通过木屑、芒草和小麦秸秆的共同处理制备的燃料块：物理化学性质

《Industrial Crops and Products》：Fuel briquettes produced via the co-treatment of wood sawdust, miscanthus and wheat straw: Physicochemical properties

本研究通过液压机成型木屑、芒草和麦秆的混合物，系统研究压力、颗粒大小和混合比例对燃料 briquettes 的密度、机械强度、化学成分及燃烧性能的影响。结果表明：高压和小颗粒能显著提高密度和抗冲击性，而木屑比例增加可降低点火时间并提高燃烧热值。创新性提出多层 briquettes 设计，外层高木屑确保快速点燃，内层芒草和麦秆延长燃烧时间，综合性能优于传统单层 briquettes 和商业燃料。

　　### 生物质废弃物和能源作物制备致密燃料的综合分析

在全球范围内，化石燃料的消耗导致了温室气体排放的持续增长，这引发了对替代能源的广泛关注。与此同时，传统生物质资源的过度开发，特别是在人口迅速增长的背景下，导致了森林砍伐，进而加剧了气候变化。因此，通过有效的处理方法将生物质废弃物或能源作物转化为高质致密燃料，成为一种极具潜力的解决方案。这类燃料不仅具有可再生性和碳中性（如García等，2019所述），还具有较低的氮和硫含量（如Li等，2020所述），并且具备经济可行性和广泛分布的潜力。然而，直接燃烧木质纤维素生物质面临挑战，因为其热效率较低（Demisu和Muluye，2024）。此外，生物质的堆密度通常较低（范围为80至200 kg·m?3，如Gong等，2023所述），使其在松散状态下的处理、运输和储存更加复杂。这在一定程度上限制了其在能源供应领域的经济可行性。然而，通过使用多种复杂的转换过程，包括催化过程，生物质可以被高效地转化为清洁燃料和高附加值化学品（如Wang等，2022，Qiu等，2022，Yan等，2025a和Yan等，2025b所述）。在此背景下，致密化技术因其能够将干物质（含水量5-10%）转化为具有改进特性的均匀固体燃料（如高能量密度）而显得尤为引人注目（如Gong等，2023和Yunusa等，2024所述），以满足家庭、商业和工业能源的需求，同时替代木柴和炭。

#### 致密化技术的现状与挑战

致密化是一种多步骤的过程，涉及生物质干燥、粉碎、压块、冷却和储存（如Asamoah等，2016和Yunusa等，2024所述）。几十年来，木屑一直被视为生产压块的主要资源（如Ibitoye等，2023所述）。然而，由于需求增长和获取这类特定生物质的资源竞争，林业和农业废弃物（如木屑、小麦秸秆和Miscanthus）以及能源作物（如Miscanthus）被越来越多地用于生产致密燃料。这些生物质类型因其独特的物理和化学特性而受到关注，它们不仅能够影响压块的特性，还能通过多种致密化技术（如液压或机械压块机）进行有效处理。压块的性能显著依赖于生物质类型、原料特性（如颗粒尺寸）以及致密化参数（如压缩力），如Eling等（2024）、Mani等（2006）、Okot等（2018）和Yunusa等（2024）的综述所指出的。

#### 研究目的与创新点

本研究旨在分析压块的原料类型、颗粒尺寸、混合比例和压缩力对燃料压块各种特性的综合影响。具体而言，这些特性包括密度（ρ）、冲击和水阻力指数（IRI和WRI）、灰分（AC）、挥发性物质（VMC）和固定碳（FCC）含量、净热值（NCV）、点火时间和燃烧时间（IT和BT）以及燃烧速率（BR）。研究的创新点在于，它使用了包含2种和3种成分的混合物，而大多数先前发表的研究仅涉及2种成分（如Kamdem等，2025所述）。此外，本研究还考虑了广泛变化的生物质资源，包括木屑（S）、Miscanthus（M）和小麦秸秆（WS），这些生物质在加拿大广泛可用。值得注意的是，虽然我们最近在Kamdem等（2025）中进行了类似研究，但当时仅使用了木屑和稻壳，而本研究则涵盖了三种生物质。此外，虽然Kamdem等（2025）使用了工业级自动化机械活塞压块机，但本研究则采用实验室规模的设备。这一全面研究引入了一种创新的致密化方法，即通过将具有不同特性的压块配方组合在压块的外层和中层，生产多层致密燃料。这种多层方法在实际烹饪和加热应用中可能具有实践意义，因为它可能提供更符合快速点火和持续燃烧需求的产品。因此，这种多层概念可能会为未来的发展带来新的思路，因为据我们所知，目前还没有关于使用能源作物和生物质废弃物生产高质量致密燃料的类似研究。

