能源短缺和环境危机是当今社会关注的焦点，也是现代社会经济发展的瓶颈。地球的化石能源时代逐渐走向终结，我国的化石能源形势也十分严峻。能源供需紧缺将制约经济和社会的发展，寻找新的、可再生能源已成为我国的当务之急。对比化石能源，生物质能因其可再生、资源丰富、生态环境友好而逐渐成为能源产业的新生力量，在当今社会经济发展中扮演着重要角色。目前，生物质能源主要包括固态生物质燃料、液态生物质燃料和气态生物质燃料。生物质固体燃料因生产工艺简单，产业化和规模化实现容易，产品易储存、运输、使用方便、清洁环保、燃烧效率高等优点，已成为生物质能源家族的一个重要成员。

根据原料的来源不同，生物质颗粒燃料原料可分为农业剩余物、林业剩余物、水生植物、人畜粪便和生活有机垃圾、城市和工业有机废弃物等。Abasaeed(1992)论证农业剩余物—棉花秸秆可作为苏丹生物质能源的主要原料，得出棉花秸秆颗粒燃料炭化后不会对环境产生影响，是一种可被社会接受的燃料，同时解决了棉花秸秆的废弃物问题。Demirbas等(2004)利用一些废弃的材料制备生物质颗粒燃料，并对其水分含量、强度、热值、耐水性能等进行测量，得出原料含水率增加，燃料的物理性能有所增加。罗娟等(2010)对北京地区8种典型的生物质颗粒燃料进行燃烧性能测试，得出挥发分含量越高、含水率越低，生物质颗粒燃料所需的点火时间越短。目前，我国生产生物质固体燃料的原料见图 1。

1 竹材是我国研究和开发生物质固体燃料的潜力资源 1.1 竹子生长速度快

竹子是世界上生长最快的植物之一。竹子的每一节都是一个生长点，都在同时生长，慢时每昼夜高生长20~30 cm，快时每昼夜高生长150~200 cm。毛竹(Phyllostachys edulis)30~40天可长高15~18 m，巨龙竹(Dendrocalamus giganteus)100~120天可长高30~35 m。竹子一般在造林后3~5年即可成林，具备生物量生产的能力。

1.2 我国竹子种类多，竹材储蓄量大

我国的竹材资源十分丰富，蓄积量巨大。竹林在我国被称为“第二森林”，竹林面积在世界上居第2位，竹林产量在世界上居第1位。据统计，世界有竹类植物70余属、1 200余种，全球竹林面积约2 200万hm²，年生产竹材约1 500万~2 000万t。我国共有竹种40个属，530余种竹子种类，现有竹林总面积538.1万hm²，其中，毛竹林面积约为300万hm²。竹材年产量1 800万t，年伐竹量约850万t，其中商品竹约600万t。

1.3 我国竹材资源分布广

世界竹林主要分布在热带和亚热带地区，少数分布在温带和寒带地区。按地理位置分布可分为亚太竹区、美洲竹区和非洲竹区三大竹区。我国竹林分布广泛，但具有明显的地带性和区域性，集中分布于浙江、江西、安徽、湖南、湖北、福建、广东、广西、贵州、四川、重庆、云南等地。根据地理位置，我国的竹资源可分为4个竹区：1)黄河-长江竹区，位于30°—40°N之间，主要有刚竹属(Phyllostachys)、苦竹属(Pleioblastus)、箭竹属(Sinarundinaria)、赤竹属(Sasa)和青篱竹属(Arundinaria)等竹种；2)长江-岭南竹区，位于25°—30°N之间，主要有刚竹属、苦竹属、短惠竹属(Ologoatachyum)、大吊竹属(Indosa)、慈竹属(Neosino)和方竹属(Chimonobambusa)等竹种；3)华南竹区，位于10°-20°N之间，主要有牡竹属(Dendrocalamus)、藤竹属(Dinochloa)、梨竹属(Melocanna)等竹种；4)西南高山竹区，主要有方竹属、箭竹属、玉山竹属(Yusgania)、慈竹属等竹种(江泽慧，2002)。

