棉秆与竹材颗粒燃料成型工艺探讨范文

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《西部林业科学杂志》2015年第一期

1材料与方法

1.1试验材料与仪器试验材料棉秆和竹材，均取自安徽格义清洁能源技术有限公司，粉碎并过筛制成40～60目的棉秆和竹材颗粒。试验仪器棉秆、竹材颗粒成型装置，自制(图1)。包括(1)电热圈尺寸直径60mm，高度50mm，功率100w;(2)温控仪温度量程0～400℃，功率2000w;(3)成型模具尺寸直径25mm，高度55mm;(4)试验用热压机，马弗炉，微机量热仪，型号为ZWH-8A。

1.2试验方案设计本项试验以棉秆和竹材为原料，以成型温度、热压压力和时间为影响因素，开展3因素3水平L9(33)正交试验，试验设计方案见表1。

1.3颗粒燃料的制备(1)含水率的调整张静等［8］通过对生物质颗粒燃料含水率对成型效果影响的研究发现，谷物类原料在加工时，最适宜的含水率应在11%～12%之间，而林木类原料的最佳含水率为8%左右。本项研究借鉴相关研究结果，将棉秆和竹材颗粒放入恒温恒湿箱中，调整其含水率至10%～12%。(2)成型前准备首先打开热压机，对压机进行预热;然后称取一定量的上述调整含水率后的棉秆和竹材颗粒，放入成型模具中，打开温控仪，设定其温度为100℃，对其进行预热，最后用成型模具中的T型压头将颗粒压实。(3)热压成型将成型模具置于垫板上，放入已预热的压机中，根据成型温度、压力和时间对原料颗粒进行热压密实成型。(4)待压制完成，取出颗粒燃料，进行后续相关性能的检测。

1.4原料化学分析及颗粒燃料燃烧特性的测定方法(1)原料化学成分分析按照生物质材料碳水化合物和木素测定方法NREL/TP-510-42618进行测定。(2)灰分样品在(550±10)℃加热后，剩余物的质量占样品总质量的百分比(生物质固体成型燃料试验方法NY/T1881.5-2010)。(3)挥发分样品在(900±10)℃隔绝空气的环境中加热7min，样品质量损失占样品质量的百分数(生物质固体成型燃料试验方法NY/T1881.4-2010)。(4)固定碳扣除灰分和挥发分后的质量。(5)热值利用微机量热器进行测定。

2结果与分析

2.1棉秆和竹材原料化学成分分析竹材的化学成分和木材相似，主要由纤维素、半纤维素和木素构成。木素具有一般无定型高聚物的玻璃化转变特性，当木素被加热达到玻璃化转变温度(Tg)时，木素会迅速软化形成胶体物质，发生自粘结作用，在颗粒燃料成型过程中起到粘接剂作用，可粘附和聚合生物质颗粒，提高生物质颗粒燃料的结合强度和耐久性［9～10］。棉秆的纤维素含量稍高于竹材，原料中纤维素含量决定了成型的难易程度，纤维素含量越高，成型越容易［11］。竹材木素是典型的草本木素，由三种苯基丙烷单元(对羟基苯丙烷、愈创木基苯丙烷和紫丁香基苯丙烷)按一定比例组成，竹类木素定性而非定量的类似于阔叶树木素。棉秆木素主要由愈创木基和紫丁香基苯丙烷结构单元组成，只含有极少的对羟基苯丙烷结构单元，这是棉秆木素区别于禾本科植物(竹材)木素的一个重要特点，棉秆的木素含量接近针叶材远远高于白桦(Betulaplatyphylla)和杨木(Populusspp.)［12］。木素含量的多少是决定颗粒燃料最终成型效果的主要内部因素，由表2可知，竹材与棉秆的木素含量相当，由于棉秆皮的存在，棉秆的灰分含量高于竹材，经文献报道［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成型工艺的设定及分析生物质颗粒燃料的密度是衡量其燃烧特性和堆积密度的重要指标，其密度越大，燃烧持续时间越长，国际标准SS187120规定生物质颗粒燃料密度的参考值应不小于1.12g/cm3［14］。本试验采用电热圈对成型模具进行加热，适当增加成型时间可促进颗粒之间的热量传递，确保颗粒之间温度均匀，更有助于木素软化，软化的木素通过和生物质颗粒中固有的纤维素的联合作用，促使生物质颗粒逐渐成形。

2.2.1棉秆成型工艺正交试验结果分析棉秆成型工艺正交试验结果分析见表3～4。由表3、表4可知，棉秆颗粒经热压致密成型后，其密度均大于国际标准颗粒燃料密度的参考值1.12g/cm3。棉秆颗粒成型的影响因素中，成型温度和时间是主要影响因素，对棉秆颗粒成型的影响由大到小依次是时间＞温度＞压力。棉秆颗粒的最佳成型工艺为成型温度190℃，热压压力32MPa，成型时间3min。

