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行业动态

添加适量菌棒废渣提高桑枝颗粒燃料成型率及改善燃烧性能

文字:[大][中][小] 2016-11-2    浏览次数:2524    

生物质可通过光合作用将太阳能以化学能形式贮 存,是煤和石油之后的第三大能源,具有可再生性和洁 净性[1-2]。中国具有丰富的生物质资源,其中农作物秸秆 年产量约为 7 亿 t,林业木质剩余物的年产量为 3 亿 t。 这些生物质资源存在能源密度低、资源分散、运输难、 储存损耗大等缺点,成为制约中国生物质规模化利用的 瓶颈[3]。将农林剩余物为主的生物质原料经过干燥、粉碎、 调配等预处理后进行压缩固化,使其转化为高密度的颗 粒燃料是生物质利用的重要手段。成型后的颗粒燃料密 度大于 1.0 g/cm3 ,燃烧热值达 15~21 MJ/kg,与松散生 物质原料和煤相比,具有输送储存方便,燃烧充分、NOx、 SOx排放量低等优点,可广泛应用于锅炉燃烧、发电等工 业领域以及炊事、供暖等民用领域[4-5]。 桑枝(ramulus Mori,RM)是栽桑养蚕最主要的副产 物之一,中国桑园面积大于86万km2 ,可年产RM 2 000 万 t 以上。在传统经济中,仅有少部分的 RM 作为制备食用菌培养基[6]、活性炭[7]、以及提取活性药物[8]的原料使用,其 余的大部分 RM 都是随处堆放任其腐烂或露天焚烧,造成 资源的浪费和环境的污染。目前,中国以秸秆、甘蔗渣等 草本类农业剩余物为原料制备颗粒成型燃料已实现初步 产业化,但 RM 作为木本类植物,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,压制成型要困难得多[9]。为了使 桑枝有效压缩成型,需要在高温(>70℃)、高压(>50 MPa), 此外还需辅以诸如高岭土、石灰粉等黏结剂的苛刻条件下 进行[10],这既增加了成型时的能耗,同时又导致了的成型 设备的关键部件磨损快,寿命短等问题。菌棒废渣 (mushroom-planted residue,MPR)是食用菌种植产业中最 大量的剩余物,其主要用途是作为有机堆肥和动物饲料的 原料,由于 MPR 富含碳、氢、氧元素,在颗粒燃料上也 有所应用[11]。因为 MPR 粒度小、易结块,且 MPR 是经过 高温湿热处理以及多种微生物的降解作用,其燃烧热值相 对常见的生物质有所降低,通常需要辅加煤炭粉、生活淤 泥等助燃剂联合使用[12-13]。 本研究对 2 种原料进行了的工业、元素、生物质三 组分以及木质素的玻璃化转变温度分析,通过在 RM 中 分别添加一定质量分数的 MPR 作为黏结剂,采用 4 mm 孔径振动筛控制颗粒度,在含水率为 20%±0.5%以及可 变的环模孔长孔长径比条件下通过压辊环模成型机制备了 RM/MPR 复合颗粒燃料,重点考察了 2 种原料的质 量配比以及环模孔长径比对颗粒成型率和产品质量的 影响,为农林剩余物制备生物质颗粒燃料产业提供技术 支持。

