摘要：本文從資源特性、結構特性和熱解特性闡述竹材是我國開發生物質固體燃料的潛在資源，通過對比木材與竹材的顯微構造和化學組成，分析制備竹材
顆粒燃料的可行性，并利用實驗室小型生物質
顆粒機制備了竹材顆粒燃料。通過性能測試，竹材顆粒燃料所有性能均能達到美國燃料協會《民用/商用生物質顆粒燃料》要求，具有較好的商業價值潛力。
關鍵詞：生物質固體燃料 竹材 竹材顆粒燃料制備與性能
能源短缺和環境危機是當今社會關注的焦點，也是現代社會經濟發展的瓶頸。地球的化石能源時代逐漸走向終結，我國的化石能源形勢也十分嚴峻。能源供需緊缺將制約我國經濟和社會的發展，尋找新的、可再生能源己成為我國的當務之急。對比化石能源，生物質能因其可再生、資源豐富、生態環境友好而逐漸成為能源產業的新生力量，在當今社會經濟發展中扮演重要角色。目前，生物質能源主要包括
固態生物質燃料、液態生物質燃料和氣態生物質燃料。因生產工藝簡單、產業化和規模化的實現容易，產品易儲存、運輸、使用方便、清潔環保、燃燒效率高等優點，生物質固體燃料已成為生物質能源家族一個重要的成員，富通新能源生產銷售的
秸稈顆粒機、
木屑顆粒機專業壓制生物質成型顆粒燃料，生物質顆粒燃料如下圖所示：
根據原料的來源，生物質顆粒燃料原料可分為農業剩余物、林業剩余物、水生植物、人畜糞便和生活有機垃圾、城市和工業有機廢棄物等。Abasaeed (1992)論證農業剩余物，棉花秸稈可作為蘇丹生物質能源的主要原料，得出棉花秸稈顆粒燃料碳化后不會對環境產生影響，是一種可被社會接受的燃料，同時解決棉花秸稈的廢棄物問題。Yaman等(2000)利用造紙廢棄物和橄欖廢棄物制備高機械強度的生物煤球，并用熱重分析其熱解特性和燃燒特性。Paulrud和Nilsson (2001)利用蘆葦草壓制成顆粒燃料，研究測量蘆葦草顆粒燃料燃燒時的煙氣排放和灰分含量變化。Demirbas和Ayse(2004)利用一些廢棄的材料制備生物質顆粒燃料，并對其水分含量、強度、熱值、耐水性能等進行測量，得出原料含水率增加，燃料的物理性能有所增加。羅娟等( 2010)對北京地區8種典型的生物質顆粒燃料進行燃燒性能測試試驗，得出揮發份含量越高，含水率越低，生物質顆粒燃料所需的點火時間越短。
1、竹材是我國研究和開發生物質固體燃料的潛力資源
1.1竹子生長速度快
竹子是世界上生長最快的植物之一。竹子的每一節都是一個生長點，都在同時生長，慢時每晝夜高生長20～30cm，快時每晝夜高生長達150～200cm。毛竹30～40天可長高15～18m，巨龍竹100～120天可長高30～35m。竹子一般在造林后3～5年即可成林，具備生物量生產的能力。
1.2我國竹子種類多，竹材儲蓄量大
我國的竹材資源十分豐富，竹材蓄積量巨大。竹林在我國被稱為“第二森林”，竹林面積在世界上居第二位，竹林產量在世界上居第一位。據統計，世界有竹類植物70余屬，1200余種，全球竹林面積約2200萬公頃，年生產竹材約1500～2000萬噸。我國共有竹種40個屬，530余種竹子種類，現有竹林總面積538.1萬公頃，其中，毛竹林面積約為300萬公頃。竹材年產量1800萬噸，年伐竹量約850萬噸，其中商品竹約600萬噸。
1.3我國竹材資源分布廣
