1、PAGE PAGE - 16 -制漿麥渣顆粒燃料的成型特點及燃燒特性研究我國生物質資源儲量巨大，其中潛在可作為能源利用的生物質折合為標準煤約4億t，其充分利用將對解決我國的能源問題具有重要意義，并可緩解當前嚴重的環境污染問題1-2。傳統生物質均呈無規則松散狀，但壓縮成型后具有密度大、體積小的特點，便于貯存、運輸和利用3。生物質成型技術已成為能源轉型的一種新途徑4。造紙行業存在嚴峻的纖維原料短缺問題，使非木材纖維原料的高效利用變得尤為重要。但在非木材纖維制漿過程中會產生大量固廢和廢液，存在利用率較低、回收困難等問題，會造成資源浪費并影響生態環境。如麥草備料工段、制漿工段、原料的篩選除塵預處理工段

2、中會產生大量固體廢棄物（如麥草廢渣等），制漿過程中會產生成分復雜和難降解的有機廢液5。目前造紙廢水的處理方式有堿回收6、膜處理7、絮凝沉淀8-9，酸化10及生化處理11等方法。以上處理方法雖然處理效果較好，但存在投資大、成本高和難回用等問題。本研究以備料工段廢棄物麥草廢渣和制漿過程產生的廢液為原料，采取液壓成型方法，研究麥渣粒徑大小及廢液添加量對麥渣顆粒燃料的成型效果及燃燒性能的影響，為生物質基顆粒燃料的工業化應用奠定基礎。1 實驗1.1實驗原料本實驗所用麥渣和制漿廢液取自山東某造紙廠備料工段廢棄物；黏合劑羧甲基纖維素（黏度25004500 mPas）購自阿拉丁試劑（上海）有限公司。1.2實驗

3、方法1.2.1麥渣顆粒燃料的制備將麥渣用2060目標準篩網進行篩分，得到20目（0.90 mm）、2040目（0.450.90 mm）、4060目（0.220.45 mm）、60目（0.22 mm）4種不同粒徑大小的麥渣級分，分別記作R90、R4590、R2245和R22，將其放入60烘箱中干燥備用。將相對于麥渣質量5%、10%、15%和20%的廢液分別添加至不同粒徑的麥渣中，并在上述麥渣和廢液混合體系中分別加入相對于麥渣質量3%的羧甲基纖維素粉末作黏合劑，充分混合均勻后得到不同粒徑和廢液添加量的麥渣/廢液混合物，各混合物樣品分別記為L5、L10、L15和L20，將其轉入自封袋中平衡水分2 h

4、。然后稱取1 g麥渣/廢液混合物加入到定制套筒中（見圖1），并用油壓機在10 MPa條件下保持3 min。最后將壓制的不同粒徑和廢液添加量的麥渣顆粒燃料存放于溫度為1520和相對濕度30%40%的環境中平衡水分。對不同條件下制備的麥渣顆粒燃料樣品進行了編號，樣品編號見表1。圖1生物質顆粒成型模具Fig. 1Biomass pellet molding mold表1麥渣顆粒燃料樣品編號Table 1Sample number of wheat residue fuel particles廢液添加量/%樣品編號0.90 mm0.450.90 mm0.220.45 mm0.22 mm5R90L5R4

5、590L5R2245L5R22L510R90L10R4590L10R2245L10R22L1015R90L15R4590L15R2245L15R22L1520R90L20R4590L20R2245L20R22L201.2.2麥渣顆粒燃料性能表征（1）密度采用數顯游標卡尺對麥渣顆粒燃料從不同位置測量3次高度后取平均值，用精確度為0.0001 g的電子天平稱量后，計算麥渣顆粒燃料的密度。（2）工業分析工業分析包括水分、揮發分、灰分及固定碳的測定。參照GB/T 287312022，將單個麥渣顆粒燃料置于全自動工業分析儀（鶴壁市匯發儀器儀表有限公司，HFGF-5000）已預先灼燒至質量恒定的坩堝中，打

6、開氮氣閥并調節氣流為0.300.40 MPa，測定水分和揮發分，待測定揮發分結束后，關閉氮氣，打開氧氣，調節氣流為0.300.40 MPa，測定灰分。固定碳由系統按照“固定碳等于總質量減去水分、揮發分和灰分”自動計算得出。（3）熱值按GB/T 307272022，將單個麥渣顆粒燃料稱量后（精確至0.0001 g）置于全自動量熱儀（鶴壁市匯發儀器儀表有限公司，ZDHW-5）的不銹鋼坩堝中，將其放在氧彈中心電極卡槽內，鎳鉻絲卡在氧彈上，棉線系于鎳鉻絲中間并將樣品放在棉線另一頭上方，用注射器向氧彈中加入10 mL去離子水，擰緊氧彈后緩慢充入純氧（純度99.999%）至（3.000.20） MPa，保