1.4 竹材整竹可制备生物质固体燃料

竹材具有直径小、壁薄中空、尖削度大等结构特性，使得竹材的工业化利用率较低，60%以上竹材变成废弃物。在竹材壁厚方向上，竹材又分为竹青(竹材的外侧)、竹黄(竹材的内测)和竹肉(竹材的中间部位)3部分。三者在显微结构、化学成分和物理力学性能上差异很大，使其不能同时进行工业化利用。例如在竹复合材料领域，一般要先去除竹材的竹青和竹黄部分，仅对竹肉部分进行工业化利用，增加了加工难度，降低了生产效率。若利用竹材制备生物质固体燃料，可将竹材整竹利用，将大大提高竹材的工业化利用率，有利于搭建资源节约型竹产业。

2 制备竹材颗粒燃料可行性的理论分析 2.1 竹材的显微构造满足生物质颗粒燃料成型条件

细胞是构成竹材的基本单元。竹材的生长发育过程是通过细胞的不断分裂和扩大，使得其体积和质量不断增加的过程。木竹材的细胞壁结构类似，均是由初生壁和次生壁组成。初生壁的微纤丝排列总体上呈无定形的网状结构，而次生壁按其微纤丝角的排列方向均分为S₁层、S₂层和S₃层。竹材细胞壁均可逐一分解成大纤丝或粗纤丝(0.4~1.0 μm的丝状结构)、微纤丝(10~30 nm的丝状结构)、纤维素分子链(包括结晶区和非结晶区)、纤维素分子和构成纤维素的分子团。竹材的显微结构特性满足生物质固体燃料的成型条件。如图 2所示，在压缩初期，压力传递至竹材颗粒，使松散堆积的竹材颗粒排列结构发生改变，竹材颗粒内部空隙率减小。当压力逐渐增大时，大粒径的竹材粒子在压力作用下破碎成细小的粒子，细小粒子开始充填空隙，粒子间通过分子吸引力或静电引力连接起来。随着压力的进一步增加，粒子间紧密接触，互相啮合，形成了桥接。同时，竹材颗粒发生变形或塑性流动，一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。Nalladurai等(2010)分析了玉米秸秆颗粒燃料的结合形式，指出玉米秸秆颗粒间主要通过桥接到一起。

2.2 竹材细胞壁物质的化学组成满足生物质颗粒燃料成型条件

竹材细胞壁主要由纤维素、半纤维素和木质素以及一些抽提物和灰分组成。纤维素分子链聚集成束并以排列有序的微纤丝状态存在于细胞壁中，起骨架物质作用；半纤维素以无定形状态渗透在骨架物质中，起基体黏接作用；木质素填充在纤维素和半纤维素之间，可使细胞壁坚硬。木竹材细胞壁物质化学组成的基本构成单元类似。木竹材纤维素均由吡喃葡萄糖单体聚合而成，在1-4碳原子上以β-甙键连接；半纤维素是由木糖、甘露糖、半乳糖、阿拉伯糖和葡萄糖等多糖组成的一种聚合物；木质素的构成单元是苯基丙烷—一种非结晶性的、三维网状结构高聚物(徐有明，2006)。在一定含水率条件下，木质素的软化点较低，软化后形成胶体物质，在竹材颗粒燃料成型过程中起到黏接剂功能，可黏附和聚合竹材颗粒，提高竹材颗粒燃料的结合强度和耐久性(Liu et al., 2012)。Wolfgang等(2011)利用DMA分析了麦草秸秆中无定性物质的热转变，指出其木质素的软化温度约为53 ℃。半纤维素、木质素和蛋白质等成分是竹材中主要的无定性物质，软化这些物质有助于提高生物质颗粒燃料的强度。

目前，国内外利用木材制备生物质固体燃料的生产技术相对成熟。如Sayed等(1992)利用3种不同的温度预处理木屑，并研究其颗粒燃料的成型过程。Taulbeea等(2009)研究了煤粉和木屑颗粒燃料的压缩成型工艺，考察了胶黏剂用量、木屑种类、成型压力、煤粉和木屑的尺寸、原料含水率、成型压力和压缩时间对产品性能的影响。蒋剑春等(1999)研究了林业剩余物制造颗粒燃料技术。通过对比分析木竹材的细胞构造和化学组成可知，利用竹材制备生物质颗粒燃料是可行的。

