制漿麥渣顆粒燃料的成型特點(diǎn)及燃燒特性研究

本實(shí)驗(yàn)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2500~4500 mPa·s）購自阿拉丁試劑（上海）有限公司。

圖2為篩分后不同粒徑麥渣實(shí)物圖和質(zhì)量占比圖。由圖2可知，R₉₀、R_45~90和R_22~45的質(zhì)量占比相對較小，分別占麥渣總質(zhì)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(zhì)所致，而較大粒徑范圍麥渣質(zhì)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(shí)物圖和其質(zhì)量占比圖

Fig. 2 Physical diagram of wheat residue with different grain sizes and its mass proportion diagram

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；R_45~90和R_22~45麥渣顆粒燃料高度在5.70~6.61 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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)更加緊實(shí)。當(dāng)麥渣顆粒燃料質(zhì)量和壓力一定時(shí)，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，壓縮較為緊密，即高度減??；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?yàn)楫?dāng)廢液添加量較少時(shí)，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(jié)合在一起。當(dāng)麥渣內(nèi)部及表面的水分在受到外力擠壓時(shí)，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(zhì)形成混合膠體，使得麥渣顆粒燃料內(nèi)部結(jié)合更加緊密。廢液過量會導(dǎo)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(zhì)量差。

圖3  不同粒徑和廢液添加量下麥渣顆粒燃料成型效果

Fig. 3  Molding effect of wheat residue pellet fuel with different particle sizes and different amount of waste liquid

注   圖中數(shù)字表示麥渣顆粒燃料高度。

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(shí)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?。≧₉₀L₅麥渣顆粒燃料密度為1.03 g/cm³）；提高廢液添加量不僅可以促進(jìn)麥渣與麥渣之間的滑動，減小內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空隙和孔洞，軟化原料，更有利于增強(qiáng)麥渣與麥渣之間的黏結(jié)作用和成型效果（R_45~90L₁₀麥渣顆粒燃料密度為1.23 g/cm³，高出SS 187120標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的0.11 g/cm³）^[14]。但過高的水分含量會導(dǎo)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(jié)作用，導(dǎo)致生物質(zhì)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；R_22~45麥渣顆粒燃料次之，密度為1.16~1.30 g/cm³；R₉₀顆粒燃料密度最小，密度僅為0.85~1.15 g/cm³。原因是粒徑較大時(shí)，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(jié)作用增強(qiáng)，麥渣顆粒燃料成型效果更好^[17]，R_22~45或R₂₂顆粒燃料密度均達(dá)到SS 187120標(biāo)準(zhǔn)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(guān)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?yàn)轭w粒燃料所使用的麥渣質(zhì)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(yán)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(guān)系

Fig. 4 Effect of waste liquid addition amount and particle size on density of molded particles and the relationship between density and height

抗跌碎性的強(qiáng)弱會直接影響顆粒燃料在儲存和運(yùn)輸過程中的形貌及結(jié)構(gòu)。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(shí)驗(yàn)制備的麥渣顆粒燃料抗跌碎性均可達(dá)到DB 11/T 541—2008行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求（抗跌碎性≥95%），且隨廢液添加量的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，L₁₀顆粒燃料抗跌碎性最強(qiáng)為99.70%~99.84%。與密度結(jié)果一致，麥渣顆粒燃料抗跌碎性隨麥渣粒徑的減小而增強(qiáng)^[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(jié)合力越強(qiáng)，抗沖擊性能就越強(qiáng)^[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. 5  Analysis of crumpling resistance of samples under different grain size of wheat residue and amount of waste liquid

抗壓強(qiáng)度作為評價(jià)生物質(zhì)成型顆粒燃料的一項(xiàng)重要物理性指標(biāo)，代表著顆粒燃料在貯存或運(yùn)輸過程中上層樣品重力作用或擠壓于下層樣品時(shí)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(qiáng)度的影響。由表2可知，L₁₀和L₁₅麥渣顆粒燃料抗壓強(qiáng)度范圍為58.1~111.5 MPa，L₂₀的麥渣顆粒燃料抗壓強(qiáng)度迅速下降至46.0~95.3 MPa。在相同廢液添加量下，麥渣顆粒燃料的抗壓強(qiáng)度隨著麥渣粒徑的減小而增大，R₂₂顆粒燃料抗壓強(qiáng)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(qiáng)了麥渣顆粒燃料之間的黏結(jié)力，使抗壓強(qiáng)度提高^[21-22]。

圖6為廢液添加量和麥渣粒徑對麥渣顆粒燃料揮發(fā)分、灰分和固定碳的影響。由圖6可知，麥渣粒徑大小對其顆粒燃料揮發(fā)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(yīng)變化值分別為2%、2%和0.5%。R₉₀麥渣顆粒燃料揮發(fā)分含量為74.89%~78.30%，R₂₂麥渣顆粒燃料揮發(fā)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(dá)到GB/T 15224.1—2018中低灰煤的標(biāo)準(zhǔn)，但R₂₂麥渣顆粒燃料灰分含量最高達(dá)60.8%，這是由于造紙?jiān)消湶荼旧碓谑斋@、運(yùn)輸和儲存等過程中攜帶的雜質(zhì)造成的，對燃料的熱值產(chǎn)生不利的影響。因此，在利用麥渣制備生物質(zhì)成型顆粒之前要對其進(jìn)行預(yù)處理，以減小因灰分過大而導(dǎo)致燃料質(zhì)量的下降程度。結(jié)果還顯示，固定碳和粒徑之間的關(guān)系與揮發(fā)分和粒徑之間的關(guān)系類似，隨著粒徑的減小固定碳呈現(xiàn)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(fā)分、灰分及固定碳的影響

Fig. 6 Effect of the amount and particle size of waste liquid on volatile, ash and fixed carbon

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R_45~90麥渣顆粒燃料的熱值隨著廢液添加量增加先增大后減小，R_22~45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14928~16383 J/g，R_45~90麥渣顆粒燃料熱值為13655~14807 J/g，R₂₂顆粒燃料整體熱值發(fā)生急劇下降，僅為7322~7387 J/g，這是因?yàn)榇罅禁溤幸鸦竞Y分去除掉粉塵及無機(jī)礦物，可燃成分居多；隨麥渣粒徑的減小，原料中的粉塵及無機(jī)礦物含量占比增加，不可燃成分增加，造成顆粒燃料熱值降低^[23]。因此，粒徑小且含雜質(zhì)較多的原料不利于制備生物質(zhì)顆粒燃料。

圖7  廢液添加量及粒徑對熱值的影響

Fig. 7  Effect of waste liquid addition amount and particle size on calorific value