#### 材料与方法

本研究选择了木屑、Miscanthus和小麦秸秆作为原料，因为它们在魁北克地区相对丰富且易于获取。这些材料从当地的木材加工厂和农场获取，并使用Retsch SM300切割机将其粉碎为小于2.5 mm的颗粒。随后，这些颗粒经过筛分，以获得两种不同的尺寸分级（<1.25 mm和1.25-2.5 mm），如图1a到c所示。为了分别测量这些材料的含水率、灰分和挥发性物质含量以及净热值，采用了ASTM E-871、D-1102、E-872和D2015–96标准。

对于多层压块的生产，采用了不同的工艺。具体来说，每个外层分别由2.0±0.1 g的材料（通常为具有较低点火时间的原料）制成，而中层则由11.0±0.1 g的生物质和/或燃料混合物制成，其具有较长的燃烧时间。这三部分首先被叠加在压块模具中，然后按照上述方法进行压缩，从而生产出15 g的压块。所有在此研究中生产的燃料样品都具有相同的直径（50 mm），而高度则根据致密化参数的变化有所不同。

为了对实验设计的结果进行统计分析，我们进行了比较方差分析（ANOVA）并使用了后置Tukey诚实显著性差异检验。此外，还进行了配对t检验，以比较多层压块与单层配方在组成上相同的情况下性能差异。所有分析均使用Minitab统计软件版本22进行，显著性水平设为0.05。

#### 压块样品的表征

压块的物理和机械特性表征包括对其表观密度（ρ）、冲击阻力指数（IRI）和水阻力指数（WRI）的测量。用于评估这些特性的方法如下：首先，使用数字天平（Sartorius，BCE6202 – 1S）测量样品的初始质量（W1），然后使用数字卡尺测量其直径（DB）和高度（HB）。密度计算公式为：ρ = W1 / (π × DB2 / 4 × HB)。冲击阻力指数通过将样品从2米高度三次自由下落并称重后计算，具体步骤如Antwi-Boasiako和Acheampong（2016）、Kpalo等（2022）和Shahmirzadi等（2024）所述。它由初始质量（W1）和样品在标准筛（2.36 mm开口）中保留的质量（W2）计算得出，即IRI = 100 × (W2 / W1)。水阻力指数通过将样品浸入1升常温水30秒后重新称重来评估，如Kamdem等（2025）和Law等（2018）所述。初始质量（W1）设定为约10 g，最终质量（W2）则通过将样品冷却后称重得到。水阻力指数计算公式为：WRI = 100 × (1 - (W2 - W1) / W1)。

压块的化学和热特性包括其近似分析和净热值（NCV）的评估，以及点火时间（IT）、燃烧时间和燃烧速率（BR）的测量。用于估算灰分和挥发性物质含量的方法与Akam等（2024）和Sunnu等（2023）所述相似。具体而言，灰分含量（AC）通过将1 g干燥的燃料放入坩埚中，然后在550°C的炉子中加热2小时，直至碳被去除，之后将样品取出并冷却在干燥器中，再称重以计算灰分含量。挥发性物质含量（VMC）则通过将1 g样品放置在坩埚中，先在105°C的烘箱中烘干，再在550°C的炉子中加热10分钟，最后将样品冷却后称重，以计算其挥发性物质含量。固定碳含量（FCC）则通过差值计算得出，如Akam等（2024）所述。此外，还通过添加性规则对理论灰分和挥发性物质含量进行了估算，以进行比较和验证测量数据的一致性。