世界竹林主要分布在熱帶和亞熱帶地區，少數分布在溫帶和寒帶地區。按地理位置分布可分為亞太竹區、美洲竹區和非洲竹區三大竹區。我國竹林分布廣泛，但具有明顯的地帶性和區域性，集中分布于浙江、江西、安徽、湖南、湖北、福建、廣東、廣西、貴州、四川、重慶、云南等地的山區。根據地理位置，我國的竹資源可分為四個竹區：(1)黃河．長江竹區，位于北緯300-400之間，主要有剛竹屬、苦竹屬、箭竹屬、赤竹屬、青籬竹屬和巴山木竹屬等竹種；(2)長江．嶺南竹區，位于北緯250～300之間，主要有剛竹屬、苦竹屬、短惠竹屬、大節竹屬、慈竹屬和方竹屬等竹種；(3)華南竹區，位于北緯10°～20°之間，主要有牡竹屬、酸竹屬、藤竹屬、巨竹屬、茶稈竹屬、泡竹屬、薄竹屬、梨竹屬等竹種；(4)西南高山竹區，主要有方竹屬、箭竹屬、玉山竹屬、慈竹屬等竹種(江澤慧，2002)。
1.4竹材整竹可制備生物質固體燃料
竹材具有直徑小、壁薄中空、尖削度大等結構特性，使得竹材的工業化利用率較低，約為40%左右，60%以上竹材變成廢棄物。在竹材壁厚方向上，竹材又分為竹青（竹材的外側）、竹黃（竹材的內測）和竹肉（竹材的中間部位）三部分。三者之間在顯微結構、化學成分和物理力學性能上差異很大，使其不能同時進行工業化利用。比如在竹復合材料領域，一般要先去除竹材的竹青和竹黃部分，僅對竹肉部分進行工業化利用，增加了加工難度和降低了生產效率。若利用竹材制備生物質固體燃料，可將竹材整竹利用，將大大提高竹材的工業化利用率，有利于搭建資源節約型竹產業。
2、制備竹材顆粒燃料可行性的理論分析
2.1竹材的顯微構造滿足生物質顆粒燃料成型條件
細胞是構成竹材的基本單元。竹材的生長發育過程是通過細胞的不斷分裂和擴大，使得其體積和質量不斷增加的過程。木竹材的細胞壁結構類似，均是由初生壁和次生壁組成。初生壁的微纖絲排列總體上呈無定形的網狀結構，而次生壁按其微纖絲角的排列方向均分為S１層、S2層和S3層結構。竹材細胞壁均可逐一分解成大纖絲或粗纖絲（0.4～1.0um的絲狀結構），微纖絲（10nm-30nm的絲狀結構），纖維素分子鏈（包括結晶區和非結晶區），纖維素分子和構成纖維素的分子團。竹材的顯微結構特性滿足生物質固體燃料的成型條件。如圖3所示，在壓縮初期，壓力傳遞至竹材顆粒，使松散堆積的竹材顆粒排列結構發生改變，竹材顆粒內部空隙率減少。當壓力逐漸增大時，大粒徑的竹材粒子在壓力作用下破碎成細小的粒子，細小粒子開始充填空隙，粒子間通過分子吸引力或靜電引力連接起來。隨著壓力的進一步增加，粒子間緊密地接觸而互相嚙合，形成了橋接。同時，竹材顆粒發生變形或塑性流動，一部分殘余應力貯存于成型塊內部，使粒子間結合更牢固。Nalladurai等(2010)分析了玉米秸稈顆粒燃料的結合形式，指出玉米秸稈顆粒間主要通過橋接到一起。
2.2竹材細胞壁物質的化學組成滿足生物質顆粒燃料成型條件
竹材細胞壁主要由纖維素、半纖維素和木質素以及一些抽提物和灰分組成。纖維素分子鏈聚集成束并以排列有序的微纖絲狀態存在于細胞壁之中，起骨架物質作用。半纖維素以無定形狀態滲透在骨架物質之中，起基體粘結作用。木質素填充在纖維素和半纖維素之間，可使細胞壁堅硬。木竹材細胞壁物質化學組成的基本構成單元類似。木竹材纖維素均是由吡喃葡萄糖單體聚合而成的，在1～4碳原子上以B-甙鍵連接：半纖維素是由木糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖等多糖組成的一種聚合物；木質素的構成單元是苯基丙烷——是一種非結晶性的、三維網狀結構高聚物(徐有明，2006)。在一定含水率條件下，木質素的軟化點較低，軟化后形成膠體物質，在竹材顆粒燃料成型過程中起到粘結劑功能，可粘附和聚合竹材顆粒，提高了竹材顆粒燃料的結合強度和耐久性(Liu等，2012)。Wolfgang等(2011)利用DMA分析了麥草秸稈中無定性物質的熱轉變，指出其木質素的軟化溫度約為53℃。半纖維素、木質素和蛋白質等成分是竹材成分中主要的無定性物質，軟化這些物質有助于提高生物質顆粒燃料的強度。
