棉稈與竹材顆粒燃料成型工藝探討范文

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《西部林業科學雜志》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，馬弗爐，微機量熱儀，型號為ZWH-8A。

1.2試驗方案設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，試驗設計方案見表1。

1.3顆粒燃料的制備(1)含水率的調整張靜等［8］通過對生物質顆粒燃料含水率對成型效果影響的研究發現，谷物類原料在加工時，最適宜的含水率應在11%～12%之間，而林木類原料的最佳含水率為8%左右。本項研究借鑒相關研究結果，將棉稈和竹材顆粒放入恒溫恒濕箱中，調整其含水率至10%～12%。(2)成型前準備首先打開熱壓機，對壓機進行預熱;然后稱取一定量的上述調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，設定其溫度為100℃，對其進行預熱，最后用成型模具中的T型壓頭將顆粒壓實。(3)熱壓成型將成型模具置于墊板上，放入已預熱的壓機中，根據成型溫度、壓力和時間對原料顆粒進行熱壓密實成型。(4)待壓制完成，取出顆粒燃料，進行后續相關性能的檢測。

1.4原料化學分析及顆粒燃料燃燒特性的測定方法(1)原料化學成分分析按照生物質材料碳水化合物和木素測定方法NREL/TP-510-42618進行測定。(2)灰分樣品在(550±10)℃加熱后，剩余物的質量占樣品總質量的百分比(生物質固體成型燃料試驗方法NY/T1881.5-2010)。(3)揮發分樣品在(900±10)℃隔絕空氣的環境中加熱7min，樣品質量損失占樣品質量的百分數(生物質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分后的質量。(5)熱值利用微機量熱器進行測定。

2結果與分析

2.1棉稈和竹材原料化學成分分析竹材的化學成分和木材相似，主要由纖維素、半纖維素和木素構成。木素具有一般無定型高聚物的玻璃化轉變特性，當木素被加熱達到玻璃化轉變溫度(Tg)時，木素會迅速軟化形成膠體物質，發生自粘結作用，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顆粒，提高生物質顆粒燃料的結合強度和耐久性［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木基和紫丁香基苯丙烷結構單元組成，只含有極少的對羥基苯丙烷結構單元，這是棉稈木素區別于禾本科植物(竹材)木素的一個重要特點，棉稈的木素含量接近針葉材遠遠高于白樺(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部因素，由表2可知，竹材與棉稈的木素含量相當，由于棉稈皮的存在，棉稈的灰分含量高于竹材，經文獻報道［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成型工藝的設定及分析生物質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，其密度越大，燃燒持續時間越長，國際標準SS187120規定生物質顆粒燃料密度的參考值應不小于1.12g/cm3［14］。本試驗采用電熱圈對成型模具進行加熱，適當增加成型時間可促進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顆粒中固有的纖維素的聯合作用，促使生物質顆粒逐漸成形。

2.2.1棉稈成型工藝正交試驗結果分析棉稈成型工藝正交試驗結果分析見表3～4。由表3、表4可知，棉稈顆粒經熱壓致密成型后，其密度均大于國際標準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果分析竹材成型工藝正交試驗結果分析見表5～6。由表5～6可知，竹材顆粒經致密成型后，其密度除處理1、2、3、4及5組外，均大于國際標準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，導熱系數〔0.055～0.06w/(m•k)〕小。因此，若使棉稈料坯中心達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生熱分解而使揮發分增多，部分原料顆粒表面發生炭化，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，對制粒機中環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濟、合理，在上述正交試驗基礎上，對時間進行進一步優化，選用成型溫度190℃，熱壓壓力32MPa，成型時間分別設定為30s，90s和150s進行顆粒燃料的制備見圖2。對燃燒特性進行分析測定(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現，當成型時間大于90s后，在上述成型工藝下所制備的顆粒燃料的密度均可達到國際標準規定的參考值，而且棉稈顆粒燃料的密度均大于竹材顆粒燃料。棉稈木質部是棉稈的主體部分，由木纖維細胞導管木射線和軸向薄壁組織組成，占棉稈總重量的70%左右，其中導管細胞的細胞腔大，細胞之間的紋孔數量多，棉稈木質部就其植物形態和結構而言接近于闊葉木。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，揮發分含量較棉稈高，而且竹材顆粒燃料的熱值遠高于棉稈顆粒燃料。羅娟等［15］對北京地區8種典型的生物質顆粒燃料進行燃燒性能測試，得出揮發分含量越高含水率越低，生物質顆粒燃料所需的點火時間越短。揮發分的含量將影響熱分解和燃燒特性，在燃燒過程中揮發分將有利于生物質燃料主要部分的蒸發，因此燃燒過程中易點火，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設備的實際情況，結合棉稈和竹材顆粒燃料的燃燒性能分析，優選成型工藝參數為成型溫度190℃，熱壓壓力32MPa，成型時間90s。

3結論

(1)利用自制成型模具對棉稈和竹材顆粒進行熱壓致密成型，以密度為評價指標，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分略高于棉稈顆粒燃料，熱值遠高于棉稈顆粒燃料。揮發分的含量高將有利于顆粒燃料主要部分的蒸發，點火容易，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設備的實際情況，結合棉稈和竹材顆粒燃料的燃燒性能分析，優選成型工藝為: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。通過本研究發現，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;竹材顆粒燃料揮發分和熱值高，可結合兩者的材料特性、成型特點及顆粒燃料的性能，制備符合市場需求的產品，以期為竹材和棉稈顆粒制備生物質復合顆粒燃料提供理論基礎。

作者：程大莉許斌蔣身學單位：南京林業大學材料科學與工程學院