为了评估燃烧特性，我们使用了图3所示的实验装置，该装置用于测量点火时间（IT）。该实验设置包括一个夹具，用于固定待测样品，并使用Porta-Lab PRO-2121实验室手持火炬（以丁烷为燃料）对样品进行加热。在测试过程中，压块被火炬加热20秒，然后通过测量高热暴露开始到火焰形成的时间来评估点火时间。燃烧时间（BT）和燃烧速率（BR）的评估方法则源自Abdulkareem等（2018）和Thabuot等（2015）的描述。在测试中，已知质量的样品（W1设定为30 g）被放置在钢丝网架上并点燃。在整个氧化过程中，使用秒表记录样品完全燃烧所需的时间，并在样品冷却后称重，以确定剩余质量（W2）。燃烧时间（以分钟为单位）计算为总燃烧时间减去点火时间，而燃烧速率（以g·min?1为单位）则通过公式BR = (W1 - W2) / BT计算得出。

#### 结果与讨论

##### 致密化参数对压块性能的影响

图4总结了使用S/M、S/WS和M/WS混合物制备的压块的表观密度（ρ）测量结果，其中压缩力分别设定为225 kN和450 kN。根据实验设计的统计分析结果（见补充材料中的表SM3），可以看出压缩力显著影响压块的密度。具体而言，将压缩力从225 kN增加到450 kN，所有测试配方的密度平均增加了约18%。这一趋势与Mani等（2006）、Mitchual等（2013）和Okot等（2018）的研究结果一致，可以归因于颗粒在压缩过程中经历的弹性变形和塑性变形，从而形成强固的桥接结构（如Demisu和Muluye，2024；Gong等，2023；Yunusa等，2024所述）。

颗粒尺寸对密度的影响同样显著。如图4所示，颗粒尺寸越小，表观密度越高。这一结果与Kamdem等（2025）的研究一致，其中发现颗粒尺寸减小会导致压块密度增加。这种现象可能与颗粒间的空隙减少以及接触面积增加有关。此外，混合比例对压块密度也有显著影响。具体而言，S/M和S/WS混合物中S的含量越高，压块的密度越高。例如，将S和M的重量百分比从0%增加到100%，同时设定压缩力为450 kN，ρ从797.44±1.11增加到1120.98±1.09 kg·m?3，而将S和WS的重量百分比从0%增加到100%，同时设定压缩力为450 kN，ρ从797.44±1.11增加到963.97±0.81 kg·m?3。这些结果与Lu等（2014）和Lehmann等（2012）的研究一致，他们指出S/WS和S/M混合物的密度随着S含量的增加而增加。这一趋势可以归因于所考虑的原料的木质素含量，其顺序为S（26.1 wt%）> M（12.8 wt%）> WS（10.9 wt%），其中木质素在压块中起着天然粘结剂的作用（如Gong等，2023和Kaliyan和Vance Morey，2009所述）。

值得注意的是，重复样本（即在第2.3节中列出的样本）的表观密度与其他测量特性相同，将在第3.1.1.2至3.1.1.4节中进一步讨论。这表明本研究中的生产测试具有高度可重复性，尽管这一方面并未进一步探讨。

总体而言，我们发现的密度值（范围为510.66±0.23至1120.98±1.09 kg·m?3）与文献中报道的由木屑、Miscanthus和小麦秸秆生产致密燃料的数据（即600至1210 kg·m?3）一致。这不仅加强了我们研究结果的一致性，还表明在S/M和S/WS混合物中，高比例的S以及在M/WS混合物中高比例的M应被优先考虑。这是因为密度反映了单位能量的运输需求，更高的密度在将生物质转化为燃料压块时尤其重要。

##### 灰分

如图5a、d、g、j、m和p所示，较小的颗粒尺寸导致较高的灰分含量，这一点由ANOVA（见补充材料中的表SM3）得到证实。例如，在S/M和M/WS混合物中，当颗粒尺寸从<1.25 mm增加到1.25-2.5 mm时，灰分含量从3.64±0.34到1.98±0.12 wt%（对于S/M混合物）以及从5.98±0.52到3.02±0.01 wt%（对于M/WS混合物）有所减少。而压缩力对灰分含量没有显著影响，这一点由ANOVA结果（S/M混合物F(1112)=0.42，p=0.520；S/WS混合物F(1112)=0.32，p=0.575；M/WS混合物F(1112)=0.32，p=0.573）得到证实。这一观察与预期一致，因为压缩力作为操作参数，不会影响压块的矿物组成。ANOVA还得出结论，如图5a、d、g、j、m和p所示，混合比例对压块的灰分含量有显著影响（S/M混合物F(4112)=83.80，p<0.001；S/WS混合物F(4112)=85.54，p<0.001；M/WS混合物F(4112)=10.82，p<0.001）。具体而言，M和WS的重量百分比越高，灰分含量越大，这与农业残渣和能源作物通常比木质生物质含有更多灰分的事实一致（见表1）。这一结果也与Mohammadi等（2023）的研究一致，他们发现由木屑和Miscanthus制备的致密燃料的灰分含量随着Miscanthus含量的增加而增加。