2.2.2竹材成型工艺正交试验结果分析竹材成型工艺正交试验结果分析见表5～6。由表5～6可知，竹材颗粒经致密成型后，其密度除处理1、2、3、4及5组外，均大于国际标准颗粒燃料密度的参考值1.12g/cm3。竹材颗粒成型的影响因素中，成型温度是主要影响因素，对竹材颗粒成型影响由大到小依次是温度＞时间＞压力。竹材颗粒的最佳成型工艺为成型温度250℃，热压压力32MPa，成型时间3min。成型温度和时间对两种原料颗粒的成型工艺影响最显著，而时间作为棉秆成型工艺最主要的影响因素，可能因为棉秆的密度(0.15～0.21g/cm3)相比竹材(0.61～0.66g/cm3)小，导热系数〔0.055～0.06w/(m•k)〕小。因此，若使棉秆料坯中心达到成型工艺所需的温度，则所需的传热时间相对竹材而言更长。但成型时间过长或加热温度超过190℃，会使原料颗粒过于干燥，难以压缩;且棉秆和竹材在高温下发生热分解而使挥发分增多，部分原料颗粒表面发生炭化，对致密成型不利。成型温度的升高无形中也增加了制造成本，对制粒机中环磨装置也提出了更高的要求。

2.3成型燃料燃烧性能的测定与分析为了使得成型工艺更加经济、合理，在上述正交试验基础上，对时间进行进一步优化，选用成型温度190℃，热压压力32MPa，成型时间分别设定为30s，90s和150s进行颗粒燃料的制备见图2。对燃烧特性进行分析测定(表7)，以便确定最佳的成型工艺。对比棉秆和竹材颗粒燃料的密度不难发现，当成型时间大于90s后，在上述成型工艺下所制备的颗粒燃料的密度均可达到国际标准规定的参考值，而且棉秆颗粒燃料的密度均大于竹材颗粒燃料。棉秆木质部是棉秆的主体部分，由木纤维细胞导管木射线和轴向薄壁组织组成，占棉秆总重量的70%左右，其中导管细胞的细胞腔大，细胞之间的纹孔数量多，棉秆木质部就其植物形态和结构而言接近于阔叶木。而竹材颗粒原料的密度较大，相比棉秆较难压缩。在相同的成型压力下，棉秆颗粒更易于破裂，变成更加细小的粒子，使得粒子变形或塑性流动增大，粒子之间的空隙减少，粒子间更加紧密接触而互相啮合。竹材和棉秆颗粒燃料的灰分、挥发分、固定碳含量、热值随其密度增加变化不大，竹材颗粒燃料的灰分较棉秆低，挥发分含量较棉秆高，而且竹材颗粒燃料的热值远高于棉秆颗粒燃料。罗娟等［15］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。挥发分的含量将影响热分解和燃烧特性，在燃烧过程中挥发分将有利于生物质燃料主要部分的蒸发，因此燃烧过程中易点火，且竹材颗粒燃料的灰分含量较棉秆低，故其热值较高。综合棉秆和竹材的热压致密成型工艺和生产设备的实际情况，结合棉秆和竹材颗粒燃料的燃烧性能分析，优选成型工艺参数为成型温度190℃，热压压力32MPa，成型时间90s。

3结论

(1)利用自制成型模具对棉秆和竹材颗粒进行热压致密成型，以密度为评价指标，开展三因素三水平正交试验，通过极差分析得出棉秆颗粒燃料的最佳成型工艺参数为成型温度190℃，热压压力32MPa，成型时间3min。竹材颗粒燃料的最佳成型工艺参数为成型温度250℃，热压压力32MPa，成型时间3min。(2)棉秆颗粒燃料的灰分含量高于竹材颗粒燃料，固定碳含量两者相差不大，而竹材颗粒燃料的挥发分略高于棉秆颗粒燃料，热值远高于棉秆颗粒燃料。挥发分的含量高将有利于颗粒燃料主要部分的蒸发，点火容易，且竹材颗粒燃料的灰分含量较棉秆低，故其热值较高。综合棉秆和竹材的热压致密成型工艺和生产设备的实际情况，结合棉秆和竹材颗粒燃料的燃烧性能分析，优选成型工艺为:成型温度190℃，热压压力32MPa，成型时间90s。此工艺条件下制备的竹材颗粒燃料的热值为15.98MJ/kg，棉秆颗粒燃料的热值为9.28MJ/kg。通过本研究发现，棉秆颗粒由于其较高的纤维素含量及较低的壁腔比，相比竹材原料，在该成型工艺条件下更易于压缩;竹材颗粒燃料挥发分和热值高，可结合两者的材料特性、成型特点及颗粒燃料的性能，制备符合市场需求的产品，以期为竹材和棉秆颗粒制备生物质复合颗粒燃料提供理论基础。

作者：程大莉许斌蒋身学单位：南京林业大学材料科学与工程学院