棉稈與竹材顆粒燃料成型工藝探討范文

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《西部林業(yè)科學(xué)雜志》2015年第一期

1材料與方法

1.1試驗材料與儀器試驗材料棉稈和竹材，均取自安徽格義清潔能源技術(shù)有限公司，粉碎并過篩制成40～60目的棉稈和竹材顆粒。試驗儀器棉稈、竹材顆粒成型裝置，自制(圖1)。包括(1)電熱圈尺寸直徑60mm，高度50mm，功率100w;(2)溫控儀溫度量程0～400℃，功率2000w;(3)成型模具尺寸直徑25mm，高度55mm;(4)試驗用熱壓機(jī)，馬弗爐，微機(jī)量熱儀，型號為ZWH-8A。

1.2試驗方案設(shè)計本項試驗以棉稈和竹材為原料，以成型溫度、熱壓壓力和時間為影響因素，開展3因素3水平L9(33)正交試驗，試驗設(shè)計方案見表1。

1.3顆粒燃料的制備(1)含水率的調(diào)整張靜等［8］通過對生物質(zhì)顆粒燃料含水率對成型效果影響的研究發(fā)現(xiàn)，谷物類原料在加工時，最適宜的含水率應(yīng)在11%～12%之間，而林木類原料的最佳含水率為8%左右。本項研究借鑒相關(guān)研究結(jié)果，將棉稈和竹材顆粒放入恒溫恒濕箱中，調(diào)整其含水率至10%～12%。(2)成型前準(zhǔn)備首先打開熱壓機(jī)，對壓機(jī)進(jìn)行預(yù)熱;然后稱取一定量的上述調(diào)整含水率后的棉稈和竹材顆粒，放入成型模具中，打開溫控儀，設(shè)定其溫度為100℃，對其進(jìn)行預(yù)熱，最后用成型模具中的T型壓頭將顆粒壓實(shí)。(3)熱壓成型將成型模具置于墊板上，放入已預(yù)熱的壓機(jī)中，根據(jù)成型溫度、壓力和時間對原料顆粒進(jìn)行熱壓密實(shí)成型。(4)待壓制完成，取出顆粒燃料，進(jìn)行后續(xù)相關(guān)性能的檢測。

1.4原料化學(xué)分析及顆粒燃料燃燒特性的測定方法(1)原料化學(xué)成分分析按照生物質(zhì)材料碳水化合物和木素測定方法NREL/TP-510-42618進(jìn)行測定。(2)灰分樣品在(550±10)℃加熱后，剩余物的質(zhì)量占樣品總質(zhì)量的百分比(生物質(zhì)固體成型燃料試驗方法NY/T1881.5-2010)。(3)揮發(fā)分樣品在(900±10)℃隔絕空氣的環(huán)境中加熱7min，樣品質(zhì)量損失占樣品質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)(生物質(zhì)固體成型燃料試驗方法NY/T1881.4-2010)。(4)固定碳扣除灰分和揮發(fā)分后的質(zhì)量。(5)熱值利用微機(jī)量熱器進(jìn)行測定。

2結(jié)果與分析

2.1棉稈和竹材原料化學(xué)成分分析竹材的化學(xué)成分和木材相似，主要由纖維素、半纖維素和木素構(gòu)成。木素具有一般無定型高聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變特性，當(dāng)木素被加熱達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)時，木素會迅速軟化形成膠體物質(zhì)，發(fā)生自粘結(jié)作用，在顆粒燃料成型過程中起到粘接劑作用，可粘附和聚合生物質(zhì)顆粒，提高生物質(zhì)顆粒燃料的結(jié)合強(qiáng)度和耐久性［9～10］。棉稈的纖維素含量稍高于竹材，原料中纖維素含量決定了成型的難易程度，纖維素含量越高，成型越容易［11］。竹材木素是典型的草本木素，由三種苯基丙烷單元(對羥基苯丙烷、愈創(chuàng)木基苯丙烷和紫丁香基苯丙烷)按一定比例組成，竹類木素定性而非定量的類似于闊葉樹木素。棉稈木素主要由愈創(chuàng)木基和紫丁香基苯丙烷結(jié)構(gòu)單元組成，只含有極少的對羥基苯丙烷結(jié)構(gòu)單元，這是棉稈木素區(qū)別于禾本科植物(竹材)木素的一個重要特點(diǎn)，棉稈的木素含量接近針葉材遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于白樺(Betulaplatyphylla)和楊木(Populusspp.)［12］。木素含量的多少是決定顆粒燃料最終成型效果的主要內(nèi)部因素，由表2可知，竹材與棉稈的木素含量相當(dāng)，由于棉稈皮的存在，棉稈的灰分含量高于竹材，經(jīng)文獻(xiàn)報道［13］，禾草灰分主要是二氧化硅，一般含量在2%以上，竹子在1%左右。

