0、引言
經過國內外研究機構幾十年的探索，生物質致密成型技術(BBT)已經比較成熟，但生物質致密成型燃燒設備的研制技術還不夠成熟。歐盟許多成員國具有豐富的可再生能源資源，生物質致密成型技術發展迅速，以丹麥、比利時、法國的生物質致密成型技術發展最為成熟。這些國家生物質成型燃料燃燒設備具有加工工藝合理、專業化程度高、操作自動化程度好等優點，但同時也存在燃料易結渣、燃料品種單一、電耗高等缺點，急須探索生物質成型燃料的燃燒機理。丹麥流化床技術有限公司已對生物質流化床燃燒的機理核心技術進行了研究，定性描述了生物質顆粒成型燃料的燃燒特性，但對生物質致密成型燃料的燃燒機理尚未開展研究；丹麥技術大學也對生物質顆粒成型燃料的燃燒特性進行了研究。國內很早就有關于煤的燃燒機理的研究，但對于生物質致密成型燃料的燃燒機理的研究卻不多。哈爾濱理工大學的劉偉軍教授對生物質型煤的燃燒過程進行了觀察與分析，定性地描述了生物質型煤的燃燒過程，但未定量地描述生物質型煤的燃燒過程及其內部微觀結構。目前，我國還沒有定型的專門用于燃燒生物質成型燃料的燃燒設備。大多數燃燒設備是在原燃煤鍋爐的基礎改造而成，主要原因在于缺少對生物質成型燃料燃燒機理的研究，缺乏設計依據。由此可見，通過對生物質成型燃料微觀結構分析，以及根據實際燃燒試驗得出關于生物質成型燃料的燃燒機理，進而確定燃燒設備參數的研究已經迫在眉睫。本課題以華北地區廣泛種植的大豆秸稈為研究對象，對豆秸致密成型燃料的微觀結構進行觀察和分析，以期找出其微觀結構的特點，為生物質致密成型燃料的燃燒機理研究、生物質致密成型設備和燃燒設備的研制提供理論支持。
1、試驗設計
1.1試驗原料與分析
本文以豆秸為研究對象，試驗材料選自河南農業大學毛莊科技試驗園區，并根據需要對試驗豆秸致密成型燃料進行分樣篩選。
由表1可以看出，豆秸致密成型燃料主要由纖維素、半纖維素、木質素等成分構成，其中纖維素能夠從自然界直接獲得，而半纖維素則不能從自然界直接獲得，且成分極其復雜。半纖維素是由幾種不同類型的單糖構成的異質多聚體，其中木聚糖是構成半纖維素的主要成分，通常被選為模化物用來研究半纖維素，其結構如圖l。木聚糖在木質組織中占總量的50%。半纖維素熱解溫度一般發生在473～573 K，在高溫區域，木聚糖熱產物大部分是揮發分和焦炭，在不同的炭化條件下，焦炭產量為10%～20%。纖維素是由B -D-葡萄糖通過B3-1.4-苷鍵連接而成的線型結晶高聚物，聚合度很大。纖維素不溶于水和乙醇、乙醚等有機溶劑，能溶于銅銨[Cu(NH3)4(OH)2]和銅乙二胺[(NH2CH2CH2NH2)Cu(OH)2]溶液等，是世界上最豐富的有機物，占植物界碳含量的50%以上。纖維素加熱到150℃時，不發生顯著變化，超過此溫度會由于脫水而逐漸焦化。木質素是由聚合的芳香醇構成的一類物質，存在于木質組織中，主要作用是通過形成交織網來硬化細胞壁。木質素主要位于纖維素纖維之間，起抗壓作用。在木本植物中，木質素占25%，是世界上最豐富的有機物之一。由于木質素本身在結構上具有龐大性和復雜性，在化學性質上具有極不穩定性等，迄今為止，還沒有一種方法能得到完整的天然木質素結構，只能得到一些木質素的結構模，這些結構模型是木質素大分子的一部分，只是按照測定結果平均出來的假定結構。圖2為生物質的典型化學結構示意圖。
1.2試驗儀器
