生物瀝青?木屑混合成型行為和成型燃料品質(zhì)分析

李士偉，李輝，李昌珠，王國(guó)平，肖志紅，張愛(ài)華，劉汝寬,3，梁潤(rùn)芬

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生物瀝青?木屑混合成型行為和成型燃料品質(zhì)分析

李士偉1, 2，李輝2，李昌珠2，王國(guó)平1，肖志紅2，張愛(ài)華2，劉汝寬2,3，梁潤(rùn)芬1

(1. 南華大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南衡陽(yáng)，421001；2. 湖南省林業(yè)科學(xué)院生物環(huán)境工程研究所，湖南長(zhǎng)沙，410004；3. 中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083)

針對(duì)生物質(zhì)成型產(chǎn)業(yè)現(xiàn)存的成型能耗較高和產(chǎn)品質(zhì)量不佳的問(wèn)題，采用生物柴油生產(chǎn)工藝的副產(chǎn)物生物瀝青作為添加劑，按不同配比分別與樟木屑和杉木屑混合，制備成型燃料?？疾焐餅r青摻加量對(duì)木屑的成型能耗(擠壓和推動(dòng)能耗)和木屑成型燃料性質(zhì)(密度、吸水性和燃燒特性)的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)物料中生物瀝青摻加量由0提高至20%時(shí)，擠壓能耗依次降低，而推動(dòng)能耗在0~5%處降低較為顯著。木屑成型燃料的密度隨著生物瀝青摻加量的提高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，并在5%處取得最大值。成型燃料的吸水能力隨著生物瀝青摻加量的提高而持續(xù)降低。添加生物瀝青能夠降低成型燃料的著火溫度，并擴(kuò)大有效燃燒溫度區(qū)間，從而提高成型燃料燃燒的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

生物瀝青；能耗；密度；燃燒特性

生物質(zhì)成型燃料是一種環(huán)保清潔的能源。其優(yōu)點(diǎn)包括燃燒效率高、灰分、硫和氮含量低、以及儲(chǔ)運(yùn)成本不高，適宜成為國(guó)內(nèi)外城市(國(guó)內(nèi)特大型城市除外)供熱的清潔燃料之一。然而，成型能耗過(guò)高、設(shè)備磨損嚴(yán)重和成型燃料質(zhì)量不佳是限制國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型技術(shù)規(guī)模化的主要瓶頸。其原因主要是國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型原料來(lái)源廣泛，且種類(lèi)繁多，而常規(guī)成型設(shè)備通常對(duì)原料的種類(lèi)和尺寸有要求。因此使用來(lái)源不一且外形多樣的原料將導(dǎo)致成型能耗過(guò)高、設(shè)備磨損嚴(yán)重和成型燃料質(zhì)量不佳等問(wèn)題。同時(shí)，我國(guó)中南和南方地區(qū)普遍氣候潮濕，全年相對(duì)濕度在80%以上。成型燃料生產(chǎn)和使用之間存在的時(shí)空差異，使得成型燃料長(zhǎng)距離運(yùn)輸和跨季節(jié)儲(chǔ)存日漸成為產(chǎn)業(yè)常態(tài)。成型燃料放置于高濕度環(huán)境中，構(gòu)成成型燃料的生物質(zhì)微粒的組織結(jié)構(gòu)和親水性官能團(tuán)會(huì)因物理和化學(xué)吸附而吸水[1]。過(guò)高的成型燃料含水率會(huì)導(dǎo)致成型燃料燃燒性能降低，體積膨脹，強(qiáng)度降低，容易破碎，甚至發(fā)生粉化和霉變，導(dǎo)致倉(cāng)儲(chǔ)中爆炸或自燃事故的發(fā)生。因此，制備較高密度和高抗吸水性的成型燃料具有重要意義。為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要集中在：1) 成型設(shè)備的研發(fā)與改進(jìn)；2) 成型工藝及參數(shù)的優(yōu)化；3) 使用物理或化學(xué)方法對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行預(yù)處理，如蒸汽爆破[2]和水熱炭化[3]。其中1)和3)的操作成本普遍較高，且部分仍處于理論研究階段；2) 對(duì)不同原料的適應(yīng)性差，其使用范圍有一定的局限性。生物質(zhì)混合成型技術(shù)為利用多種生物質(zhì)原料之間的混合來(lái)制備成型燃料。該技術(shù)能夠削弱成型原料之間的異質(zhì)性，提高生物質(zhì)成型效果，并具有操作簡(jiǎn)單，成本低廉，原料來(lái)源廣泛的特點(diǎn)[4?5]。因而，混合成型有可能成為一種解決生物質(zhì)成型技術(shù)瓶頸的有效途徑。KONG等[6]研究了廢紙纖維的摻入對(duì)木屑成型顆粒物理特性的影響，發(fā)現(xiàn)廢紙纖維通過(guò)“固體橋接”作用可以強(qiáng)化木屑微粒之間的內(nèi)嵌結(jié)合力，進(jìn)而提高成型顆粒的塑性。JIANG等[7]研究了污泥與木屑混合成型的機(jī)理，發(fā)現(xiàn)不同種類(lèi)成型燃料在強(qiáng)度方面所表現(xiàn)出的差異性的降低與污泥的加入有關(guān)。生物瀝青是以地溝油為原料，生產(chǎn)生物柴油剩余的殘?jiān)?，約占生物柴油產(chǎn)量的10%。其主要成分為脂類(lèi)化合物和混合脂肪酸[8?9]，通常被企業(yè)當(dāng)作重油燒掉或丟棄，容易對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。生物瀝青的氮和硫含量低，與木質(zhì)生物質(zhì)相比具有較高的發(fā)熱量。同時(shí)，少量油脂類(lèi)物質(zhì)的摻加有可能改善木屑成型燃料的成型能耗及燃料品質(zhì)[10]。然而，目前尚沒(méi)有生物瀝青與木質(zhì)生物質(zhì)混合制備成型燃料的報(bào)道。基于以上分析，本文作者以南方常見(jiàn)經(jīng)濟(jì)木材樟木和杉木的粉碎樣為成型原料，并選生物瀝青為添加劑，制備成型燃料。重點(diǎn)研究生物瀝青摻加量對(duì)木屑成型燃料的成型能耗、密度、吸水性及燃燒特性的影響，有望為生物質(zhì)成型技術(shù)的優(yōu)化和生物瀝青的資源化利用提供一定的參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原料與設(shè)備