2.2成型工藝的設(shè)定及分析生物質(zhì)顆粒燃料的密度是衡量其燃燒特性和堆積密度的重要指標(biāo)，其密度越大，燃燒持續(xù)時間越長，國際標(biāo)準(zhǔn)SS187120規(guī)定生物質(zhì)顆粒燃料密度的參考值應(yīng)不小于1.12g/cm3［14］。本試驗采用電熱圈對成型模具進(jìn)行加熱，適當(dāng)增加成型時間可促進(jìn)顆粒之間的熱量傳遞，確保顆粒之間溫度均勻，更有助于木素軟化，軟化的木素通過和生物質(zhì)顆粒中固有的纖維素的聯(lián)合作用，促使生物質(zhì)顆粒逐漸成形。

2.2.1棉稈成型工藝正交試驗結(jié)果分析棉稈成型工藝正交試驗結(jié)果分析見表3～4。由表3、表4可知，棉稈顆粒經(jīng)熱壓致密成型后，其密度均大于國際標(biāo)準(zhǔn)顆粒燃料密度的參考值1.12g/cm3。棉稈顆粒成型的影響因素中，成型溫度和時間是主要影響因素，對棉稈顆粒成型的影響由大到小依次是時間＞溫度＞壓力。棉稈顆粒的最佳成型工藝為成型溫度190℃，熱壓壓力32MPa，成型時間3min。

2.2.2竹材成型工藝正交試驗結(jié)果分析竹材成型工藝正交試驗結(jié)果分析見表5～6。由表5～6可知，竹材顆粒經(jīng)致密成型后，其密度除處理1、2、3、4及5組外，均大于國際標(biāo)準(zhǔn)顆粒燃料密度的參考值1.12g/cm3。竹材顆粒成型的影響因素中，成型溫度是主要影響因素，對竹材顆粒成型影響由大到小依次是溫度＞時間＞壓力。竹材顆粒的最佳成型工藝為成型溫度250℃，熱壓壓力32MPa，成型時間3min。成型溫度和時間對兩種原料顆粒的成型工藝影響最顯著，而時間作為棉稈成型工藝最主要的影響因素，可能因為棉稈的密度(0.15～0.21g/cm3)相比竹材(0.61～0.66g/cm3)小，導(dǎo)熱系數(shù)〔0.055～0.06w/(m•k)〕小。因此，若使棉稈料坯中心達(dá)到成型工藝所需的溫度，則所需的傳熱時間相對竹材而言更長。但成型時間過長或加熱溫度超過190℃，會使原料顆粒過于干燥，難以壓縮;且棉稈和竹材在高溫下發(fā)生熱分解而使揮發(fā)分增多，部分原料顆粒表面發(fā)生炭化，對致密成型不利。成型溫度的升高無形中也增加了制造成本，對制粒機(jī)中環(huán)磨裝置也提出了更高的要求。