目前，國內外利用木材制備生物質固體燃料的生產技術相對成熟。如Sayed和Bhattachary( 1992)利用三種不同的溫度預處理木屑，并研究其顆粒燃料的成型過程。Ooi和Siddiqui (2000)利用木屑、稻殼、花生殼、椰子纖維等分別制備生物質顆粒燃料，并測試其松弛行為、機械強度和燃燒特性。Taulbee等(2009)研究了煤粉和木屑顆粒燃料的壓縮成型工藝，考察了膠黏劑用量、木屑的種類、成型壓力、煤粉和木屑的尺寸、原料含水率、成型壓力和壓縮時間對產品性能的影響。蔣劍春等( 1999)研究了林業剩余物制造顆粒燃料技術。通過對比分析木竹材的細胞構造和化學組成可知，利用竹材制備生物質顆粒燃料是可行的。
2.3竹材的熱解特性表明其適合制備生物質固體燃料
生物質固體燃料燃燒是一個強烈的化學反應過程，是燃料和空氣間的傳熱、傳質過程。生物質固體燃料的燃燒過程包括水分蒸發，揮發物燃燒和焦碳燃燒等過程。燃燒時，必須有足夠溫度的熱量供給和適當的空氣供應，使生物質材料首先熱解出可燃的揮發物，并在空氣中燃燒。因此，生物質材料中可燃性揮發物的熱解溫度越低，越有利于生物質固體燃料的燃燒。作者分析7種竹材（毛竹、慈竹、綠竹、水竹、麻竹、粉單竹和撐篙竹）和人工林杉木的熱解特性，結果表明，7種竹材與人工林杉木的熱解過程是類似的，熱解過程包括失水干燥、預熱解、快速熱解和殘余物緩慢熱解4個階段。但每個熱解階段，竹材的熱解溫度低于人工林杉木，表明竹材熱解時，其可燃性揮發物較人工林杉木更易熱解析出，其生物質固體燃料更易燃燒。
3、竹材顆粒燃料的制備和性能測試
3.1竹材顆粒燃料的制備
基于上述分析，本研究以毛竹(Phyllostachys heterocycla)為原料，采自于美國路易斯安那州，初含水率約為6.13%，氣干密度約為0.65g/cm3。毛竹首先被切割成40mm（縱向）x3～8mm（徑向）x20～30mm（弦向）試件。利用木材粉碎機制備竹材顆粒，并通過機械篩選獲得3種粒徑的竹材顆粒。利用L-175型常溫滾壓式生物質顆粒燃料成型機研究制備竹材顆粒燃料，試驗設計見表1。
表1 試驗設計
|
試驗號 |
含水率（%） |
粒徑（mm） |
|
1 |
8 |
PS1 |
|
2 |
8 |
PS2 |
|
3 |
8 |
PS3 |
|
4 |
12 |
PS1 |
|
5 |
12 |
PS2 |
|
6 |
12 |
PS3 |
|
7 |
16 |
PS1 |
|
8 |
16 |
PS2 |
|
9 |
16 |
PS3 |
竹材顆粒燃料成型過程如下：
(1)本試驗選擇三種顆粒大小的竹材原料，其中，PS1的竹材顆粒粒徑大于1.18mm，PS2的竹材顆粒粒徑介于1.18～0.84mm，PS3的竹材顆粒粒徑小于0.84mm。
(2)將上述三種粒徑大小的竹材顆粒分別放入恒溫恒濕室內進行調濕處理。為了獲得含水率分別約為8%和12%的竹材顆粒，設定恒溫恒濕室的參數為溫度27℃，相對濕度為65%和90%。對于含水率16%的竹材顆粒，通過增加定量蒸餾水的方式調解其含水率。
(3)將上述調濕處理的竹材顆粒放在密封袋，并在溫度為27℃，相對濕度為65%的恒溫恒濕室內平衡48h，旨在使竹材顆粒的含水率分布均勻。
(4)設定常溫滾壓式生物質顆粒燃料成型機的轉數為220R/min。