樟木和杉木取自長(zhǎng)沙市郊的家具加工廠。經(jīng)微型粉碎機(jī)粉碎后，取粒徑為0.45~0.80 mm的木屑于40?℃干燥48?h，并置于干燥器中備用。生物瀝青取自長(zhǎng)沙市近郊一家生物柴油生產(chǎn)企業(yè)。3種原料的元素分析、工業(yè)分析和高位熱值見(jiàn)表1。

表1 原料的元素分析和工業(yè)分析

注：1) 空氣干燥基；2) 差減法；# 卡爾費(fèi)休法。

試驗(yàn)設(shè)備包括單顆粒燃料成型試驗(yàn)機(jī)(由濟(jì)南恒瑞金試驗(yàn)機(jī)有限公司KLC?10型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)改裝)；鼓風(fēng)干燥箱；數(shù)顯游標(biāo)卡尺；分析天平(精度為0.1?mg)；恒濕恒溫箱(高天試驗(yàn)設(shè)備有限公司，GT?TH?S?150Z)；熱重分析儀(島津，DTG?60)；電子掃描顯微鏡(日立，TM3000)；氧彈式量熱儀(長(zhǎng)沙三德實(shí)業(yè)有限公司，SDACM 5000)。

1.2 成型燃料的制備

生物瀝青以不同的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0，5%，10%，15%和20%)分別與樟木屑和杉木屑混合。調(diào)節(jié)混合物料的含水率為10%后密封在4?℃冰箱內(nèi)放置48?h。打開(kāi)溫度控制器，使夾套內(nèi)壁溫度升至設(shè)定成型溫度(150?℃)，保持30 min。待內(nèi)壁溫度穩(wěn)定后在壓制槽底部放入不銹鋼墊片，稱(chēng)取(0.8±0.002)?g混合樣品裝入有墊片的夾套中，采用程序控制壓桿，最大壓力為4.5?kN，設(shè)定停留時(shí)間 30?s。成型結(jié)束后取出不銹鋼底板，系統(tǒng)控制壓桿開(kāi)始下行，將制成的成型燃料推出壓制槽，冷卻后備用。CW代表樟木成型燃料，CF代表杉木成型燃料，(5%)CW代表生物瀝青以5%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與樟木屑混合所制備的成型燃料，其他編號(hào)命名方式一樣。