此外，值得注意的是，通过使用公式（6）计算的灰分值与实际测量值之间的强正相关性。如图SM1所示，计算的灰分值与测量值之间的相关系数（r2）分别为0.92、0.99和0.95，表明压块的灰分含量与原料的灰分含量成正比。这支持了本研究中进行的测量，如Hossain等（2024）、Spirchez等（2019）和Stolarski等（2013）的研究结果所示。总体而言，本研究显示，使用PS2和高比例的S应被鼓励，以实现较低的灰分含量和改进的压块质量。灰分是生物质燃烧过程中产生的固体残渣，不仅会降低固体燃料的净热值，还可能含有重金属，这些重金属可能会影响燃烧系统的运行，导致沉积物形成并加速锅炉材料的退化（如Eriksson等，2018所述）。此外，农业残渣衍生的灰分通常具有较低的熔点，增加了熔渣形成的风险，进一步证明了减少灰分含量以生产高质量致密燃料的重要性（如Dinesha等，2019所述）。对于木屑压块，DIN EN ISO 17225–3标准特别指出，灰分含量应等于或低于1.0 wt%（如ISO 17225–3，2021所述），这在本研究中对于颗粒尺寸为1.25-2.5 mm的样品中得到了满足，无论考虑哪种压缩力。对于包含M和WS的压块，其灰分含量通常高于上述推荐值，尽管不超过7%，这使得这些致密燃料更适合小规模应用，如使用传统三石炉的烹饪，其中上述问题不是主要考虑因素。值得注意的是，基于废弃物的压块（如椰子纤维、食品废弃物或污泥）通常具有较高的灰分含量（通常为4-8%），这是由于原料受到土壤污染（如Nikiema等，2022所述）。在东非地区，尽管灰分含量通常超过20%，仍会出售由炭灰（炭交易的残渣）制成的炭化压块，这显著高于商业炭的灰分含量（8.3±1.4%）（如Njenga和Mendum，2018；Nikiema等，2022；Lomunyak等，2024所述）。此外，在农村地区，多余的灰分可以通过与堆肥混合来回收，其营养和微量元素含量为农业带来益处（如Nikiema等，2022所述）。截至目前，文献中尚未直接记录灰分对烹饪设备的负面影响。相反，几项研究表明，灰分含量并不是在发展中国家采用压块进行家庭烹饪或小型食品和工业企业的决定性因素，用户通常优先考虑价格、燃烧时间、热值和热量释放速率（如Asamoah等，2016所述）。虽然灰分可能间接影响这些指标，如本研究中所示（例如通过降低热值和减缓燃烧），但它不会直接影响用户接受度。

##### 挥发性物质

尽管颗粒尺寸和压缩力对挥发性物质含量（VMC）没有影响，但实验设计的统计分析（见补充材料中的表SM3）和图5b、e、h、k、n和q的曲线图显示，混合比例显著影响这一特性。由PS2和CF2制备的燃料中，挥发性物质含量从78.74±0.21 wt%减少到74.67±0.43 wt%，而当M和WS在S/M和S/WS混合物中的比例从0增加到100 wt%时，VMC从74.42±0.23 wt%增加到74.67±0.43 wt%。这一结果与Nath等（2024）和Stolarski等（2013）在纯木屑和小麦秸秆压块中的研究一致。此外，由于M和WS的VMC低于S（见表1），因此混合比例的增加导致VMC的增加。然而，在M/WS混合物中，混合比例对VMC的影响不显著，这可以归因于M和WS的VMC相近（见表1）。通过图SM1，我们还绘制了通过公式（7）计算的VMC与测量值之间的相关性，再次得到了强正相关性（r2为0.85-0.96），确认了如AC所述，压块的VMC与原料的VMC成正比，遵循添加性规则。本研究的结果与Kamdem等（2025）的结论一致，并进一步表明，高比例的S应优先考虑以生产反应性燃料压块。这是因为，在加热过程中，挥发性燃料和可燃性碳氢化合物通常占木柴火焰释放总能量的约三分之二（如Kumar等，2013所述），因此S含量越高，VMC越高，压块的反应性和易点火性越强（如Ajimotokan等，2019b所述）。

