20世紀70年代，由于全球能源危機的出現，人們認識到煤、石油等化石能源的有限性和化石能源的過度使用所造成的環境污染問題。日益嚴重的環境污染問題已經引起了世界各國的廣泛關注。環境問題與能源問題密切相關，解決好環境問題的關鍵是解決好能源問題。于是，可再生能源的研究逐漸引起人們重視。木材是重要能源。根據丹麥能源局1997年有關能源生產的調查，木材能源產量大約是21 PJ，約合500 000 t石油，占可再生能源生產總量的28%。據調查資料顯示，我國陸地林木生物質總量達180億t以上，林業“三剩物”（采伐剩余物、造材剩余物、加工剩余物）的總量在8～10億t。此外，我國還有5 700萬公頃宜林土地和1億公頃不適宜發展農業的邊際性土地，開發利用林木生物質能源潛力巨大。
目前，關于生物質能的利用途徑主要有：生物質直接燃燒技術，生物質壓縮成型和炭化技術，生物質氣化技術，生物質熱裂解液化技術等。生物質致密成型技術( BBT)是近些年來在我國興起的一種新型生物質能利用技術，正逐漸被人們重視。生物質致密成型的機理是利用生物質中的木質素在高溫下軟化、產生膠黏作用再擠壓成型。經過國內外研究機構幾十年的探索，生物質致密成型技術已經相當成熟，但生物質致密成型燃料的燃燒設備還不成熟。主要原因是對生物質致密成型燃料的微觀結構和燃燒機理研究不夠深入，導致在設計生物質致密成型燃料燃燒設備時，設計參數選取不準。目前大部分生物質致密成型燃料燃燒設備在設計時，均是參照煤的燃燒機理進行選用，缺乏科學依據。這將影響生物質致密成型燃料的正常燃燒，導致燃燒設備效率低下，從而影響生物質致密成型燃料的應用與推廣。為解決此問題，故提出了研究生物質致密成型燃料微觀結構的課題。本課題專門針對木屑成型燃料，對木屑致密成型燃料的微觀結構進行觀察分析，以期找出微觀結構的特點與燃燒效率之間的關系，為今后研究生物質致密成型燃料的燃燒機理成型設備及燃燒設備提供理論基礎。
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1、試驗設計
1.1試驗原料與分析
本實驗以木屑致密成型燃料為研究對象，這些燃料來自河南農業大學毛莊科技實驗園區，為便于觀察，先將部分木屑致密成型燃料加工成直徑9 mm、厚6 mm的圓形片；然后根據實驗需要對部分木屑致密成型燃料進行粉碎，再用分樣篩進行分級。本實驗選用規格為80目的分樣篩。
木屑致密成型燃料的元素分析結果見表1。從表中可以看出木屑致密成型燃料元素組成成分主要是碳元素和氧元素，其次是氫元素，同時還有微量的氮、硫元素。
依據GB212 - 77《煤的工業分析方法》進行木屑致密成型燃料的工業分析。首先在自動控溫通風式干燥箱中105℃烘干至恒重，然后在SX -8 - 10型箱式多功能電阻爐中，800qC灰化4h，最后通過計算試樣前后的質量變化，即可求得燃料的含水量、可燃物含量及灰分含量，低位發熱量是在XPY -1A數顯氧彈式熱量計上測定。由于燃料的形狀比較規則，故可以直接測量出其體積和質量，進而求出其密度。測試結果見表2。
木屑致密成型燃料纖維素、半纖維素、木質素及中性洗滌劑溶解物含量由FIWE/3自動纖維素測定儀測定，結果如表3所示。
由表3可以看出，木屑致密成型燃料主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，同時還含有酸不容灰分等成分。纖維素是世界上最豐富的有機化合物，是植物細胞壁的主要成分，構成了植物支撐組織的基礎。木材中纖維素的平均含量約為50%。纖維素分子的鏈與鏈之間借助分子之間的氫鍵形成像繩索狀結構，具有一定機械強度和韌性。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。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。木聚糖熱解產物在高溫區域，木聚糖熱解產物大部分是揮發分和焦炭，在不同的炭化條件下，焦炭產量在10%，20%。木質素足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。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，使得迄今為止還沒有一種方法能得到完整的天然木質素結構，而只能得到一些木質素的結構模型。如圖l為木質素的結構模型；圖2為生物質的典型化學結構示意圖。
