生物质预处理制成型燃料研究进展（1）

生物质预处理制成型燃料研究进展（1）

生物质资源能量密度低，存在运输、储存困难以及能源利用率低等问题，严重制约了生物质资源的规模化应用。生物质固化成型技术可将形状不规则、松散的生物质压缩为形状规则、高密度的成型燃料，使生物质从低品位能源上升为中上等品位能源。生物质成型燃料热效率高、燃烧性能好，是替代煤炭的理想燃料，广泛用于农村家庭炊事、取暖用能。随着燃烧设备的不断改进和完善，生物质成型燃料耦合燃煤发电、供热项目在解决能源危机和环境污染等方面发挥了重要作用，具有良好的发展前景。据欧盟委员会预计，2020年生物质成型燃料的市场规模可达4000万～5000万t(比2012年增长300%)，所生产的热量和电力总量占可再生能源供能的45%。

然而，由于生物质细胞壁中的三大组分(纤维素、半纤维素和木质素)紧密交联在一起，从而形成了物理和化学抗降解屏障，导致生物质成型燃料的机械强度和能量密度偏低，严重阻碍了生物质成型燃料品质的进一步提升。因此，采用合适的预处理技术至关重要。

目前，许多国内外学者研究了原料水分、粒径、压力及温度等成型参数对生物质成型燃料品质的影响，得到了生物质成型燃料的最佳工艺参数[11-15]，但有关原料化学成分对生物质燃料成型过程的影响作用机制研究较少。本文旨在总结前人在生物质原料主要化学成分(纤维素、半纤维素以及木质素等)对成型过程的影响研究，结合国内外关于生物质成型燃料预处理技术的发展状况，从提升生物质成型燃料的物理性质和燃烧特性的角度探讨生物质燃料压缩成型的内在机理，为高品质生物质成型燃料的开发提供理论基础与技术指导。

一、成型过程及黏结机制

生物质的主要形态是不同粒径的粒子，且粒子排列通常较疏松，粒子间空隙较大，导致生物质燃料的密度偏小，故常采用压缩成型技术提高生物质燃料的密度。生物质燃料的压缩成型过程，即在一定条件下生物质颗粒之间发生塑变而相互啮合，伴随生物质中有机物软化胶合的过程。生物质燃料的压缩成型过程经历以下4个阶段：

①松散阶段。此时压力较小，物料在压力作用下缓慢挤紧，颗粒间空气和水分被挤出，此阶段主要是缩小颗粒间隙的压缩过程，增加较小的压力即可获得较大的压缩变形。

②过渡阶段。在压力作用下，大颗粒发生破裂，填补周围的空隙。

③压实阶段。颗粒间空隙基本被克服，在垂直于主应力的方向上发生塑性形变，相邻颗粒靠啮合的方式接触，使颗粒结合更加牢固。

④推移阶段。物料与压块同步向出料口移动，可近似认为物料相对压块静止，此阶段压力逐渐释放，为典型的压力松弛过程。压缩过程取决于生物质原料的物理性质和化学性质，受原料化学成分、水分、粒径、成型压力及成型温度等多方面因素的影响。

生物质原料的木质素和半纤维素含量较高，一方面，木质素和半纤维素在压缩过程中发挥较强的黏合剂功能，把相邻的生物质颗粒黏结在一起；另一方面，木质素在达到玻璃化温度时开始熔融形成胶体物质，在相邻生物质颗粒之间形成液桥，并在冷却时进一步形成固桥，加强了颗粒之间的黏结作用。生物质颗粒内部黏合力的类型及相互作用的方式可分为以下5类：①固体桥接或架桥；②自由移动液体的表面引力和毛细压力；③非自由移动的吸附力和黏合力；④固体颗粒之间的分子吸引力；⑤固体颗粒之间的填充或机械互锁。虽然生物质成型燃料的密度和强度受温度、水分、压力、添加剂等多因素影响，但实质上均可用上述一种或一种以上的黏合类型和黏合力来解释生物质燃料的成型机制。