1.3 成型能耗計(jì)算

擠壓能耗表示成型過(guò)程中壓桿所做的功。推動(dòng)能耗表示成型燃料成型后，壓桿在對(duì)成型燃料施力到開(kāi)始推動(dòng)成型燃料的過(guò)程中所做的功。由壓力?位移曲線圖可計(jì)算出成型燃料擠壓能耗及推動(dòng)能耗，計(jì)算公式如下[11]：

式中：為擠壓能耗或推動(dòng)能耗，J/g；F為壓力，N；S為位移，m；為成型燃料質(zhì)量，g。

1.4 成型燃料物理性質(zhì)

1.4.1 密度

出模初期成型燃料的密度計(jì)算公式如下：

式中：為密度，kg/m3；為質(zhì)量，kg；為直徑，m；為長(zhǎng)度，m。

1.4.2 吸水性

成型燃料于105?℃下干燥24?h后，放入溫度為30?℃，相對(duì)濕度為90%的恒濕恒溫箱內(nèi)，前320?min每隔20?min取出稱(chēng)質(zhì)量。結(jié)束后將成型燃料繼續(xù)放置于恒濕恒溫箱內(nèi)，48?h后再次稱(chēng)量。成型燃料在時(shí)刻的吸水率為

式中：ω為時(shí)刻吸水率，%；m為時(shí)刻質(zhì)量，g；1為成型燃料于105?℃下干燥24?h后的質(zhì)量，g。

本文將成型燃料吸水48?h 后的吸水率視為實(shí)際平衡吸水率。KARADAG等[12]認(rèn)為吸水樹(shù)脂吸水率ω與對(duì)應(yīng)的時(shí)間有如下關(guān)系：

為確定該吸水模型對(duì)成型燃料的適用性，假設(shè)為0時(shí)，成型燃料吸水率ω為0，整理式(4)得：

；；(5)

式中：w為吸水速率常數(shù)；eq為理想狀況下，成型燃料吸水飽和時(shí)的平衡吸水率。

由式(5)可知/與呈線性關(guān)系。采用式(5)對(duì)成型燃料在0~320 min內(nèi)的吸水率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并得到成型燃料吸水48?h后的理論和實(shí)際平衡吸水率et。

1.5 成型燃料燃燒特性

1.5.1 熱分析

測(cè)試樣品為生物瀝青及生物瀝青摻加量分別為0，5%和20%的成型燃料，樣品量為8~10?mg。氣氛為空氣，流速為150?mL/min。升溫程序如下：1) 在30~105?℃溫度區(qū)間，升溫速率為10?℃/min，停留時(shí)間為10?min；2) 在105~830?℃溫度區(qū)間，升溫速率為15 ℃/min，停留時(shí)間為2?min。

樣品的綜合燃燒特性指數(shù)(min?2?℃?3)由下式計(jì)算[13]：

式中：θ為著火溫度，采用切線法確定[14]，℃；end為樣品燃燒后期燃燒速率為0.05?%/min對(duì)應(yīng)的溫度，℃；(dm/d)max為最大燃燒速率，%/min；(dm/d)mean為從著火至燃盡階段的平均燃燒速率，%/min。

1.5.2 高位熱值

依據(jù)GB/T 30727—2014“固體生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測(cè)定方法”，采用氧彈式量熱儀測(cè)定高位熱值，試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型能耗