1.2試驗儀器
高精度電子天平，max=200 g，d=0,1 mg；200 kV場發射透射電子顯微鏡，型號：JFM - 2100F；BCH -1型半自動碳氖測定儀；ZCL -2型自動定硫儀；自動控溫通風式干燥箱、計時器等；自制孑L隙率試驗臺；液壓式萬能試驗、驗機。
1.3試驗方法
通過液壓式萬能試驗機，對80目樣品在套筒內進行增壓，制備基準體。套筒內經18 mm，外徑300 mm，高70 mm。在增壓時，不是壓力越大越好，當壓力增加到一定程度時，再增大壓力成型塊的體積變化很小，相反磨損程度大大增加。一般，當原料的體積減少量小于增壓前體積的0.5%時，此時的壓力定為該種材料的密實壓力。確定完基準體的密實壓力之后，進而確定成型燃料的相對空隙率。最后利用200 kV場發射透射電子顯微鏡對木屑致密成型燃料基準體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。所觀察的位置為木屑致密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，保持斷面結構狀態。由于木屑致密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100、500、1000和2000倍。
2、試驗結果與分析
2.1試驗結果
80目樣品在液壓萬能試驗機和自制孔隙率試驗臺上的測試結果，如圖3所示。
圖4-圖7為在200 kV場發射透射電子顯微鏡下，得到的木屑致密成型燃料的微觀圖像。放大倍數分別為100、500、1 000、2 000倍。
2.2結果分析
(1)首先，測定一定質量m木屑致密成型燃料的密度p．；其次，是計算出質量為m的木屑致密成型燃料的體積；第三，計算出質量為m木屑致密成型燃料標準體的體積第四，計算木屑致密成型燃料的相對孔隙率×100%。80目木屑粉為原料制作基準體時，其基準體終壓為30 MPa(當壓力增加為30 MPa時，體積減少率為0.41%<0.5%判斷標準)，密度為1 271.8 kg/m3。經過計算可得：河南農業大學HPB -IV型液壓式成型機（輔助加熱成型）生產的木屑直徑為103 mm，密度為1 062 kg/m3的致密成型燃料，相對孔隙率為16, 5%；冷壓成型的木屑稈直徑為9.1 mm，密度為1050kg／m3顆粒成型燃料相對孔隙率為17. 4%。
(2)散狀木屑在被加工成致密成型燃料的過程中，木質素在溫度為70一110℃時軟化，具有粘性，當溫度達到200~ 3000C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，主要減少的是原散狀木屑的孔隙率。壓縮成型后的木屑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)從木屑致密成型燃料斷面電子掃描圖上可以看出，木屑致密成型燃料的微觀結構是層狀和柱狀的混合結構，纖維素結構物排列無序，相互交錯，空隙較大。纖維素柱狀物有纖維素層狀物包裹，結合緊密，如圖5。斷面的形成有明顯的相互牽拉的痕跡，進一步印證了纖維素結構物相互交錯。主要結構物之間的填充物不明顯，空隙較大。雖然木屑顆粒內部的纖維素結構內部結合緊密，且纖維素相互連接，但是木屑致密成型燃料是由粒徑很小的木屑顆粒組成，木屑顆粒之間纖維素結合物被人為切斷，顆粒之間連接物較少。木屑在加工時易成型，因為木屑中木質素含量較大，熱成型時會成為粘結劑，但這種粘結劑沒有纖維素本身牢固，在燃燒時會失去粘結性。故木屑致密成型燃料在燃燒時，水分含量較高時會出現成型塊變散的現象。
3、結語
木屑致密成型燃料與散狀木屑相比，孔隙率大大減小，在燃燒時大大限制了揮發分的逸出速度，延長了燃燒時間，可提高燃燒效率。同時，在對木屑進行加工成型時，木屑中的木質素在一定溫度下會成為粘結劑，促進成型，但水分含量過高，則會抑制成型，甚至出現“放炮”現象，因此要控制木屑的含水量。對木屑致密成型燃料微觀結構的研究為生物質成型燃料燃燒設備的設計參數的選擇奠定了理論基礎，同時也為成型燃料加工設備的研制提供了理論支持。
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