玉米秸秆氨化预处理制备成型燃料试验

摘 要：农作物秸秆是一种丰富的可再生资源。但由于其组分的差异，利用传统成型方式制取成型燃料时普遍需要高温高压条件，存在能耗高、模具磨损严重的问题，而常温成型的燃料品质又较低。为降低能耗和磨损且获得高品质的成型燃料，并探索对玉米秸秆进行氨化预处理制备成型燃料的可行性，采用单因素试验设计，分别研究氨化加水量、尿素添加量、废弃大豆粉添加量、氨化温度、氨化时间对成型燃料密度和抗破碎性的影响。试验结果表明：尿素添加量和氨化温度对成型燃料的密度和抗破碎性影响较大，氨化加水量对成型燃料的密度有一定影响，废弃大豆粉添加量对成型燃料的抗破碎性影响较大，氨化时间对成型燃料的密度和抗破碎性影响较小。

关键词：玉米秸秆；氨化预处理；成型燃料

中图分类号：S216.2 文献标志码：B 文章编号：1674-7909（2023）19-145-3

0 引言

黑龙江省农作物秸秆产量高，生物质资源量大。2018年，黑龙江省农作物秸秆总产量超过1亿 t［1］，秸秆综合利用超过7 200万t。玉米秸秆、水稻秸秆和大豆秸秆等农作物秸秆是黑龙江省主要的农业副产品［2］。在禁止焚烧农作物秸秆的政策出台前，为方便下一季耕种，大多数农作物秸秆在田间被直接焚烧，造成了严重的环境污染和可再生能源的损失［3-4］。而随着禁止焚烧农作物秸秆政策的出台，农作物秸秆除部分还田外，其余均离田后进行综合利用。据统计，生物质能在世界能源消费总量中约占14%［5］。近年来，随着中国“碳达峰”行动的提出，市场对低成本、清洁的可再生能源的需求不断增加［6］。探索农作物秸秆综合利用对促进农业可持续发展具有重要意义［7］。

玉米秸秆主要成分为纤维素、半纤维素与木质素，不仅可以用来制备牲畜饲料，还能用来制备燃料。但在制备成型燃料时，粉碎处理的玉米秸秆颗粒黏结性较差，成型效果差［8-10］。同时，采用传统成型方式制备成型燃料时普遍需要高温高压条件，存在能耗高、模具磨损严重的问题，且常温成型的燃料品质较低，在处理、运输与贮藏利用过程中常常由于颗粒强度不够而易破碎。基于此，笔者开展玉米秸秆氨化预处理制备成型燃料的试验研究，以期提升玉米秸秆制备成型燃料的效率和成型效果，为玉米秸秆制备成型燃料提供一定参考，助力提高玉米秸秆综合利用率。

1 试验材料与方法

1.1 供试材料

试验时间为2023年4月，利用粉碎机将玉米秸秆粉碎、筛分，获得粒径为0～1.5 mm的玉米秸秆作为试验原材料；废弃大豆粉是由黑龙江省大庆市周边田地所产大豆因保存不当发生霉变后使用粉碎机制成的；选用Coolaber生产的尿素对玉米秸秆进行预处理。

1.2 试验设计

1.2.1 氨化加水量单因素试验设计

先将粉碎的玉米秸秆1.5 g、蒸馏水、尿素、废弃大豆粉放入500 mL锥形烧瓶中充分混合，设计蒸馏水添加量分别为玉米秸秆质量的30%、40%、50%、60%、70%，尿素添加量为玉米秸秆质量的6%，废弃大豆粉添加量为玉米秸秆质量的6%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，将密封的烧瓶放入烘箱或生化培养箱中，设计氨化时间为8 d、氨化温度为45 ℃，对玉米秸秆进行预处理。

1.2.2 尿素添加量单因素试验设计

先将粉碎的玉米秸秆1.5 g、蒸馏水、尿素、废弃大豆粉放入500 mL锥形烧瓶中充分混合，设计尿素添加量分别为玉米秸秆质量的0%、3%、6%、9%、12%，废弃大豆粉添加量为玉米秸秆质量的6%，氨化加水量为玉米秸秆质量的60%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，将密封的烧瓶放入烘箱或生化培养箱中，设计氨化时间为8 d、氨化温度为45 ℃，对玉米秸秆进行预处理。

1.2.3 废弃大豆粉添加量单因素试验设计

先将粉碎的玉米秸秆1.5 g、蒸馏水、尿素、废弃大豆粉放入500 mL锥形烧瓶中充分混合，设计废弃大豆粉添加量分别为玉米秸秆质量的0%、3%、6%、9%、12%，尿素添加量为玉米秸秆质量的6%，氨化加水量为玉米秸秆质量的60%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，将密封的烧瓶放入烘箱或生化培养箱中，设计氨化时间为8 d、氨化温度为45 ℃，对玉米秸秆进行预处理。

