第2章 生物质压缩成型

2.1 生物质压缩成型机理

生物质压缩成型是指将松散的生物质加工成致密成型燃料的过程。成型的主要目的是打破生物质规模化利用的瓶颈——原料收集、储存、运输成本高的难题。该难题产生的根源是生物质堆积密度低，如图2.1所示。一方面与其自身密度低有关；另一方面还与其形状不规则导致堆积时原料间空隙大有关。将生物质通过压缩加工成成型燃料，可以显著提高其堆积密度，从而较好地解决上述瓶颈。

成型燃料是生物质原料经粉碎、干燥、压缩成型等工序，加工而成的具有一定形状的致密固体燃料。根据形状和大小不同，可将成型燃料分为颗粒燃料（Pellet）和棒（块）状燃料（Briquette），如图2.2所示。根据《生物质固体成型燃料技术条件》（NY/T 1878—2010），直径或横截面尺寸不大于25mm的成型燃料被定义为颗粒燃料，大于25mm的成型燃料则被归为棒（块）状燃料。

松散的生物质是如何被压缩成一个整体的呢?下面通过阐释生物质颗粒相互间的联结机制来阐明成型机理。

在压力和（或）温度作用下，生物质颗粒间主要通过三种机制结合在一起：固体架桥（solid bridge），机械镶嵌（mechanical interlocking）和吸引力（attraction forces），如图2.3所示。

固体架桥主要由黏结剂固化后形成。生物质含有多种天然黏结剂，包括木质素、淀粉、蛋白质、脂肪和水溶性碳水化合物等。其中木质素的含量远高于其他组分，是生物质成型最主要的黏结剂。木质素是一种热塑性高分子物质，没有固定熔点，但有玻璃化温度，温度超过玻璃化温度后，木质素开始具有黏性，流动性增加，使生物质颗粒的塑性变形性能增强。软化后的木质素将相邻的颗粒黏结在一起，待温度下降后，木质素固化，相当于在颗粒之间架了一座桥，如图2.4所示。

木质素的玻璃化温度受到其分子量大小的影响，分子量越大玻璃化温度越高，同时，水分对玻璃化温度的影响也很大，见表2.1。

机械镶嵌是使生物质颗粒结合在一起的另一重要作用机制。通常情况下，当生物质原料呈纤维状、扭曲片状等形状时，易发生镶嵌作用，添加纤维状原料有助于提高成型燃料的强度。此外，高压条件下，硬性颗粒和软性颗粒之间也易于发生机械镶嵌，图2.5所示为玉米秸秆成型燃料截面的扫描电镜照片（×600），可以看到颗粒间的镶嵌现象。

生物质成型过程中，发生在颗粒之间的吸引力有分子间作用力（范德华力）和静电引力。这两种作用力只有当颗粒间的距离非常近时才会产生，比如，范德华力的产生需要颗粒间的距离小于0.1μm。静电引力可以在具有过剩电荷或者双电层的相邻颗粒间产生。

要使上述机制发挥作用，首先要对原料施加压力。根据压力大小可以将生物质成型分为以下三种。

（1）高压成型。仅仅依靠压力的作用将生物质压缩为成型燃料。

（2）中压加热成型。又称热压成型，该工艺在压缩成型过程中，需要将原料加热。加热使木质素等黏结剂发挥作用，同时也使生物质颗粒软化，增加其塑性变形性能。

（3）低压加黏结剂成型。通过外加黏结剂，在较低的压力下将生物质压缩成型。

上述三种成型工艺中，第二种成型工艺兼顾了能耗和成本，最具可行性，是目前应用最广泛的成型工艺。

将生物质加工成成型燃料后，不仅改变了其密度，而且还方便了燃料的装卸和存储等操作，极大地改善了储运性能，方便采用多种交通工具对其运输，比如汽车、轮船等，如图2.6所示。

成型不仅解决了制约生物质规模化利用的堆积密度过低的问题，而且改善了燃料的燃烧性能。主要体现在以下两方面：

（1）成型降低了生物质挥发分的析出速度，为改变生物质燃烧过程的不稳定创造了条件。生物质结构疏松，挥发分含量高，着火温度低，一般在250~350℃下挥发分便快速析出并开始剧烈燃烧，此时燃烧设备往往难以及时为这些挥发分的完全燃烧提供充足的空气，从而造成挥发分不完全燃烧热损失。成型后燃料结构变得致密，密度的增加既增加了挥发分析出的阻力，又减缓了燃料内部温度升高的速度，从而使挥发分的析出变得相对平稳。

（2）成型提高了生物质炭骨架抗热气流冲击的能力，为降低炭的不完全燃烧创造了条件。生物质燃烧后期，其松散的炭骨架极易被热气流吹散并随烟气释放到大气中，导致大量炭粒不能完全燃烧并释放其热量，而成型可显著提高其抗热气流的能力。