7、持810 s，將裝好樣品充氧后的氧彈放入全自動量熱儀中點火測試，測試結果以J/g計。測試過程中不使用助燃劑，每個條件下測試3個樣品，最后結果取平均值。（4）抗跌碎性參照BS DD CEN/TS 15210-1-200612中方法，將麥渣顆粒燃料從1.83 m高處無初速度釋放，重復2次后計算跌落后質量與初始質量之比，得到抗跌碎性（%）。（5）抗壓強度采用電子萬能試驗機（濟南文騰試驗儀器有限公司，WDW-10E）對麥渣顆粒燃料進行抗壓強度的測定。將麥渣顆粒燃料放置于試驗機測試平臺中心，將試驗機上壓板調至距樣品23 mm位置，然后控制上壓板以1.00 mm/min速度壓緊麥渣顆粒燃料，記錄麥渣顆粒燃

8、料破碎時的壓力，測定結果以MPa計。2 結果與討論2.1麥渣原料分析圖2為篩分后不同粒徑麥渣實物圖和質量占比圖。由圖2可知，R90、R4590和R2245的質量占比相對較小，分別占麥渣總質量的22%、24%和14%，R22占比最大為40%，主要原因是麥草原料本身攜帶較多塵土、礫石等密度較大的雜質所致，而較大粒徑范圍麥渣質量占比相對較小是由麥渣本身密度較小、較松散的特性決定的。圖2不同粒徑麥渣實物圖和其質量占比圖Fig. 2Physical diagram of wheat residue with different grain sizes and its mass proportion di

9、agram2.2表觀分析圖3為不同粒徑和廢液添加量下麥渣顆粒燃料成型效果圖。由圖3可知，麥渣顆粒燃料的高度隨麥渣粒徑減小逐漸降低，表面更加光滑平整。R90麥渣顆粒燃料高度最高為8.57 mm；R4590和R2245麥渣顆粒燃料高度在5.706.61 mm之間，較R90麥渣顆粒最大高度降低了22.87%33.49%，麥渣顆粒燃料結構較R90麥渣顆粒燃料更加致密；R22麥渣顆粒燃料高度最大為5.03 mm，較R90麥渣顆粒染料最大高度降低了41.31%，顆粒表面光澤度更好、結構更加緊實。當麥渣顆粒燃料質量和壓力一定時，不同粒徑的麥渣顆粒燃料的變形程度不同，且粒徑越小的麥渣顆粒燃料其延伸率較大，壓縮

10、較為緊密，即高度減小；反之，粒徑越大的麥渣顆粒燃料其相互接觸不緊湊，充填程度較差，麥渣顆粒燃料高度相對較大。此外，在麥渣顆粒燃料粒徑相同的情況下，L10麥渣顆粒燃料高度整體小于L5、L15和L20顆粒燃料高度，壓縮成型效果更好。這是因為當廢液添加量較少時，廢液起到潤滑劑的作用，會增大麥渣與麥渣之間的流動性，使麥渣更好地結合在一起。當麥渣內部及表面的水分在受到外力擠壓時，廢液能夠起到黏合劑的作用，與麥渣中的糖類或果膠類物質形成混合膠體，使得麥渣顆粒燃料內部結合更加緊密。廢液過量會導致多余水分附著在麥渣原料表面形成水膜，使粒子之間過于潤滑，無法嵌合，造成麥渣顆粒燃料成型質量差。圖3不同粒徑和廢液添

11、加量下麥渣顆粒燃料成型效果Fig. 3Molding effect of wheat residue pellet fuel with different particle sizes and different amount of waste liquid注 圖中數字表示麥渣顆粒燃料高度。2.3廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料密度的影響圖4(a)為廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料密度的影響。由圖4(a)可知，隨著廢液添加量的增加，麥渣顆粒燃料密度先增大后減小。在麥渣顆粒燃料成型過程中，廢液添加量過低時麥渣粒子之間不能較好地緊密黏合13，使麥渣顆粒燃料密度較小（R90L5麥渣顆粒燃料密度為

12、1.03 g/cm3）；提高廢液添加量不僅可以促進麥渣與麥渣之間的滑動，減小內部結構的空隙和孔洞，軟化原料，更有利于增強麥渣與麥渣之間的黏結作用和成型效果（R4590L10麥渣顆粒燃料密度為1.23 g/cm3，高出SS 187120標準中規定的0.11 g/cm3）14。但過高的水分含量會導致在壓力作用下顆粒層之間形成水膜，多余廢液被擠出，破壞了粒子之間的黏結作用，導致生物質顆粒成型后較易松散或難以成型15-16。此外，在一定廢液添加量條件下，麥渣顆粒燃料密度均隨粒徑的減小而增大，R22麥渣顆粒燃料密度最大；R2245麥渣顆粒燃料次之，密度為1.161.30 g/cm3；R90顆粒燃料密度最