(5)采用手動的進料方式將竹材顆粒連續的加入生物質顆粒燃料成型機內進行竹材顆粒燃料的制備。將制備好的竹材顆粒燃料放在實驗室內7天，待其性能穩定后再進行性能測定。
3.2測試結果
根據美國燃料協會《民用／商用生物質顆粒燃料》和德國國家標準《木質顆粒燃料》對竹材顆粒燃料性能進行檢測和評價。
3.2.1含水率對竹材顆粒燃料性能的影響
不同含水率制備的竹材顆粒燃料的性能見表2。竹材顆粒燃料的平均長度在12.71mm和11.69mm之間變化。顆粒燃料的長度影響其燃燒時的進料性能。顆粒燃料長度越短，燃燒時越容易連續流動進料。三種含水率條件下（8%，12%和16%），竹材顆粒燃料的直徑差異較小，其值分別為6.09mm，6.03mm和6.04mm。產生差異的原因是顆粒內部水分移動破壞其成型過程中形成的粘接(Mahapatra等，2010)。生物質顆粒燃料的尺寸是影響其燃燒性能的主要影響因子。實際經驗表明，尺寸小的顆粒燃料具有更加穩定的燃燒速度，特別是在小的燃燒爐內( Paivi，2001)。竹材顆粒燃料的吸濕性在10.95%和11.35%之間變化。竹材顆粒燃料的吸濕性與水分在其內部移動的難易密切相關。三種含水率條件下制備的竹材顆粒燃料內部空隙不同。空隙越大，水分在其內部異動越容易；空隙趟小，水分在其內部異動越難。竹材顆粒燃料的單元密度和堆積密度隨其含水率的增加而增加。在三個含水率水平下，竹材顆粒燃料單元密度和堆積密度分別為l.05g/cm3，1.14g/cm3，1.20g/cm3和0.52g/cm3，0.63g/cm3，0.65g/crn3。生物質顆粒燃料的運輸和存儲效率與其堆積密度密切相關。堆積密度的增加可提高運輸效率和降低存儲空間。竹材顆粒燃料的抗破碎性隨著其含水率的增加而降低，其耐久性隨著竹材含水率的增加而增加。三種含水率水平下，竹材顆粒燃料的耐久性分別為95.07%，97.95%和98.38%。單元密度是影響竹材顆粒燃料抗破碎性和耐久性的重要因子。竹材顆粒燃料單元密度越大，其耐久性越好，抗破碎性最好。竹材顆粒燃料的灰分含量在1.46%～1.34%之間波動。生物質顆粒燃料的灰分含量與其礦物質成分和燃燒過程密切相關（Dick等，2007）。在生物質顆粒燃料成型過程中，生物質成分中有機物質含量降低可能導致其灰分含量的增加。對于含水率高的竹材材料，水分在成型過程中使竹材顆粒更容易通過成形孔，其有機物質成分降低越少。因此，含水率為16%的竹材制備的顆粒燃料灰分含量最低，最后為含水率為8%的竹材。不同含水率條件下制備竹材顆粒燃料的燃燒熱值變化不大，其值分別為18465J/g，1843 8J/g和18457J/g。產生差異的原因是不同條件下制備竹材顆粒燃料的含水率不同，燃燒過程中部分熱量被用于蒸發其內部的水分，造成了熱量損失。
表2 不同含水率制備的竹材顆粒燃料性能
|
含水率（%） |
長度（mm） |
直徑（mm） |
吸濕性（%） |
單元密度（g/cm3） |
堆積密度（g/cm3） |
抗破碎性（%） |
耐久性（%） |
灰分（%） |
熱值（j/g） |
|
8 |
12.50 |
6.086 |
11.12 |
1.05 |
0.522 |
0.41 |
95.07 |
1.46 |
18465 |
|
12 |
12.71 |
6.036 |
11.35 |
1.14 |
0.625 |
0.54 |
97.95 |
1.37 |
18438 |
|
16 |
11.69 |
6.044 |
10.95 |
1.20 |
0.652 |
0.27 |
98.38 |
1.34 |
