經(jīng)過國內(nèi)外研究機構(gòu)幾十年的探索，生物質(zhì)致密成型技術(shù)(BBT)已經(jīng)比較成熟，但生物質(zhì)致密成型燃燒設(shè)備的研制技術(shù)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(zhì)致密成型技術(shù)發(fā)展迅速，以丹麥、比利時、法國的生物質(zhì)致密成型技術(shù)發(fā)展最為成熟。這些國家生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備具有加工工藝合理、專業(yè)化程度高、操作自動化程度好等優(yōu)點，但同時也存在燃料易結(jié)渣、燃料品種單一、電耗高等缺點，急須探索生物質(zhì)成型燃料的燃燒機理。丹麥流化床技術(shù)有限公司已對生物質(zhì)流化床燃燒的機理核心技術(shù)進行了研究，定性描述了生物質(zhì)顆粒成型燃料的燃燒特性，但對生物質(zhì)致密成型燃料的燃燒機理尚未開展研究；丹麥技術(shù)大學(xué)也對生物質(zhì)顆粒成型燃料的燃燒特性進行了研究。國內(nèi)很早就有關(guān)于煤的燃燒機理的研究，但對于生物質(zhì)致密成型燃料的燃燒機理的研究卻不多。哈爾濱理工大學(xué)的劉偉軍教授對生物質(zhì)型煤的燃燒過程進行了觀察與分析，定性地描述了生物質(zhì)型煤的燃燒過程，但未定量地描述生物質(zhì)型煤的燃燒過程及其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。目前，我國還沒有定型的專門用于燃燒生物質(zhì)成型燃料的燃燒設(shè)備。大多數(shù)燃燒設(shè)備是在原燃煤鍋爐的基礎(chǔ)改造而成，主要原因在于缺少對生物質(zhì)成型燃料燃燒機理的研究，缺乏設(shè)計依據(jù)。由此可見，通過對生物質(zhì)成型燃料微觀結(jié)構(gòu)分析，以及根據(jù)實際燃燒試驗得出關(guān)于生物質(zhì)成型燃料的燃燒機理，進而確定燃燒設(shè)備參數(shù)的研究已經(jīng)迫在眉睫。本課題以華北地區(qū)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(jié)構(gòu)進行觀察和分析，以期找出其微觀結(jié)構(gòu)的特點，為生物質(zhì)致密成型燃料的燃燒機理研究、生物質(zhì)致密成型設(shè)備和燃燒設(shè)備的研制提供理論支持。
1、試驗設(shè)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(nóng)業(yè)大學(xué)毛莊科技試驗園區(qū)，并根據(jù)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(zhì)素等成分構(gòu)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(fù)雜。半纖維素是由幾種不同類型的單糖構(gòu)成的異質(zhì)多聚體，其中木聚糖是構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖l。木聚糖在木質(zhì)組織中占總量的50%。半纖維素熱解溫度一般發(fā)生在473～573 K，在高溫區(qū)域，木聚糖熱產(chǎn)物大部分是揮發(fā)分和焦炭，在不同的炭化條件下，焦炭產(chǎn)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(jié)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(fā)生顯著變化，超過此溫度會由于脫水而逐漸焦化。木質(zhì)素是由聚合的芳香醇構(gòu)成的一類物質(zhì)，存在于木質(zhì)組織中，主要作用是通過形成交織網(wǎng)來硬化細胞壁。木質(zhì)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(zhì)素占25%，是世界上最豐富的有機物之一。由于木質(zhì)素本身在結(jié)構(gòu)上具有龐大性和復(fù)雜性，在化學(xué)性質(zhì)上具有極不穩(wěn)定性等，迄今為止，還沒有一種方法能得到完整的天然木質(zhì)素結(jié)構(gòu)，只能得到一些木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)模，這些結(jié)構(gòu)模型是木質(zhì)素大分子的一部分，只是按照測定結(jié)果平均出來的假定結(jié)構(gòu)。圖2為生物質(zhì)的典型化學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖。
1.2試驗儀器
本試驗采用日本進口，200 kV場發(fā)射透射電子顯微鏡（型號：JEM-2100F）。技術(shù)參數(shù)：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(fā)射透射電子顯微鏡JEM-2100F。不僅可實現(xiàn)超高分辨率圖像的觀察，同時還可以得到納米尺度的結(jié)構(gòu)、成分等信息。
1.3試驗方法
利用200 kV場發(fā)射透射電子顯微鏡，對豆秸成型燃料的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)狀態(tài)。由于豆秸成型燃料并非導(dǎo)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(dǎo)電膜，以避免電荷累積，影響圖像質(zhì)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(shù)分別為200，500，1000和2000倍。
2、試驗結(jié)果與分析
2.1試驗結(jié)果
圖3～6為在200 kV場發(fā)射透射電子顯微鏡下，豆秸成型燃料的觀測結(jié)果，放大倍數(shù)分別為200，500，1 000和2000倍的電鏡圖像。
2.2試驗結(jié)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(jié)構(gòu)物為圓柱狀。柱狀物結(jié)合緊密，排列有序，交叉很少，材質(zhì)較硬，且中間填充粘結(jié)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(zhì)構(gòu)成明顯不同。
在燃燒時填充物會首先燃燒，使柱狀纖維結(jié)構(gòu)失去連接物，故在柱狀纖維體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物為層狀，這與柱狀纖維結(jié)構(gòu)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(zhì)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(nèi)聚力，可將它與纖維素緊密粘接，并與相鄰顆粒相互黏結(jié)，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(jīng)測試計算，本試驗中用到的河南農(nóng)業(yè)大學(xué)HPB-IV型液壓式成型機（輔助加熱成型）生產(chǎn)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(zhì)素結(jié)構(gòu)并未發(fā)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(jié)語
農(nóng)作物秸稈中的揮發(fā)分一般為76%～86%。在200℃時，揮發(fā)分開始析出，此時若助燃空氣供給不足，則未燃盡的揮發(fā)分會隨氣流排出，形成黑煙。由于松散豆秸內(nèi)部組織間隙太大，在燃燒時難以抑制揮發(fā)分的迅速逸出，故燃燒效率低下。豆秸成型燃料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)致密均勻，排列有序，限制了揮發(fā)分的逸出速度，從而延長了燃燒時間；同時增加二次供風(fēng)，使成型燃料的燃燒效率大大提高。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機等生物質(zhì)燃料飼料成型機械設(shè)備。
