0、引言
经过国内外研究机构几十年的探索，生物质致密成型技术(BBT)已经比较成熟，但生物质致密成型燃烧设备的研制技术还不够成熟。欧盟许多成员国具有丰富的可再生能源资源，生物质致密成型技术发展迅速，以丹麦、比利时、法国的生物质致密成型技术发展最为成熟。这些国家生物质成型燃料燃烧设备具有加工工艺合理、专业化程度高、操作自动化程度好等优点，但同时也存在燃料易结渣、燃料品种单一、电耗高等缺点，急须探索生物质成型燃料的燃烧机理。丹麦流化床技术有限公司已对生物质流化床燃烧的机理核心技术进行了研究，定性描述了生物质颗粒成型燃料的燃烧特性，但对生物质致密成型燃料的燃烧机理尚未开展研究；丹麦技术大学也对生物质颗粒成型燃料的燃烧特性进行了研究。国内很早就有关于煤的燃烧机理的研究，但对于生物质致密成型燃料的燃烧机理的研究却不多。哈尔滨理工大学的刘伟军教授对生物质型煤的燃烧过程进行了观察与分析，定性地描述了生物质型煤的燃烧过程，但未定量地描述生物质型煤的燃烧过程及其内部微观结构。目前，我国还没有定型的专门用于燃烧生物质成型燃料的燃烧设备。大多数燃烧设备是在原燃煤锅炉的基础改造而成，主要原因在于缺少对生物质成型燃料燃烧机理的研究，缺乏设计依据。由此可见，通过对生物质成型燃料微观结构分析，以及根据实际燃烧试验得出关于生物质成型燃料的燃烧机理，进而确定燃烧设备参数的研究已经迫在眉睫。本课题以华北地区广泛种植的大豆秸秆为研究对象，对豆秸致密成型燃料的微观结构进行观察和分析，以期找出其微观结构的特点，为生物质致密成型燃料的燃烧机理研究、生物质致密成型设备和燃烧设备的研制提供理论支持。
1、试验设计
1.1试验原料与分析
本文以豆秸为研究对象，试验材料选自河南农业大学毛庄科技试验园区，并根据需要对试验豆秸致密成型燃料进行分样筛选。
由表1可以看出，豆秸致密成型燃料主要由纤维素、半纤维素、木质素等成分构成，其中纤维素能够从自然界直接获得，而半纤维素则不能从自然界直接获得，且成分极其复杂。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，其中木聚糖是构成半纤维素的主要成分，通常被选为�；镉美囱芯堪胂宋�，其结构如图l。木聚糖在木质组织中占总量的50%。半纤维素热解温度一般发生在473～573 K，在高温区域，木聚糖热产物大部分是挥发分和焦炭，在不同的炭化条件下，焦炭产量为10%～20%。纤维素是由B -D-葡萄糖通过B3-1.4-苷键连接而成的线型结晶高聚物，聚合度很大。纤维素不溶于水和乙醇、乙醚等有机溶剂，能溶于铜铵[Cu(NH3)4(OH)2]和铜乙二胺[(NH2CH2CH2NH2)Cu(OH)2]溶液等，是世界上最丰富的有机物，占植物界碳含量的50%以上。纤维素加热到150℃时，不发生显著变化，超过此温度会由于脱水而逐渐焦化。木质素是由聚合的芳香醇构成的一类物质，存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。木质素主要位于纤维素纤维之间，起抗压作用。在木本植物中，木质素占25%，是世界上最丰富的有机物之一。由于木质素本身在结构上具有庞大性和复杂性，在化学性质上具有极不稳定性等，迄今为止，还没有一种方法能得到完整的天然木质素结构，只能得到一些木质素的结构模，这些结构模型是木质素大分子的一部分，只是按照测定结果平均出来的假定结构。图2为生物质的典型化学结构示意图。
1.2试验仪器
本试验采用日本进口，200 kV场发射透射电子显微镜（型号：JEM-2100F）。技术参数：点分辨率为0,19 nm，线分辨率为0.14 nm，加速电压为80，100，120，160，200 kV，倾斜角为25℃，STEM分辨率为0.20 nm。利用200 kV场发射透射电子显微镜JEM-2100F。不仅可实现超高分辨率图像的观察，同时还可以得到纳米尺度的结构、成分等信息。
1.3试验方法
利用200 kV场发射透射电子显微镜，对豆秸成型燃料的微观结构进行观察与分析。扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。所观察的位置为豆秸成型燃料的自然断面，断面不作特殊处理，仅用洗耳球吹去表面的粉末即可，保持断面结构状态。由于豆秸成型燃料并非导电材料，因此在进行扫描之前，要先在成型燃料的截面上进行镀膜处理（采用离子溅射镀膜法），在截面表面镀上一层导电膜，以避免电荷累积，影响图像质量，并防止对试样的热灼伤，然后把干燥过的镀膜试样放在扫描电镜中试样座上观察。扫描电压为15 kV，放大倍数分别为200，500，1000和2000倍。
2、试验结果与分析
2.1试验结果
图3～6为在200 kV场发射透射电子显微镜下，豆秸成型燃料的观测结果，放大倍数分别为200，500，1 000和2000倍的电镜图像。
2.2试验结果分析
(1)由图5和6看出，豆秸致密成型燃料的主要纤维素结构物为圆柱状。柱状物结合紧密，排列有序，交叉很少，材质较硬，且中间填充粘结物清晰可见。断面形成自然，无相互牵拉的迹象，圆柱状纤维组织与中间填充物过渡界线分明，两者之间的组成物质构成明显不同。
在燃烧时填充物会首先燃烧，使柱状纤维结构失去连接物，故在柱状纤维体结构物的弹力作用下，豆秸致密成型燃料在燃烧过程中，体积不断膨胀，成型块逐渐变散：而玉米秸秆致密成型燃料在燃烧的过程中，由于纤维结构物为层状，这与柱状纤维结构相比弹力很小，故体积膨胀很少，成型块不会变散。
(2)散状豆秸在被加工成致密成型燃料的过程中，木质素在温度为70～110℃时软化，具有粘性，当温度达到200～300℃时，成熔融状，粘性高，此时在一定的压力下，增强分子间的内聚力，可将它与纤维素紧密粘接，并与相邻颗粒相互黏结，变得致密均匀，体积大幅度减小，密度显著增加。冷却后，成型燃料强度显著增加。在整个过程中，以物理变化为主，主要减少的是原豆秸材料的孔隙率。经测试计算，本试验中用到的河南农业大学HPB-IV型液压式成型机（辅助加热成型）生产的直径为103 mm，密度为1027 kg/m3的豆秸致密成型燃料，相对孔隙率为14%；冷压成型的豆秸直径为9.1 mm，密度为986 kg/m3，颗粒成型燃料相对孔隙率为17.4%。压缩成型后的豆秸致密成型燃料成分中绝大部分纤维素、半纤维素、木质素结构并未发生变化，只有成型燃料表面的小部分纤维素和半纤维素由于加热温度超过了150℃（一般加热温度为220℃）而炭化。
3、结语
农作物秸秆中的挥发分一般为76%～86%。在200℃时，挥发分开始析出，此时若助燃空气供给不足，则未燃尽的挥发分会随气流排出，形成黑烟。由于松散豆秸内部组织间隙太大，在燃烧时难以抑制挥发分的迅速逸出，故燃烧效率低下。豆秸成型燃料的内部组织结构致密均匀，排列有序，限制了挥发分的逸出速度，从而延长了燃烧时间；同时增加二次供风，使成型燃料的燃烧效率大大提高。
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