2.3成型燃料燃燒性能的測定與分析為了使得成型工藝更加經(jīng)濟(jì)、合理，在上述正交試驗基礎(chǔ)上，對時間進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，選用成型溫度190℃，熱壓壓力32MPa，成型時間分別設(shè)定為30s，90s和150s進(jìn)行顆粒燃料的制備見圖2。對燃燒特性進(jìn)行分析測定(表7)，以便確定最佳的成型工藝。對比棉稈和竹材顆粒燃料的密度不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)成型時間大于90s后，在上述成型工藝下所制備的顆粒燃料的密度均可達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的參考值，而且棉稈顆粒燃料的密度均大于竹材顆粒燃料。棉稈木質(zhì)部是棉稈的主體部分，由木纖維細(xì)胞導(dǎo)管木射線和軸向薄壁組織組成，占棉稈總重量的70%左右，其中導(dǎo)管細(xì)胞的細(xì)胞腔大，細(xì)胞之間的紋孔數(shù)量多，棉稈木質(zhì)部就其植物形態(tài)和結(jié)構(gòu)而言接近于闊葉木。而竹材顆粒原料的密度較大，相比棉稈較難壓縮。在相同的成型壓力下，棉稈顆粒更易于破裂，變成更加細(xì)小的粒子，使得粒子變形或塑性流動增大，粒子之間的空隙減少，粒子間更加緊密接觸而互相嚙合。竹材和棉稈顆粒燃料的灰分、揮發(fā)分、固定碳含量、熱值隨其密度增加變化不大，竹材顆粒燃料的灰分較棉稈低，揮發(fā)分含量較棉稈高，而且竹材顆粒燃料的熱值遠(yuǎn)高于棉稈顆粒燃料。羅娟等［15］對北京地區(qū)8種典型的生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行燃燒性能測試，得出揮發(fā)分含量越高含水率越低，生物質(zhì)顆粒燃料所需的點(diǎn)火時間越短。揮發(fā)分的含量將影響熱分解和燃燒特性，在燃燒過程中揮發(fā)分將有利于生物質(zhì)燃料主要部分的蒸發(fā)，因此燃燒過程中易點(diǎn)火，且竹材顆粒燃料的灰分含量較棉稈低，故其熱值較高。綜合棉稈和竹材的熱壓致密成型工藝和生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際情況，結(jié)合棉稈和竹材顆粒燃料的燃燒性能分析，優(yōu)選成型工藝參數(shù)為成型溫度190℃，熱壓壓力32MPa，成型時間90s。

3結(jié)論

(1)利用自制成型模具對棉稈和竹材顆粒進(jìn)行熱壓致密成型，以密度為評價指標(biāo)，開展三因素三水平正交試驗，通過極差分析得出棉稈顆粒燃料的最佳成型工藝參數(shù)為成型溫度190℃，熱壓壓力32MPa，成型時間3min。竹材顆粒燃料的最佳成型工藝參數(shù)為成型溫度250℃，熱壓壓力32MPa，成型時間3min。(2)棉稈顆粒燃料的灰分含量高于竹材顆粒燃料，固定碳含量兩者相差不大，而竹材顆粒燃料的揮發(fā)分略高于棉稈顆粒燃料，熱值遠(yuǎn)高于棉稈顆粒燃料。揮發(fā)分的含量高將有利于顆粒燃料主要部分的蒸發(fā)，點(diǎn)火容易，且竹材顆粒燃料的灰分含量較棉稈低，故其熱值較高。綜合棉稈和竹材的熱壓致密成型工藝和生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際情況，結(jié)合棉稈和竹材顆粒燃料的燃燒性能分析，優(yōu)選成型工藝為:成型溫度190℃，熱壓壓力32MPa，成型時間90s。此工藝條件下制備的竹材顆粒燃料的熱值為15.98MJ/kg，棉稈顆粒燃料的熱值為9.28MJ/kg。通過本研究發(fā)現(xiàn)，棉稈顆粒由于其較高的纖維素含量及較低的壁腔比，相比竹材原料，在該成型工藝條件下更易于壓縮;竹材顆粒燃料揮發(fā)分和熱值高，可結(jié)合兩者的材料特性、成型特點(diǎn)及顆粒燃料的性能，制備符合市場需求的產(chǎn)品，以期為竹材和棉稈顆粒制備生物質(zhì)復(fù)合顆粒燃料提供理論基礎(chǔ)。

作者：程大莉許斌蔣身學(xué)單位：南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院