在成型燃料生產(chǎn)的整個(gè)工序中，壓縮成型階段耗能最多，主要用于使物料發(fā)生形變和克服摩擦力做功，此階段能耗是衡量成型工藝合理性和經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)之一。根據(jù)工業(yè)級(jí)成型機(jī)的成型特點(diǎn)，作者使用單顆粒成型機(jī)將成型燃料的成型能耗分為2部分來(lái)研究，即擠壓能耗和推動(dòng)能耗。其中擠壓能耗為成型機(jī)的壓桿克服物料微粒之間的摩擦所產(chǎn)生的能耗和使物料發(fā)生形變的能耗。推動(dòng)能耗為成型機(jī)的壓桿克服成型燃料與夾套內(nèi)壁之間的摩擦所產(chǎn)生的能耗。影響2種能耗的因素各不相同，但兩者的降低均有助于降低生產(chǎn)能耗和成型核心部件的磨損，進(jìn)而提高成型機(jī)的使用壽命。

圖1(a)所示為2種木屑中摻加生物瀝青后，成型燃料擠壓能耗的變化趨勢(shì)圖。隨著生物瀝青摻加量的增加，樟木和杉木2種成型燃料的擠壓能耗均呈現(xiàn)持續(xù)降低的現(xiàn)象，當(dāng)生物瀝青摻加量由0提高至20%時(shí)，兩者的擠壓能耗分別降低高達(dá)44.16%和43.51%。在本文所采用的試驗(yàn)條件下，成型燃料擠壓能耗的降低與木屑流動(dòng)性的提高以及木屑中木質(zhì)素軟化溫度的降低有關(guān)。木屑中摻入生物瀝青，可在一定程度上降低木屑及相互搭接的“分枝”之間的摩擦。木屑流動(dòng)性得到提高，對(duì)成型設(shè)備提供較少的能量便可實(shí)現(xiàn)壓縮成型。其次，通過(guò)對(duì)木屑的潤(rùn)濕作用，生物瀝青中有機(jī)小分子插入到木質(zhì)素大分子之間，能夠削弱大分子間的作用力，降低木質(zhì)素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度(g)[15?17]。木質(zhì)素在增強(qiáng)木質(zhì)細(xì)胞的機(jī)械強(qiáng)度方面起著重要的作用，因此，木質(zhì)素軟化溫度的降低可以有效減小木屑被擠壓時(shí)發(fā)生形變所需要的能耗。

生物瀝青摻加量相同時(shí)，杉木屑成型時(shí)的擠壓能耗比樟木屑的高。這與2種木屑理化性質(zhì)的不同有關(guān)。木質(zhì)素的g與相對(duì)分子質(zhì)量成正比，與闊葉材(樟木)相比，針葉材(杉木)木質(zhì)素平均相對(duì)分子質(zhì)量較高[18]，因此，杉木屑木質(zhì)素的g比樟木屑的高。同時(shí)，與樟木屑相比，杉木屑表面更為粗糙，“分枝”也較多，如圖2所示。較高的表面粗糙度和木質(zhì)素g使得杉木屑受壓縮時(shí)，需要消耗更多的能量來(lái)克服摩擦和產(chǎn)生形變。

(a) 擠壓能耗；(b) 推動(dòng)能耗

(a) 杉木屑；(b) 樟木屑；(c) (0)CF橫截面；(d) (5%)CF橫截面

組成木屑的纖維素分子具有黏彈性，使得物料經(jīng)擠壓階段成型后因具有不完全塑性而向四周發(fā)生一定程度的膨脹，并擠壓模具內(nèi)壁。當(dāng)成型燃料被壓桿推出模具時(shí)，產(chǎn)生推動(dòng)能耗。如圖1(b)所示，為生物瀝青摻加量對(duì)成型燃料推動(dòng)能耗的影響。生物瀝青摻加量由0提高至5%，樟木和杉木成型燃料的推動(dòng)能耗分別降低高達(dá)73.13%和38.74%。推動(dòng)能耗主要與成型燃料的塑性及成型燃料與夾具內(nèi)壁之間的動(dòng)摩擦因數(shù)有關(guān)。同時(shí)，成型燃料的塑性與其密度成正相關(guān)[19]。生物瀝青摻加量由5%提高至20%，成型燃料的推動(dòng)能耗變化不明顯，而塑性持續(xù)降低。說(shuō)明生物瀝青的摻加降低了成型燃料與夾具內(nèi)壁之間的動(dòng)摩擦因數(shù)。在擠壓階段，可觀察到生物瀝青從夾具內(nèi)滲出的現(xiàn)象，滲出的生物瀝青能夠在成型燃料和夾具內(nèi)壁之間形成“液膜”降低摩擦因數(shù)。因此，生物瀝青的摻加降低了推動(dòng)能耗，是由成型燃料塑性的提高和摩擦因數(shù)的降低共同作用的結(jié)果。

