桉树皮和桑枝制备颗粒燃料成型工艺研究

广西是一个严重缺能的地区，近几年来，电力供应缺口徘徊在10％～12％，且有拉大的趋势；煤炭自给率比较低，仅占10％左右，90％依赖区外输入，年均实际缺口在10％～15％，能源供应形势相当严峻。但同时，广西具有丰富的农林剩余物，其中桉树种植面积达到了1．87×106 hm2，位居全国首位；桉树树干主要用于造纸，每年可剩余大量的桉树皮(Euca—lyptus Bark，EB)、碎叶以及枝梢等。此外，广西的桑园面积约1．86×10j hm2，其中桑枝(Ramulus Mori，
RM)是栽桑养蚕较主要的副产物之一，广西每年产鲜伐桑枝279万t。这些农林剩余物绝大部分沦为废弃物，传统的处理方法是就地露天焚烧，产生的浓烟含有机气融胶等颗粒物，可以形成PM2．5，在短时间内加剧空气污染，形成雾霾，成为环境负担J一。【前人研究进展】生物质颗粒燃料是将生物质原料(主要是农作物秸秆、农产品加工剩余物及林业剩余物)经过干燥、粉碎、调配等预处理后压缩成型的燃料[5]。成型后的颗粒燃料密度大于1000 kg／m3，燃烧值达

3500～5000 kcal／kg，能源密度与中质烟煤相当，输送、储存方便，可替代煤炭等化石燃料应用于炊事、供
暖等民用领域和锅炉燃烧、发电等工业领域[6j。2014年，我国生物质颗粒燃料的需求量高达1000万t，而年产量不足500万t，还远没有达到市场需求量。因此，利用农林剩余物生产生物质颗粒燃料具有广阔的市场需求，同时还能够为减少温室气体排放、减轻大气污染以及振兴农村经济做出重要贡献。广西的生物质颗粒燃料技术开发研究相对较晚，主要是以桉树皮、桑枝、松木屑以及杉木屑等木本生物质为原料，通过环模压制而成。由于这些木本植物中纤维素的含
量较高，其韧皮部韧度强，内部木质结构坚硬，与草本类的农业剩余物相比，在物理特性、化学组成方面有
着较大差别，压制成型困难[7]。为使这些木本植物有效压缩成型，需要在高温(>70 oC)、高压(>50MPa)，此外还需辅以诸如高岭土、石灰粉、菌棒废渣等粘结剂的苛刻条件下进行旧'f)]。单一木本生物质的半纤维或木质素成分少，粘合性差，不易压制成型，而且容易导致成型机的主要部件损坏，缩短成型机的使用寿命[1 0。。本研究以广西两种大宗的农林剩余物——桉树皮和桑枝作为主要原料，通过辅加少量的粘结剂降低成型时的压力，减小环模磨损，快速制备颗粒燃料。【拟解决的关键问题】重点考察原料颗粒尺寸、含水率、粘结剂添加量以及成型机环模孑L长径比等因素对颗粒成型效果的影响，优化颗粒燃料的成型工艺，为广西的大宗农林剩余物制备生物质颗粒燃料的产业提供技术支持。桉树皮(主要为桉树皮以及碎叶等)和桑枝(主要为桑树枝梢)由广西桂森生物能源技术有限公司提供。粘结剂自制，方法详见1．3．1。生物质原料及粘结剂的纤维素、半纤维素以及木质素的含量根据参考文献[11]的方法测定，生物质颗粒燃料的压制成型按试验具体分为以下3种方式进行：
(1)采用4 mm孔径振动筛筛选，控制原料的颗粒大小，并通过烘干或调湿处理，控制原料的含水率在(20±0．5)％，分别添加质量分数为2％，5％，10％的粘结剂，与原料混合均匀后由传送带转入成型机，分别在5种环模孔长径比(3．5：1，4：1，4．5：1，5：1，5．5：1)条件下压制成型，考察环模孔长径比和粘结剂添加量对成型效率的影响。
(2)选择5种筛网孔径(2 mm，3 mm，4 mm，6mm，8 ram)对原料进行粉碎，并通过烘干或调湿处理，控制原料的含水率在(20±0．5)％，添加5％的粘结剂进行均匀混合后在环模孔长径比为4．5：1条件下进行压制成型，考察原料颗粒度对成型效率的影响。
(3)固定原料颗粒的粒度大小为4 mm、粘结剂添加量为5％后，通过干燥或调湿处理，分别控制原料含水率在(10 4-0．5)％，(12-0．5)％，(16±0．5)％，(20±0．5)％，(24±0．5)％5种条件下，以环模孔长径比4．5：1进行压制成型，考察原料含水率对成型效率的影响。生物质原料的粉碎、过筛、干燥、物料浮配及压制成型的整套流程均在广西桂森生
物能源技术有限公司进行。
1．3．3 生物质颗粒的性能测试生产出的颗粒燃料在实验室平铺放置2～3 h，待都冷却后取样，按《生物质固体成型燃料试验方法》[】2]测量产品的质量。具体方法如下：
(1)成型率：用筛孔孑L径为6 mm的振筛机筛分，小于6 mm的颗粒燃料属于不合格品，通过称量计算成型率。
(2)颗粒密度(Density)：称取一定量的生物质固体成型燃料样品，用GH一600CD型固体密度测试仪(台湾Matsuhaku)直接测量得出数值。
(3)机械耐久度(Durability)：筛选颗粒完整的生物质颗粒燃料样品约1000 g放入转鼓试验机内，以(40±1)r／rain的速度旋转500转。通过在试验样品之间、样品与测试器内壁之间发生碰撞后，将已磨损和细小的颗粒分离出来，根据剩余的样品质量计算机械耐久度。
(4)挥发分(Vad)：采用Q50热重分析仪测定(美国TA公司)，样品在(900-10)℃隔绝空气的环境中加热7 min，扣除水分质量损失后，按样品质量损失占样品总质量的百分数来计算。
(5)灰分(Aad)：取一定质量的生物质颗粒燃料样品，通过XL一7A型马弗炉测定(杭州卓驰仪器有限公司)，在(550±10)℃有氧条件下加热后剩余物的质量占样品总质量的百分比来测定灰分。
(6)空气干燥基低位热值(Qnet，ad)：空气干燥基低位热值由广西科学院民用燃料及气体产品质量监督检验站测定。，桉树和桑树都属于木本植物，内部结构坚硬，都需要较大的压力才能压制成型。从表2可以看出，当环模孔长径比为5．5：1时，桉树皮和桑枝都可以有效的压制成型，颗粒燃料的成型率分别为97．6％和95．67％；当环模孔长径比低于4．5：1，颗粒成型率迅速下降。生物质原料中纤维素、半纤维素以及木质素这3组分含量的差异是影响其成型压力的较主要因素，半纤维素和木质素均属元定形非晶高聚物，没有熔点，但有软化点，在成型过程中，随着外力的增大，原料内部的温度急剧增高，此时，半纤维素和木质素会发生软化并产生机械变形和塑性流变，从而与纤维素紧密粘接，加强分子间的相互作用力，生成更致密的颗粒燃料。因此，木质素、半纤维素含量越高和纤维素含量越低，颗粒成型时所需的压力就越小；反之木质素、半纤维素含量越低和纤维素含量越高，颗粒成型时所需的压力就越大[1⋯。