1.3.1 原料的元素分析、工业分析以及纤维素、半纤维 素、木质素的测定 根据中国标准(GB/T 28731-2012)对原料进行的工 业分析,利用元素分析仪测定样品碳、氢、氧、氮、硫 含量,元素分析由广西煤炭质量监督检验站测定;原料 的纤维素、半纤维素以及木质素的含量根据参考文献的 方法测定[14-15],具体方法如下: 1)纤维素含量的测定:准确称取 1.0 g 试料于 250 mL 锥形瓶中,加入 25 mL 的 20%硝酸-80%乙醇溶液,在不 断摇晃条件下于沸水浴上加热 1 h,随后用玻璃滤器收集 沉淀,沉淀重复上述硝酸乙醇蒸煮步骤 2~3 次至完全变 白,用适量的蒸馏水洗涤 3 次,将沉淀和玻璃滤器一起 移入(105±3)℃烘箱至恒重,所增质量即为纤维素重量。 2)半纤维素含量的测定:准确称取 0.2 g 试料于 100 mL 烧杯中,加入 10 mL 的 80 %硝酸钙溶液,在电 炉上煮沸 5 min,离心收集沉淀并用热水冲洗干净,然后 向沉淀中加 10 mL 2 mol/L 的盐酸,在不断摇晃条件下于 沸水浴上加热 45 min,冷却后滤去沉淀,滤液移入 100 mL 容量瓶中,向容量瓶中加 1 滴酚酞,用 NaOH 中和至显 玫瑰色后定容。用 DNS 法测定溶液中的还原糖,乘上系 数 0.9 得半纤维素含量。 3)木质素含量的测定:准确称取 1.0 g 试料,在索 氏抽提器中用乙醇与苯(体积比 1∶2)的混合溶液脱脂 8 h 后,将试料取出风干并转入 250 mL 磨口锥形瓶中,加入 15 mL 72 %的浓硫酸,在不断摇晃条件下于 20 ℃水浴中 放置 4 h,之后转移到 1 000 mL 锥形瓶中,加入 560 mL 蒸馏水使瓶中硫酸的质量分数为 3%。接上回流冷却管, 在沸水浴中蒸煮 4 h。冷却后用玻璃滤器收集不溶性残渣, 以热水洗净, 将残渣和玻璃滤器一起移入(105±3)℃烘箱至恒重,所增质量即为木质素质量。 1.3.2 生物质颗粒燃料的压制成型 在实际生产过程中,颗粒成型机的环模孔长径比与 颗粒成型率、生产能耗以及产品质量都存在直接关系。 单一的 RM 的木质结构坚硬需要在较高的环模孔长径 比条件下压制成型,本试验拟通过在 RM 中分别添加 5%、10%、15%、20%质量分数的 MPR 作为黏结剂, 以期降低 RM 颗粒燃料的成型时所需的环模孔长径比, 并提高提高颗粒燃料成型率、密度以及耐久度等性能。 首先将收来的 RM 以及 MPR 粉碎,采用 4 mm 孔径 振动筛筛选,控制原料的颗粒大小,将粉碎后的原料进 行烘干或调湿处理,控制原料的含水率在 20%±0.5%,称 取一定质量的 RM 与 MPR,混合均匀后由传送带转入成 型机,分别在 3.5:1、4:1、4.5:1、5:1 和 5.5:1,5 种环模 孔长径比条件下压制成型。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 DSC 测试 RM 以及 MPR 中木质素的玻璃化转变温度根据美国 TA 公司的 Q 20 差示扫描量热(DSC)测定,取约 5 mg 木质素样品(试料过 200 目筛)在氮气的保护下以 5℃/min 的升温速率在 15~220℃的温度范围内扫描。RM 及 MPR 木质素通过 93%的乙酸提取,具体的提取及纯化方法参 考文献[16]。玻璃化转变温度(Tg)由 DSC 曲线通过三 切线法算得。 1.4 SEM 测试 将 RM/MPR 复合颗粒燃料(RM/MPR 的质量比例为 85/15)放入液氮中浸泡 10 min,取出后迅速用镊子折断, 然后对新鲜断面进行喷金处理,颗粒燃料的表面无需冷 冻直接进行喷金处理,随后采用日本 Hitachi S-3400N 型 扫描电子显微镜,以 5 kV,40 mA 对颗粒燃料的表面和 截面微观形貌进行测试。 1.5 生物质颗粒的性能测试 新制备的颗粒燃料样品在厂房平铺放置 2~3 h,待 样品完全冷却和达到干湿平衡后,按《生物质固体成型 燃料试验方法》(NY/T1881-2010)测量产品的质量。具 体方法如下: 1)成型率:用筛孔孔径为 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-600CD 型固体密度测试仪(台湾 Matsuhaku)直接测量得出数值。 3)耐久度(durability):筛选颗粒完整的颗粒燃料样 品(1±0.1) kg 放入转鼓试验机内,以(40±1) r/min 的速度 旋转(500±1)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):挥发分通过 Q 50 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-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。

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