2.2 成型燃料物理性質(zhì)

2.2.1 成型燃料密度

圖3所示為樟木和杉木成型燃料密度隨生物瀝青摻加量的變化趨勢(shì)。所制備的成型燃料密度均高于 1?000?kg/m3。與純木屑成型燃料相比，摻加生物瀝青后成型燃料密度升高。由2.1可知：這是因?yàn)樯餅r青的摻加，降低了木屑的軟化溫度，提高了木屑的流動(dòng)性，木屑易于填充入成型燃料內(nèi)部較小的空隙 中[20]。對(duì)比圖2(c)和2(d)可以看出：含5%生物瀝青的成型燃料內(nèi)部間隙較少，微粒之間結(jié)合緊密。隨著生物瀝青摻加量的提高，樟木和杉木成型燃料的密度先升高后降低，兩者的密度最高分別達(dá)到了1?130?kg/m3和1?150 kg/m3。生物瀝青的摻加量進(jìn)一步提高(大于5%)時(shí)，成型燃料密度降低，這可能是由于過(guò)多的生物瀝青在成型原料間形成“液膜”，阻礙氫鍵和“固體搭橋”作用的形成，減弱了木屑之間的結(jié)合力[21]，同時(shí)也對(duì)成型燃料的塑性產(chǎn)生不利影響。

1—CW；2—DF。

2.2.2 成型燃料吸水性

圖4所示為生物瀝青含量不同的成型燃料在溫度為30?℃，相對(duì)濕度為90%環(huán)境中的吸水曲線圖。不同成型燃料的吸水率隨時(shí)間的延長(zhǎng)具有相似的變化趨勢(shì)，即吸水率不斷增加，但增長(zhǎng)幅度逐漸放緩。其次，成型燃料在吸水性測(cè)試的220?min內(nèi)吸水迅速，220?min后，吸水率增長(zhǎng)緩慢并逐漸趨于平衡。例如樟木成型燃料吸水時(shí)間由220?min延長(zhǎng)至320?min，吸水率僅提高1.4%~3.5%。純木屑成型燃料吸水為木屑的組織結(jié)構(gòu)及親水性官能團(tuán)對(duì)水分子的物理吸附和緩慢水合共同作用的結(jié)果。吸水前期(0~220?min)，物理吸附處于主導(dǎo)地位，吸水率的增長(zhǎng)表現(xiàn)為短時(shí)間內(nèi)的快速增加；吸水后期(220~2?880?min)，與物理吸附相比，木屑中親水性官能團(tuán)與水分子間緩慢的水合作用貢獻(xiàn)較大而使吸水率逐漸趨于平衡[12, 22]。

表2所示為生物瀝青含量不同的成型燃料吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。由表2可以看出：線性擬合的相關(guān)度非常高。通過(guò)擬合方程計(jì)算得到的成型燃料吸水48?h后的理論平衡吸水率et與實(shí)際值er比較接近，且兩者隨生物瀝青摻加量的增加呈現(xiàn)相同的降低趨勢(shì)。生物瀝青的摻加對(duì)成型燃料吸水能力有顯著的影響。隨著生物瀝青摻加量由0提高至20%，樟木成型燃料平衡吸水率er由13.7%降低至11.9%，杉木成型燃料平衡吸水率由13.2%降低至12.1%。摻加生物瀝青后，成型燃料在吸水前期的吸水速率明顯降低，說(shuō)明生物瀝青削弱了成型燃料對(duì)水分的物理吸附能力。其原因是生物瀝青吸附在木屑的表面及填充于內(nèi)部的孔隙中后，在一定程度上能夠抑制水分在木屑組織結(jié)構(gòu)間的擴(kuò)散。