18457 |
3.2.2顆粒粒徑對竹材顆粒燃料性能的影響
不同顆粒粒徑制備的竹材顆粒燃料的性能見表3。竹材顆粒燃料的平均長度隨著竹材粒徑的增加而降低。在三種粒徑條件下(PS1、PS2和PS3)，試件長度分別為12.62mm，12.24mm和11,94mm。在三種粒徑條件下，竹材顆粒燃料的直徑差異較小，其值分別為6.05mm，6.06mm和6.05mm。竹材顆粒燃料的吸濕性隨竹材粒徑的變化而變化，主要原因是竹材顆粒內部孔隙結構不同和三種竹材顆粒的比表面積不同造成的。當水分接觸到竹材顆粒表面時，同時發生吸附、擴散和滲透。竹材顆粒燃料內部空隙結構影響水分的移動。當竹材的粒徑越大時，制備的竹材顆粒燃料內部空隙的體積越大和數量越多，水分的移動越容易。竹材顆粒燃料的單元密度和堆積密度隨竹材粒徑的增加而降低，但三種粒徑條件下，其變化不大。竹材顆粒燃料的抗破碎性隨著竹材粒徑率的增加而降低，其抗破碎性的最低值出現在竹材粒徑為PS3的水平上。
表3 不同顆粒粒徑制備的竹材顆粒燃料性能
|
顆粒粒徑 |
長度（mm） |
直徑（mm） |
吸濕性（%） |
單元密度（g/cm3） |
堆積密度（g/cm3） |
抗破碎性（%） |
耐久性（%） |
灰分（%） |
熱值（j/g） |
|
PS1 |
12.62 |
6.052 |
11.31 |
1.11 |
0.599 |
0.28 |
97.96 |
1.45 |
18463 |
|
PS2 |
12.24 |
0.062 |
11.32 |
1.13 |
0.600 |
0.49 |
97.21 |
1.15 |
18464 |
|
PS3 |
11.94 |
6.053 |
10.79 |
1.16 |
0.600 |
0.46 |
96.23 |
1.57 |
18434 |
最后為竹材粒徑為PS1。竹材顆粒燃料耐久性隨著竹材粒徑的增加而增加，三種粒徑條件下，其值分別為97.96%，97.21%和96.38%。主要原因為竹材粒徑越小，其越容易通過生物質顆粒成型機的成型孔，導致竹材顆粒燃料的機械強度越低。竹材顆粒燃料的灰分含量隨竹材顆粒粒徑的增加而降低，三種粒徑下其灰分含量分別為1.45%，1.38%和1.32%。三種粒徑下制備竹材顆粒燃料的燃燒熱值變化不大，其值分別為18463J/g，18464J/g和18434J/g。竹材顆粒燃料的燃燒熱值滿足德國標準《木質顆粒燃料》中規定的商業用顆粒燃料燃燒熱值的最低值（>17500J/g）的要求(Faizal等，2010)。
4、結論
在未來的能源消耗中，氫能、太陽能、風能、生物質能和海洋熱能被認為可替代傳統化石能源的幾種主要能源。其中，唯有生物質能是碳基、可再生的清潔能源。由于生物質的種類繁多和分布廣泛等特點，全世界的大多數人可以使用和利用它。生物質能源己成為各國世界能源可持續發展戰略的重要組成部分，在世界能耗中，生物質能耗占能源總量的14%左右，特別是一些不發達地區，生物質能耗占能源總量的60%以上。
作為一種生物質資源，竹材在我國的儲存量大，分布廣泛，是我國開發利用生物質固體燃料的潛力資源。本研究制備的竹材顆粒燃料所有性能均能滿足美國顆粒燃料協會標準《民用／商用生物質顆粒燃料》的要求，其燃燒熱值也滿足德國標準《木質顆粒燃料》中規定的關于商業用生物質顆粒燃料燃燒熱值的最低要求(>17500J/g)。竹材顆粒燃料是一種新的生物質顆粒燃料，具有商業化開發潛力。
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