##### 固定碳

固定碳含量（FCC）是燃烧后释放挥发性物质后剩余的质量，排除了灰分和水分含量。它取决于颗粒尺寸和混合比例（见表SM3）。这一结果可以预见，因为灰分含量受到颗粒尺寸和混合比例的影响（见第3.1.1.2节），而后者也影响了VMC（见第3.1.1.3节）。由于FCC是通过差值计算的，因此影响灰分和挥发性物质含量的致密化参数也会对FCC产生影响。图5c、f、i、l、o和r的数据最终显示，固定碳含量的值在18.5至22.4 wt%之间变化，取决于所测试的配方。这一观察可以追溯到所使用的原料的近似分析（见Kamdem等，2025和表1）。此外，由于FCC衡量了生物质的易点火和氧化程度（如Fernandes等，2013所述），因此由大颗粒Miscanthus制成的致密燃料可能具有较慢的燃烧速率（如Akam等，2024所述），从而导致较长的燃烧时间。

##### 净热值

净热值（NCV）代表燃料在燃烧过程中释放的热量，不包括水蒸气的潜热。这一参数必须考虑在致密压块的内在质量评估中。如第2.4节所述，本研究中通过使用公式（8）基于原料的NCV计算了压块的净热值。图6显示，由小颗粒制备的压块的计算NCV从15.22±0.11和17.05±0.08 MJ·kg?1增加到18.87±0.14 MJ·kg?1，当S在S/WS和S/M混合物中的含量从0增加到100 wt%时。在M/WS混合物中，随着M比例的增加，NCV值从15.22±0.11增加到17.05±0.08 MJ·kg?1，如图6c所示。这些结果与原料的NCV排名一致：S > M > WS（见表1）。此外，由细颗粒（PS1）制备的压块显示出略低于粗颗粒（PS2）制备的压块的NCV，这与NCV受到灰分和挥发性物质含量的影响一致（如Kamdem等，2025所述）。因此，灰分含量较高的压块将倾向于表现出较低的NCV。

为了验证图6中报告的结果的一致性，我们测量了24种压块配方的净热值，确保覆盖了所有测试的运行条件。这些配方是在不同的运行条件下获得的（即CF1和CF2，PS1和PS2），并包括混合比例，其中S、M和WS在S/M、S/WS和M/WS混合物中的比例从0增加到100 wt%。绘制测量的NCV与计算的NCV之间的演变曲线得到了一条具有非常高相关系数（r2=0.99）的直线，从而确认了使用公式（8）计算的热值的可靠性（见图SM2a）。为了更详细地分析结果，我们还使用了?zyu?uran和Yaman（2017）提出的实证公式计算压块的NCV，该公式将不同类型的生物质的热值与其AC和FCC相关联。测试了?zyu?uran和Yaman（2017）提出的8个公式，然后将获得的HHV转换为NCV，通过减去燃料样品中初始水分的蒸发潜热（来自表1中的数据）以及燃烧过程中产生的水分蒸发潜热（基于燃烧反应的化学计量方程，同时考虑S、M和WS的平均元素组成，如Dhyani和Bhaskar（2018）、García等（2019）、Greenhalf等（2013）、Hossain等（2024）和Greenhalf等（2013）、Wang等（2022）的数据）。尽管所有8个提出的相关性都给出了非常接近的结果，并且与测量数据一致（如?zyu?uran和Yaman（2017）所述），并且如Kamdem等（2025）所述，Kamdem等（2025）确认了这些相关性，但公式（10）被选择，因为它显示了略微更好的性能。图SM2b显示，?zyu?uran和Yaman（2017）的实证相关性倾向于略微高估通过公式（8）计算的NCV（以及因此测量的NCV）。Kamdem等（2025）将此归因于?zyu?uran和Yaman（2017）提出的相关性是基于一个数据集，该数据集包含27个样本，其内在组成和特性与本研究中选择的原料不同。计算的NCV在图SM2b中的相关性仍可视为可接受的（尤其是考虑到用于计算的元素组成中的不确定性），并加强了AC、FCC（因此VMC，因为FCC = 100 – AC – VMC）与NCV之间的关系，如上所述。最后，值得注意的是，本研究中由纯S、M和WS制成的致密燃料的NCV与Stolarski等（2013）、García等（2019）、Hossain等（2024）和Bradna等（2016）报告的值相当，其中S的平均值为约17.14 MJ·kg?1，M的平均值为约16.52 MJ·kg?1，WS的平均值为约15.55 MJ·kg?1。这些值还满足DIN EN ISO 17225–3标准（ISO 17225–3，2021）中对木柴压块的指定值（至少为15 MJ·kg?1）。它们也处于许多发展中国家用于烹饪的木柴的上限范围内，即7至16 MJ·kg?1（如Nikiema等，2022所述）。因此，图6中的结果表明，本研究中生产的固体燃料具有相对较高的能量含量，符合传统木柴和木柴压块的标准。然而，它们的值低于通常报告的木炭值（25.0±4.3 MJ·kg?1），这是预期的，因为本研究中使用的原料未经过碳化（如Nikiema等，2022所述）。

