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摘要：为研究生物质颗粒燃料的微观成型机理，以玉米秸秆、木屑为原料利用环模式成型机压缩成生物质颗粒燃料，并对原料、粉碎原料及生物质颗粒燃料进行显微形貌观察，对比不同原料、不同阶段物料的微观形态和散粒体压缩过程的结合形式。结果表明：环模式成型机为间断性压缩，生物质颗粒燃料微观成型机理为分层压缩，层与层间距为25～40μm；从横截面看分3层：中心层散粒体“平铺”，过渡层扭曲变形，表层“直立”。相同挤压力下秸秆颗粒燃料比木屑颗粒燃料的密度小。为生物质颗粒燃料的成型机具提供重要的设计理论依据。
0引言
生物质颗粒燃料作为一种新型可再生能源，它采用模辊式成型机具压缩成形，与松散秸秆和煤相比，具有便于储存和运输、燃烧过程黑烟少、火力旺、燃烧充分、不飞灰、干净卫生、且NOx、SOx排放量低、可实现自动化上料等优点。用生物质颗粒燃料替代煤作燃料，对实现能源的可持续发展和对降低温室气体及污染物的排放具有重要作用[1-2]。
生物质颗粒燃料的生产技术已基本成熟，但相应的成型设备存在关键部件磨损快，寿命短等问题[3-4]，原因是生物质颗粒燃料的微观成型机理研究较少。现有研究中，郭康权指出，在垂直于最大主应力的方向上，粒子以相互啮合的形式结合，在沿着最大主应力的方向上，粒子以相互贴合的形式结合[5]。胡建军和徐广印对玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆、稻草及木屑五种原料，采用同一压力，不同压缩速度进行压缩，分析微观形貌变化，提出了秸秆冷态压缩成型的微观结合模式；在横截面方向上，秸秆组织受到严重破坏，以相互贴合的形式结合；在纵截面方向上，秸秆组织破坏较小，以相互嵌合的形式结合[6-7]。齐菁对稻壳颗粒燃料进行扫描电镜观察，提出稻壳颗粒成型机理包括化学结合和物理结合两部分，主要以物理结合的“片搭”形式结合[8]。孟海波研究了秸秆原料的微观组织形貌[9]。刘圣勇仅对成型后的玉米秸秆颗粒燃料的微观组织进行观察，说明了秸秆组织结构变的混乱无秩序，层与层之间的空隙较小，连接物无明显界线，结合紧密，断面的形成有相互牵拉的迹象[10]。
Nalladurai Kaliyan对压缩前后的玉米秸秆和颗粒进行对比，从物质的结合角度出发，得出原料散粒体之间以“坚实的桥梁”形式结合的，压缩温度升高，可以激活水分的作用，使之与木质素，蛋白质，淀粉和脂肪一并成为天然的粘结剂，有助于颗粒的成型[11]。国内外针对生物质颗粒燃料的微观成型机理研究内容并不深入，只说明了压缩后其内部结构变紧密的现象，对散粒体间的结合形式论述具有局限性，目前从微观角度对成型机理的研究仍处于初步研究阶段。
本试验以玉米秸秆、木屑等为原料，用环模式成型机进行压缩成型，利用扫描电镜和电子显微镜，对生物质颗粒燃料压缩前后的微观形貌进行观察研究，讨论散粒体的结合形式，从微观散粒体结合角度分析生物质颗粒燃料的成型机理，为生物质颗粒燃料的成型机具的开发提供理论基础。
1材料与方法
1.1仪器设备
试验仪器电子显微镜（OlympusBX41）、显微摄像系统（Canon550D）、扫描电子显微镜（S-3400N）、生物质颗粒燃料成型机（485型）、粉碎机（筛孔径8mm）、电子天平（PL2002/01型、精度0.01g）、标准筛一套（孔径分别为6mm，3.2mm，1mm）、电热鼓风干燥箱（101-1A型）、干燥器、砂纸（粒度600～5000）、切片刀、载玻片、盖玻片、刷子、镊子、洗耳球等。
1.2试验材料
本试验选择北方地区极为丰富的玉米秸秆和木屑作为试验原料。
将玉米秸秆分为3份，第1份对玉米秸秆的表皮和玉米秸秆心部取样，分别进行切片，待观察；第2份用粉碎机粉碎（粉碎后粒度分布见图1），然后对粉碎秸秆进行取样、干燥，制样，镀膜；第3份将粉碎原料压缩制成直径为6mm，长约18～50mm的圆柱颗粒，将成型的颗粒燃料标记，选取几料用切片刀分别切开，成一横截面和一纵截面，并依次用粒度由粗到细的砂纸磨光，待观察。
将木屑分为两份，第1份选取木屑细小颗粒（粒度分布见图1），方法与玉米秸秆第2份相同；第二份进行压缩成型，并切出截面方法与玉米秸秆第3份相同。
1.3试验设计
本试验选择玉米秸秆和木屑为主要研究对象，分别对上述的自然晾晒的玉米秸秆、粉碎后的玉米秸秆、自然晾晒的木屑和压缩成型的秸秆、木屑颗粒燃料等进行显微观察，对比分析粉碎、压缩前后秸秆、木屑的微观形貌变化，分析散粒体的结合形式，阐述生物质颗粒燃料成型的微观机理。
压缩后的颗粒燃料物理特性见表1。
2结果与讨论
2.1外形特征
2.1.1自然晾晒的秸秆
自然晾晒干燥后的秸秆颜色呈黄色，心部组织与表皮组织相分离，空隙较大，表皮光滑，心部呈较为规则的条形纤维状，纤维与纤维之间由少量的基本组织连接。
2.1.2粉碎后秸秆和木屑
粉碎后的秸秆呈片条状或少量颗粒状。自然晾晒的木屑呈棕黄色，块状和粉末状，比粉碎秸秆的尺寸小，粒度较均匀。
2.1.3成型后的颗粒燃料
木屑颗粒燃料外表面光滑，偶见表面有裂纹。在环横孔原料进口端端面呈“中心低，四周高”，横孔出口端端面呈“中心高，四周低”，凸起和凹陷端面较规则。颜色呈棕黄色，与木屑原本颜色一致，但略显深。
秸秆颗粒燃料外表面略显粗糙，两端形貌与木屑颗粒相似，凸起和凹陷端面粗糙无规则。颜色较木屑颗粒暗，呈灰黄色，比秸秆颜色深，且较木屑颗粒燃料容易掰断。
2.2微观形貌
2.2.1自然晾晒的玉米秸秆
自然晾晒后的玉米秸秆切片制样进行观察，秸秆心部的内层组织疏松，髓腔大小均匀，髓腔和维管束清晰可见，但都略有挤压变形。新鲜秸秆维管束由外围的初生韧皮部和内部的初生木质部组成，维管束间距为1.1mm左右。经晾晒后秸秆的维管束周围的韧皮部已消失，只剩木质部的导管，直径约0.1mm，周围形成较大的气腔，薄壁组织细胞愈接近茎中部越大，即髓腔越大，见图2a。表皮结构基本保持秸秆原貌，从横截面上观察，表皮组织呈蜂窝状，靠近表皮部位的组织细胞越来越小，维管束散生在基本组织中，在秸秆表皮分布较多，较小，远离表皮部位分布较少，较大，图2b。纵切面上观察组织细胞呈砖形，长约125μm，宽约20～30μm，图2c，表皮外部具有角质层，厚度约5μm，光滑坚硬。