本試驗采用日本進口，200 kV場發射透射電子顯微鏡（型號：JEM-2100F）。技術參數：點分辨率為0,19 nm，線分辨率為0.14 nm，加速電壓為80，100，120，160，200 kV，傾斜角為25℃，STEM分辨率為0.20 nm。利用200 kV場發射透射電子顯微鏡JEM-2100F。不僅可實現超高分辨率圖像的觀察，同時還可以得到納米尺度的結構、成分等信息。
1.3試驗方法
利用200 kV場發射透射電子顯微鏡，對豆秸成型燃料的微觀結構進行觀察與分析。掃描電鏡是用聚焦電子束在試樣表面逐點掃描成像。所觀察的位置為豆秸成型燃料的自然斷面，斷面不作特殊處理，僅用洗耳球吹去表面的粉末即可，保持斷面結構狀態。由于豆秸成型燃料并非導電材料，因此在進行掃描之前，要先在成型燃料的截面上進行鍍膜處理（采用離子濺射鍍膜法），在截面表面鍍上一層導電膜，以避免電荷累積，影響圖像質量，并防止對試樣的熱灼傷，然后把干燥過的鍍膜試樣放在掃描電鏡中試樣座上觀察。掃描電壓為15 kV，放大倍數分別為200，500，1000和2000倍。
2、試驗結果與分析
2.1試驗結果
圖3～6為在200 kV場發射透射電子顯微鏡下，豆秸成型燃料的觀測結果，放大倍數分別為200，500，1 000和2000倍的電鏡圖像。
2.2試驗結果分析
(1)由圖5和6看出，豆秸致密成型燃料的主要纖維素結構物為圓柱狀。柱狀物結合緊密，排列有序，交叉很少，材質較硬，且中間填充粘結物清晰可見。斷面形成自然，無相互牽拉的跡象，圓柱狀纖維組織與中間填充物過渡界線分明，兩者之間的組成物質構成明顯不同。
在燃燒時填充物會首先燃燒，使柱狀纖維結構失去連接物，故在柱狀纖維體結構物的彈力作用下，豆秸致密成型燃料在燃燒過程中，體積不斷膨脹，成型塊逐漸變散：而玉米秸稈致密成型燃料在燃燒的過程中，由于纖維結構物為層狀，這與柱狀纖維結構相比彈力很小，故體積膨脹很少，成型塊不會變散。
(2)散狀豆秸在被加工成致密成型燃料的過程中，木質素在溫度為70～110℃時軟化，具有粘性，當溫度達到200～300℃時，成熔融狀，粘性高，此時在一定的壓力下，增強分子間的內聚力，可將它與纖維素緊密粘接，并與相鄰顆粒相互黏結，變得致密均勻，體積大幅度減小，密度顯著增加。冷卻后，成型燃料強度顯著增加。在整個過程中，以物理變化為主，主要減少的是原豆秸材料的孔隙率。經測試計算，本試驗中用到的河南農業大學HPB-IV型液壓式成型機（輔助加熱成型）生產的直徑為103 mm，密度為1027 kg/m3的豆秸致密成型燃料，相對孔隙率為14%；冷壓成型的豆秸直徑為9.1 mm，密度為986 kg/m3，顆粒成型燃料相對孔隙率為17.4%。壓縮成型后的豆秸致密成型燃料成分中絕大部分纖維素、半纖維素、木質素結構并未發生變化，只有成型燃料表面的小部分纖維素和半纖維素由于加熱溫度超過了150℃（一般加熱溫度為220℃）而炭化。
3、結語
農作物秸稈中的揮發分一般為76%～86%。在200℃時，揮發分開始析出，此時若助燃空氣供給不足，則未燃盡的揮發分會隨氣流排出，形成黑煙。由于松散豆秸內部組織間隙太大，在燃燒時難以抑制揮發分的迅速逸出，故燃燒效率低下。豆秸成型燃料的內部組織結構致密均勻，排列有序，限制了揮發分的逸出速度，從而延長了燃燒時間；同時增加二次供風，使成型燃料的燃燒效率大大提高。
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秸稈壓塊機、飼料顆粒機等生物質燃料飼料成型機械設備。