##### 机械和燃烧特性

为了减少时间和材料消耗的分析，机械和燃烧特性仅对一系列12种压块配方进行了表征。事实上，由于我们之前证明了PS1在追求高密度压块时应被考虑（见第3.1.1.1节），因此仅考虑了由颗粒尺寸小于1.25 mm的生物质制成的样品。此外，尽管选择了两种压缩力，但仅使用了每种原料在混合物中的三种比例（即0、50和100 wt%），从而减少了测试数量，同时仍然覆盖了前面各节中研究的整个混合比例范围。

##### 水阻力指数

图7a、b和c的曲线图显示，当压缩力增加时，水阻力指数（WRI）增加。例如，当S/WS混合物中WS的重量百分比从0增加到100 wt%时，样品的WRI从48.23±0.76%增加到60.15±0.83%，当压缩力从225增加到450 kN时。这一观察与Ajimotokan等（2019c）和Davies和Davies（2013）报告的趋势一致，可以归因于当使用高压缩力时，压块中的空隙减少，从而导致更高的WRI。此外，图7a和b的结果表明，S/M和S/WS混合物中M和WS的比例越高，WRI越低，这与S含量减少导致压块密度降低的事实一致。另一方面，图7c的结果显示，M/WS混合物中M的比例增加会导致WRI减少，尽管在第3.1.1.1节中已经指出，M的比例增加会提高压块的密度。虽然这表明密度不是唯一影响压块WRI的因素，但这一特定趋势与Kamdem等（2025）的研究结果一致，其中发现由稻壳制成的压块的WRI低于由木屑制成的压块，尽管前者的密度更高。事实上，这些看似矛盾的趋势可能与原料的组成和特性有关，包括它们的亲水性和在致密化过程中的变化。众所周知，致密化过程中松散组织的塌陷和细胞壁的结合会直接影响生物质的亲水性，如Zhang等（2017）所述。作者确实报告称，致密化生物质样品可以吸收更多的水，并且水被更有效地约束，这可能是由于纤维尺寸较小以及致密化燃料中细胞内空气的减少。因此，M和WS之间固有的结构差异可以解释为什么，尽管它们的密度较高，由包含高比例M的混合物制成的压块的WRI低于由包含高比例WS的混合物制成的压块。此外，M含有比WS稍多的半纤维素（见表1），这尤其以其亲水性而闻名。最后，值得注意的是，本研究中测量的WRI低于Kamdem等（2025）中报告的值（主要在80%以上）。然而，这与Kamdem等（2025）中设定的致密化温度（约100°C）有关，该温度有助于激活固有粘结剂并促进热塑性颗粒的变形，从而促进致密化产品的结合（如Dinesha等，2019；Gong等，2023所述）。因此，获得了具有更高密度和改进机械性能的产品。另一方面，本研究中生产的S压块的WRI高于Aliyu等（2021）的报告，尽管它们处于Orisaleye等（2022）报告的范围内（23.81%至84.62%）。由于良好的水阻力对于防止在潮湿条件下致密燃料的质量和耐久性受到不利影响至关重要，因此图7a到c中的结果突显了高S含量应优先考虑。