1.2.4 氨化温度单因素试验设计

先将粉碎的玉米秸秆1.5 g、蒸馏水、尿素、废弃大豆粉放入500 mL锥形烧瓶中充分混合，设计氨化加水量为玉米秸秆质量的60%，尿素添加量为玉米秸秆质量的6%，废弃大豆粉添加量为玉米秸秆质量的6%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，将密封的烧瓶放入烘箱或生化培养箱中，设计氨化时间为8 d，氨化温度分别为25、35、45、55、65 ℃，对玉米秸秆进行预处理。

1.2.5 氨化时间单因素试验设计

先将粉碎的玉米秸秆1.5 g、蒸馏水、尿素、废弃大豆粉放入500 mL锥形烧瓶中充分混合，设计氨化加水量为玉米秸秆质量的60%，尿素添加量为玉米秸秆质量的6%，废弃大豆粉添加量为玉米秸秆质量的6%；然后用聚四氟乙烯螺帽密封，将密封的烧瓶放入烘箱或生化培养箱中，设计氨化时间分别为4、6、8、10、12 d，氨化温度为45 ℃，对玉米秸秆进行预处理。

将经过不同氨化预处理后的玉米秸秆于105 ℃条件下烘干后，调节其含水率为10%（干基），装入采样袋密封后作为原料制备成型燃料，对燃料进行相关指标测定。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 燃料密度

将经过氨化预处理后的玉米秸秆制成成型燃料后，使用千分天平和游标卡尺分别测定成型燃料的质量（m）和体积（v），并计算燃料密度（ρ），计算公式为

ρ=m/v （1）

1.3.2 燃料抗破碎性

先使用千分天平称取成型燃料质量（m1），然后取燃料放入抗破碎测试仪，以50 r/min转动5 min，再次称取燃料质量（m₂），计算燃料抗破碎性DU，计算公式为

DU=m₂/m₁×100% （2）

1.4 数据处理与分析

利用Origin 8.1对试验数据进行统计分析。

2 试验结果与分析

2.1 氨化加水量对成型燃料密度和抗破碎性的影响

由图1可知，成型燃料的密度随着氨化加水量的增加先增大后减小，氨化加水量为玉米秸秆质量的60%时，成型燃料的密度最大。成型燃料的抗破碎性随着氨化加水量的增加发生一定变化，但变化幅度较小，说明氨化加水量对成型燃料的抗破碎性影响较小。

2.2 尿素添加量对成型燃料密度和抗破碎性的影响

由图2可知，成型燃料的密度随着尿素添加量的增加而增大，尿素添加量为0时，成型燃料的密度最小；尿素添加量为玉米秸秆质量的12%时，成型燃料的密度最大。尿素添加量为0时（不进行氨化处理），成型燃料的抗破碎性最差；尿素添加量为玉米秸秆质量的3%～12%时（进行氨化处理），成型燃料的抗破碎性明显强于未进行氨化处理的成型燃料。

2.3 废弃大豆粉添加量对成型燃料密度和抗破碎性的影响

由图3可知，废弃大豆粉添加量为玉米秸秆质量的0%～12%时，成型燃料的密度变化幅度较小，说明废弃大豆粉添加量对成型燃料密度的影响较小。废弃大豆粉添加量为0时，成型燃料的抗破碎性最小；废弃大豆粉添加量为玉米秸秆质量的3%～12%时，相比于废弃大豆粉添加量为0时，成型燃料的抗破碎性大幅度增强。

2.4 氨化温度对成型燃料密度和抗破碎性的影响

由图4可知，随着氨化温度的升高，成型燃料的密度先增大后减小，氨化温度为55 ℃时，成型燃料的密度最大。氨化温度为25～55 ℃时，成型燃料的抗破碎性随着氨化温度的升高而逐渐增强，25 ℃时抗破碎性最小，55 ℃时抗破碎性最好。

2.5 氨化时间对成型燃料密度和抗破碎性的影响

由图5可知，在不同氨化时间处理下，成型燃料的密度变化幅度较小，说明氨化时间对成型燃料的密度基本没有影响。整体上，成型燃料的抗破碎性随着氨化时间的增加略微减弱，但变化幅度较小，说明氨化时间对成型燃料的抗破碎性影响较小。

3 结论与讨论

此次研究探索了玉米秸秆进行氨化预处理制备成型燃料的可行性，并采用单因素试验设计，分别研究了氨化加水量、尿素添加量、废弃大豆粉添加量、氨化温度、氨化时间对成型燃料密度和抗破碎性的影响。试验结果表明，尿素添加量和氨化温度对成型燃料的密度和抗破碎性影响较大，氨化加水量对成型燃料的密度有一定影响，废弃大豆粉添加量对成型燃料的抗破碎性影响较大，氨化时间对成型燃料的密度和抗破碎性影响较小。

参考文献：

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