2.3 竹材的热解特性表明其适合制备生物质固体燃料

生物质固体燃料燃烧是一个强烈的化学反应过程，是燃料和空气间的传热、传质过程。生物质固体燃料的燃烧过程包括水分蒸发、挥发物燃烧和焦碳燃烧等过程。燃烧时，必须有足够的热量供给和适当的空气供应，使生物质材料首先热解出可燃的挥发物，并在空气中燃烧。因此，生物质材料中可燃性挥发物的热解温度越低，越有利于生物质固体燃料的燃烧。作者分析7种竹材[毛竹、慈竹(Neosinocalamus affinis)、绿竹(Dendrocalamopsis oldhami)、水竹(Phyllostachys heteroclada)、麻竹(Dendrocalamus latiflorus)、粉单竹(Lingnaniachungii var. petilla)和撑篙竹(Bambusa pervariabilis)]和人工林杉木(Cunninghamia lanceolata)的热解特性，结果发现7种竹材与人工林杉木的热解过程类似，热解过程包括失水干燥、预热解、快速热解和残余物缓慢热解4个阶段。但每个热解阶段，竹材的热解温度低于人工林杉木，表明竹材热解时，其可燃性挥发物较人工林杉木更易热解析出，其生物质固体燃料更易燃烧。

3 竹材颗粒燃料的制备和性能测试 3.1 竹材颗粒燃料的制备

基于上述分析，本研究以毛竹(采自于美国路易斯安那州，初含水率约为6.13%，气干密度约为0.65 g·cm^-3)为原料，毛竹首先被切割成40 mm(纵向)×(3~8) mm(径向)×(20~30) mm(弦向)试件，利用木材粉碎机制备竹材颗粒，并通过机械筛选获得3种粒径的竹材颗粒。利用L-175型常温滚压式生物质颗粒燃料成型机研究制备竹材颗粒燃料，试验设计见表 1。

竹材颗粒燃料成型过程如下：1)本试验选择3种颗粒大小的竹材原料，其中，PS1的竹材颗粒粒径大于1.18 mm，PS2的竹材颗粒粒径介于0.84~1.18 mm之间，PS3的竹材颗粒粒径小于0.84 mm。2)将上述3种粒径大小的竹材颗粒分别放入恒温恒湿室内进行调湿处理。为了获得含水率分别约为8%和12%的竹材颗粒，设定恒温恒湿室的参数为温度27 ℃、相对湿度为65%和90%。对于含水率16%的竹材颗粒，通过增加定量蒸馏水的方式调解其含水率。3)将上述调湿处理的竹材颗粒放在密封袋，并在温度为27 ℃，相对湿度为65%的恒温恒湿室内平衡48 h，使竹材颗粒的含水率分布均匀。4)设定常温滚压式生物质颗粒燃料成型机的转数为220 r·min^-1。5)采用手动的进料方式将竹材颗粒连续地加入生物质颗粒燃料成型机内进行竹材颗粒燃料的制备。将制备好的竹材颗粒燃料放在实验室内7天，待其性能稳定后再进行性能测定。

3.2 测试结果

根据美国燃料协会《民用/商用生物质颗粒燃料》和德国国家标准《木质颗粒燃料》对竹材颗粒燃料性能进行检测和评价。

3.2.1 含水率对竹材颗粒燃料性能的影响

不同含水率制备的竹材颗粒燃料的性能见表 2。竹材颗粒燃料的平均长度在11.69~12.71 mm之间变化。颗粒燃料的长度影响其燃烧时的进料性能，颗粒燃料长度越短，燃烧时越容易连续流动进料。3种含水率(8%，12%和16%)条件下，竹材颗粒燃料的直径差异较小，其值分别为6.09，6.03和6.04 mm。产生差异的原因是颗粒内部水分移动破坏其成型过程中形成的黏接(Mahapatra et al., 2010)。生物质颗粒燃料的尺寸是影响其燃烧性能的主要影响因子。实际经验表明，尺寸小的颗粒燃料具有更加稳定的燃烧速度，特别是在小的燃烧炉内(Lehtikangas，2001)。竹材颗粒燃料的吸湿性在10.95%~11.35%之间变化，吸湿性与水分在其内部移动的难易密切相关。3种含水率条件下制备的竹材颗粒燃料内部空隙不同，空隙越大，水分在其内部移动越容易；空隙越小，水分在其内部移动越难。竹材颗粒燃料的单元密度和堆积密度随其含水率的增加而增加，3种含水率水平下，竹材颗粒燃料单元密度和堆积密度分别为1.05，1.14，1.20和0.52，0.63，0.65 g·cm^-3。生物质颗粒燃料的运输和存储效率与其堆积密度密切相关，堆积密度的增加可提高运输效率、降低存储空间。竹材颗粒燃料的抗破碎性随着其含水率的增加而降低，其耐久性随着竹材含水率的增加而增加。3种含水率水平下，竹材颗粒燃料的耐久性分别为95.07%，97.95%和98.38%。单元密度是影响竹材颗粒燃料抗破碎性和耐久性的重要因子，竹材颗粒燃料单元密度越大，其耐久性越好，抗破碎性越好。竹材颗粒燃料的灰分含量在1.34%~1.46%之间波动。生物质颗粒燃料的灰分含量与其矿物质成分和燃烧过程密切相关(Dick et al., 2007)。在生物质颗粒燃料成型过程中，生物质成分中有机物质含量降低可能导致其灰分含量增加。对于含水率高的竹材材料，水分在成型过程中使竹材颗粒更容易通过成型孔，其有机物质成分降低少。因此，含水率为16%的竹材制备的颗粒燃料灰分含量最低，最后为含水率为8%的竹材。不同含水率条件下制备竹材颗粒燃料的燃烧热值变化不大，其值分别为18 465，18 438和18 457 J·g^-1。产生差异的原因是不同条件下制备竹材颗粒燃料的含水率不同，燃烧过程中部分热量被用于蒸发其内部的水分，造成了热量损失。