##### 冲击阻力指数

图7d到f的曲线图显示，随着压缩力的增加，冲击阻力指数（IRI）增加，这与Okot等（2018）和Rajaseenivasan等（2016）的结论一致。如Okot等（2018）所述，以及与第3.1.1.1节的讨论一致，这是由于生物质颗粒在高压缩力作用下经历弹性变形和塑性变形。结果表明，冲击阻力指数随着S在S/M和S/WS混合物中的比例以及M在M/WS混合物中的重量百分比而单调增加，如密度所示。例如，当S在S/WS和S/M混合物中的含量从0增加到100 wt%时，IRI从71.76±0.23%和77.91±0.18%增加到92.44±0.17%。再次，这一趋势与密度的增加一致，密度的增加意味着耐久性的提高（如Granado等，2021所述）。此外，S压块的IRI与文献中通常报告的值一致（即22.21%至99.16%，根据Adu-Poku等（2022）、Antwi-Boasiako和Acheampong（2016）以及Rajaseenivasan等（2016）所述）。

##### 点火时间

图7g到i的曲线图显示了所生产压块的点火时间（IT）随压缩力和混合比例的变化情况。结果清楚地表明，更高的压缩力意味着更高的密度和更高的IT。这与Kuhe等（2021）的观察一致，他们特别指出，将生产小米壳压块的压缩压力从10增加到25 MPa会自动增加所生产燃料的密度，同时延迟其点火时间。此外，图7中的曲线图还显示，尽管混合比例对IT的影响在M和WS混合物中似乎不明显（如表1所示，它们的VMC非常相似），但相反地，当S在S/M和S/WS混合物中的重量百分比从0增加到100 wt%时，IT从220秒减少到45秒。这一趋势与S的VMC显著高于WS和M的事实一致，这表明VMC越高，致密燃料的反应性和易点火性越强（如Ajimotokan等，2019b；Osei Bonsu等，2020；Oyelaran等，2018所述）。

##### 三组分混合物对压块性能的影响

使用S、M和WS三组分混合物生产的致密燃料，采用了450 kN的压缩力和小于1.25 mm的颗粒尺寸（见第3.1.1.1节）。在改变混合物中每种原料的重量百分比（如第2.3节所述），我们获得了10种样品，其表征（如第2.4节所述）导致了表3中总结的结果。

表3显示了由S、M和WS三组分混合物制备的致密燃料的物理和机械特性、化学特性和燃烧特性。这些结果表明，混合比例对压块的密度（F(9,20)=10,211.74，p<0.001）、WRI（F(9,20)=1299.80，p<0.001）和IRI（F(9,20)=905.54，p<0.001）有显著影响。尽管与第3.1.1.1节、第3.1.2.1节和第3.1.2.2节中分析的由两种原料混合物制成的燃料特性一致，但表3中的数据进一步确认了高S含量意味着高密度、WRI和IRI。例如，当混合物中木屑的比例从0增加到100 wt%时，密度从797.44±1.11增加到1120.98±1.09 kg·m?3，这是由于混合物中天然粘结剂的比例增加，这导致WRI从28.94±0.60增加到60.15±0.83%以及IRI从71.76±0.23增加到92.44±0.17%。

##### 燃烧特性

关于由三组分混合物制备的最终燃料的燃烧特性，结果表明，压块的组成对点火时间（IT）、燃烧时间和燃烧速率（BR）有显著影响。具体而言，较高的S含量意味着较低的IT，这与木屑的低灰分和高VMC一致（见表1）。此外，进一步分析结果时，我们注意到燃烧时间（BT）与FCC成正比，而燃烧速率（BR）则与该属性成反比（见图SM3a），这进一步表明，较高的BT意味着较低的BR，如公式（9）所示，并在图SM3b中得到验证。实际上，点火时间短且燃烧速率高的压块是理想的选择，因为它们能够快速点燃并提供较长的燃烧时间。此外，较高的FCC意味着较长的燃烧时间，这与Akam等（2024）的观察一致，他们指出，固定碳含量高的燃料相比固定碳含量低的燃料具有更长的燃烧时间。

##### 多层压块的表征

如第2.3节所述，本研究生产并表征了四种多层压块配方。在每种情况下，外层均由S/M/WS_100/0/0配方组成，该配方在第3.2节中被发现具有最低