13、小，密度僅為0.851.15 g/cm3。原因是粒徑較大時，顆粒之間存在較大骨架形成空隙，粒子之間無法較好填充，使顆粒密度較低；粒徑減小，微粒比表面積增加，粒子之間接觸面積增大，使黏結作用增強，麥渣顆粒燃料成型效果更好17，R2245或R22顆粒燃料密度均達到SS 187120標準要求（大于1.12 g/cm3）14。圖4(b)為麥渣顆粒燃料密度和高度的關系。由圖4(b)可知，麥渣顆粒燃料密度越大則高度越小，這是因為顆粒燃料所使用的麥渣質量相同，粒徑越小擠壓成型過程中粒子之間的填充越充分，使其擠壓變形越嚴重，高度越小。圖4廢液添加量及粒徑對麥渣顆粒燃料密度的影響及其密度與高度的關系Fig. 4

14、Effect of waste liquid addition amount and particle size on density of molded particles and the relationship between density and height2.4廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料抗跌碎性的影響抗跌碎性的強弱會直接影響顆粒燃料在儲存和運輸過程中的形貌及結構。圖5為廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料抗跌碎性的影響。由圖5可知，實驗制備的麥渣顆粒燃料抗跌碎性均可達到DB 11/T 5412022行業標準要求（抗跌碎性95%），且隨廢液添加量的增加呈現先增大后減小的趨勢，

15、L10顆粒燃料抗跌碎性最強為99.70%99.84%。與密度結果一致，麥渣顆粒燃料抗跌碎性隨麥渣粒徑的減小而增強18。R22麥渣燃料顆粒在L5、L10和L15條件下抗跌碎性均高于99.81%，原因是麥渣顆粒密度越大，粒子之間結合力越強，抗沖擊性能就越強19-20。圖5不同麥渣粒徑及廢液添加量下麥渣顆粒燃料抗跌碎性分析Fig. 5Analysis of crumpling resistance of samples under different grain size of wheat residue and amount of waste liquid2.5廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料抗

16、壓強度的影響抗壓強度作為評價生物質成型顆粒燃料的一項重要物理性指標，代表著顆粒燃料在貯存或運輸過程中上層樣品重力作用或擠壓于下層樣品時的抗破碎性，是顆粒燃料破裂前所能承受力的最大閾值。表2為廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料抗壓強度的影響。由表2可知，L10和L15麥渣顆粒燃料抗壓強度范圍為58.1111.5 MPa，L20的麥渣顆粒燃料抗壓強度迅速下降至46.095.3 MPa。在相同廢液添加量下，麥渣顆粒燃料的抗壓強度隨著麥渣粒徑的減小而增大，R22顆粒燃料抗壓強度最大為124.1 MPa，原因在于粒徑越小，顆粒之間的接觸面積越大，增強了麥渣顆粒燃料之間的黏結力，使抗壓強度提高21-22。

17、表2廢液添加量及麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料抗壓強度的影響Table 2Effect of waste liquid addition amount and grain size of wheat residue oncompressive strength廢液添加量/%抗壓強度/MPaR90R4590R2245R22547.067.688.3124.11059.758.177.7111.51571.556.870.3101.52046.053.063.695.32.6廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料揮發分、灰分和固定碳的影響圖6為廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料揮發分、灰分和固定碳的影響。由圖

18、6可知，麥渣粒徑大小對其顆粒燃料揮發分、灰分和固定碳均有較大影響，最大變化值分別為42%、49%和6%左右，而廢液添加量的影響較小，相應變化值分別為2%、2%和0.5%。R90麥渣顆粒燃料揮發分含量為74.89%78.30%，R22麥渣顆粒燃料揮發分含量為34.4%36.3%，較R90麥渣顆粒燃料降低了約52%56%。R90麥渣顆粒燃料灰分含量為11.1%15.1%，能夠達到GB/T 15224.12022中低灰煤的標準，但R22麥渣顆粒燃料灰分含量最高達60.8%，這是由于造紙原料麥草本身在收獲、運輸和儲存等過程中攜帶的雜質造成的，對燃料的熱值產生不利的影響。因此，在利用麥渣制備生物質成型顆

19、粒之前要對其進行預處理，以減小因灰分過大而導致燃料質量的下降程度。結果還顯示，固定碳和粒徑之間的關系與揮發分和粒徑之間的關系類似，隨著粒徑的減小固定碳呈現先緩慢下降后急劇減小的趨勢，R22顆粒燃料固定碳含量僅為3.6%4.2%。圖6廢液添加量及麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料揮發分、灰分及固定碳的影響Fig. 6Effect of the amount and particle size of waste liquid on volatile, ash and fixed carbon2.7廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料熱值的影響圖7為廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料熱值的影響。如圖7所示，麥渣顆粒燃料的熱值隨粒徑的減小而下降，R90和R4590麥渣顆粒燃料的熱值隨著廢液添加量增加先增大后減小，R2245麥渣顆粒燃料的熱值隨廢液添加量的增加逐漸下降，R22麥渣顆粒燃料的熱值受廢液添加量影響較小。R90麥渣顆粒燃料熱值最大為14928163