑網絡骨架變細，且有一定的彎曲變形，結合處木屑與木屑之間已完全揉合在一起，部分木屑散粒體完全變形，扭曲。與玉米顆粒燃料類似，從橫截面看，木質顆粒燃料形貌仍可分為中心層、過渡層和表層三部分，圖8a。
中心層散粒體“平鋪”，清晰可見其為片狀，圖8b。表層散粒體“直立”，呈條塊狀分布。過渡層散粒體已完全變形，無法看出其原有形態。以上特征比秸稈顆粒燃料明顯，圖8c。
縱截面可見層與層相互疊加，片與片層疊在一起。由于擠壓力和模具孔的限制，成型過程位于中心的散粒體先被擠出模具孔，因此，顆粒燃料的中心略凸起，散粒體分別向兩側彎曲，圖9a，顆粒燃料仍有裂縫存在，兩裂縫間距離約25μm，圖9b。
2.4玉米秸稈和木屑顆粒燃料對比
肉眼觀察秸稈顆粒燃料表面裂紋比木屑顆粒燃料多，且表面較粗糙，易掰斷。木屑顆粒較結實，不易掰斷。顆粒燃料的兩端，一端面呈“中心低，四周高”，另一端面呈“中心高，四周低”，木屑顆粒燃料端面的凸起和凹陷較秸稈顆粒燃料光滑。
顆粒燃料的橫截面觀察，可分三層，中心層的散粒體“平鋪”，表層的散粒體“直立”，過渡層散粒體變形嚴重。顆粒燃料縱截面觀察，顆粒燃料內部有裂縫存在，裂紋是導致生物質顆粒燃料易掰斷的直接原因。不同原料裂紋的寬度不同，玉米秸稈原料的生物質顆粒燃料裂紋間距比木屑原料的生物質顆粒燃料大，且裂縫間隙寬，因此，秸稈顆粒較木屑顆粒更易掰斷。秸稈顆粒燃料呈不規則鱗片狀，木屑顆粒燃料呈層狀，且中心凸起，散粒體分別向兩邊彎曲，原因是木屑散粒體較粉碎秸稈散粒體的粒度分布均勻，80%以上為粒度小于1mm的散粒體，且粒度較小，壓縮成型后的散粒體排列較整齊。
以原料粉碎粒度的現狀來看，壓力相同時，秸稈顆粒燃料的顆粒绖密性稍差，若提高秸稈顆粒燃料绖密性，則秸稈所需壓力要大于木屑原料。
采用秸稈生產生物質顆粒燃料的生產工藝中，應在秸稈粗粉后，再進行一次細粉，使秸稈粉料粒度變小，并使粒度分布更加均勻，可以提高生物質顆粒燃料的成型質量。但成本相應增加。
3結論
1）粉碎秸稈和木屑的微觀形貌未發生本質變化，只表面細胞結構被損壞。顆粒燃料的微觀形貌已完全變化，基本失去了原有的細胞結構微觀形貌，散粒體揉合在一起形成新的微觀形貌。
2）生物質顆粒燃料橫截面的微觀形貌觀察，可將其形貌分成中心層、過渡層和表層三部分，中心層散粒體“平鋪”，表層散粒體“直立”，過渡層散粒體擠壓變形嚴重。
3）生物質顆粒燃料為分層壓縮，顆粒燃料內部有裂紋存在，這與環模式成型機具的間斷性壓縮過程吻合。該壓縮機理導致顆粒內部有斷層，這是玉米秸稈顆粒燃料容易掰斷的主要原因，若要提高秸稈顆粒燃料質量，應在壓縮前對原料再進行細粉，減小原料的粒度，使粒度分布更加均勻，來提高散粒體結合能力。
4）秸稈顆粒燃料比木屑顆粒燃料的層間距大，導致木屑顆粒燃料的顆粒密度大于秸稈顆粒燃料。現有原料條件下，秸稈顆粒燃料比木屑顆粒燃料更難成型，若要提高秸稈顆粒燃料顆粒密度，秸稈原料壓縮所需壓力應大于木屑原料，可通過增加環模壓縮比或適當增加環模轉速等方式，來增加顆粒燃料密度。
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