3.2.2 颗粒粒径对竹材颗粒燃料性能的影响

不同颗粒粒径制备的竹材颗粒燃料的性能见表 3。竹材颗粒燃料的平均长度随着竹材粒径的增加而降低。在3种粒径(PS1，PS2和PS3)条件下，试件长度分别为12.62，12.24和11.94 mm；竹材颗粒燃料的直径差异较小，其值分别为6.05，6.06和6.05 mm。竹材颗粒燃料的吸湿性随竹材粒径的变化而变化，主要是竹材颗粒内部孔隙结构不同和3种竹材颗粒的比表面积不同造成的。当水分接触到竹材颗粒表面时，同时发生吸附、扩散和渗透。竹材颗粒燃料内部空隙结构影响水分的移动，当竹材的粒径越大时，制备的竹材颗粒燃料内部空隙的体积越大和数量越多，水分的移动越容易。竹材颗粒燃料的单元密度和堆积密度随竹材粒径的增加而降低，但3种粒径条件下其变化不大。竹材颗粒燃料的抗破碎性随着竹材粒径率的增加而降低，其抗破碎性的最低值出现在竹材粒径为PS3的水平上，最后为竹材粒径为PS1。竹材颗粒燃料耐久性随着竹材粒径的增加而增加，3种粒径条件下，其值分别为97.96%，97.21%和96.38%。主要原因为竹材粒径越小，越容易通过生物质颗粒成型机的成型孔，导致竹材颗粒燃料的机械强度越低。竹材颗粒燃料的灰分含量随竹材颗粒粒径的增加而降低，3种粒径下其灰分含量分别为1.45%，1.38%和1.32%。3种粒径下制备竹材颗粒燃料的燃烧热值变化不大，其值分别为18 463，18 464和18 434 J·g^-1。竹材颗粒燃料的燃烧热值满足德国标准《木质颗粒燃料》中规定的商业用颗粒燃料燃烧热值的最低值(>17 500 J·g^-1)的要求(Faizal et al.，2010)。

4 结论

在未来的能源消耗中，氢能、太阳能、风能、生物质能和海洋热能被认为可替代传统化石能源的几种主要能源，其中，唯有生物质能是碳基、可再生的清洁能源。由于生物质的种类繁多和分布广泛等特点，生物质能源已成为各国世界能源可持续发展战略的重要组成部分，在世界能耗中，生物质能耗占能源总量的14%左右，特别是一些不发达地区，生物质能耗占能源总量的60%以上。

作为一种生物质资源，竹材在我国的储存量大、分布广泛，是我国开发利用生物质固体燃料的潜力资源。本研究制备的竹材颗粒燃料所有性能均能满足美国颗粒燃料协会标准《民用/商用生物质颗粒燃料》的要求，其燃烧热值也满足德国标准《木质颗粒燃料》中规定的关于商业用生物质颗粒燃料燃烧热值的最低要求(>17 500 J·g^-1)。竹材颗粒燃料是一种新的生物质颗粒燃料，具有商业化开发潜力。