制漿麥渣顆粒燃料的成型特點及燃燒特性研究

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物圖和質量占比圖。由圖2可知，R₉₀、R_45~90和R_22~45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. 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（R_45~90L₁₀麥渣顆粒燃料密度為1.23 g/cm³，高出SS 187120標準中規(guī)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；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，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]，R_22~45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 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 541—2008行業(yè)標準要求（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. 5  Analysis of crumpling resistance of samples under different grain size of wheat residue and amount of waste liquid

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58.1~111.5 MPa，L₂₀的麥渣顆粒燃料抗壓強度迅速下降至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]。

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%，能夠達到GB/T 15224.1—2018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(fā)分和粒徑之間的關系類似，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，這是因為大粒徑麥渣中已基本篩分去除掉粉塵及無機礦物，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，粒徑小且含雜質較多的原料不利于制備生物質顆粒燃料。

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