樟木和杉木成型燃料吸水速率常數(shù)w的變化不具有明顯的規(guī)律性，但含生物瀝青的成型燃料的w普遍要高于純木屑成型燃料的。因此，w的升高與成型燃料表面親水性官能團(tuán)的減少有關(guān)。從LAM等[2]以及KARADAG等[12]的研究中可以得到類(lèi)似的結(jié)論。

(a) CW；(b) CF

表2 生物瀝青摻加量不同的成型燃料吸水動(dòng)力學(xué)參數(shù)

2.3 成型燃料燃燒特性

圖5(a)和5(b)所示分別為生物瀝青含量不同的成型燃料的TG曲線和DTG曲線。圖5中僅列出了生物瀝青質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，5%和20%的樟木和杉木成型燃料的熱分析曲線。成型燃料的燃燒過(guò)程均可以劃分為脫水、揮發(fā)分析出及燃燒、焦炭的燃燒和燃盡4個(gè)階段[12, 23]。綜合上述成型燃料的燃燒特性參數(shù)(表3)，可知生物瀝青摻加量對(duì)成型燃料的燃燒特性有顯著影響。隨著生物瀝青摻加量的升高，成型燃料在脫水階段的質(zhì)量損失率1降低。說(shuō)明生物瀝青提高了成型燃料的疏水性，降低了其在儲(chǔ)放階段的吸水率。這有助于改善燃料在燃燒器內(nèi)使用時(shí)的點(diǎn)火特性和低位熱值。著火溫度為衡量燃料著火性能的一個(gè)重要指標(biāo)。越低，燃料著火性能越好。與純木屑成型燃料相比，含生物瀝青的成型燃料較低。這與揮發(fā)分析出階段，生物瀝青中小分子有機(jī)物的揮發(fā)和部分組分分解所產(chǎn)生的可燃性氣體的釋放有關(guān)[24]。

(a) TG曲線；(b) DTG曲線

綜合燃燒特性指數(shù)普遍用于衡量成型燃料的綜合燃燒特性，越大表明成型燃料綜合燃燒性能越好。由表3可知：樟木和杉木成型燃料的均隨生物瀝青摻加量的升高而降低。但生物瀝青摻加量為5%時(shí)，對(duì)成型燃料影響較小，例如樟木成型燃料僅降低3.5%；生物瀝青摻加量提高至20%時(shí)，成型燃料降低較為顯著，例如杉木成型燃料降低高達(dá)65.2%。摻入生物瀝青后，成型燃料最大燃燒速率的降低和燃盡溫度的升高是降低的主要原因。

在含生物瀝青的成型燃料的揮發(fā)分析出及燃燒階段，吸附在木屑表面和填充入木屑內(nèi)部孔隙的生物瀝青，通過(guò)分子間吸引力和液膜的阻礙作用，降低了纖維素?zé)峤馑a(chǎn)生的揮發(fā)分與周?chē)鯕獾慕Y(jié)合速率，此階段的最大燃燒速率因此大幅度下降。此外，與純木屑成型燃料相比，含生物瀝青的成型燃料的最大燃燒速率不僅降低，而且出現(xiàn)在焦炭燃燒階段。這是因?yàn)樵诮固咳紵A段，生物瀝青具有最大的燃燒速率，生物瀝青大量分解燃燒的同時(shí)也增加了焦炭與氧氣接觸的表面積，生物瀝青與焦炭燃燒的疊加作用提高了此階段的最大燃燒速率。但當(dāng)生物瀝青摻加量過(guò)高時(shí)，生物瀝青會(huì)在焦炭燃燒階段發(fā)生劇烈的重聚合結(jié)焦現(xiàn)象[25]，降低焦炭與氧氣的接觸面積，進(jìn)而對(duì)此階段的燃燒速率產(chǎn)生不利影響。生物瀝青灰分含量高于木屑，兩者混合燃燒，較高的灰分含量會(huì)阻隔碳成分燃盡[14]，因此成型燃料的燃盡溫度隨生物瀝青摻加量的提高而升高。

表3 生物瀝青摻加量不同的成型燃料燃燒特性參數(shù)

注：1為脫水階段質(zhì)量損失率；為著火溫度；max為燃燒速率最大時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度；(dm/d)max為最大燃燒速率；(dm/d)mean為由著火至燃盡階段的平均燃燒速率；end為燃盡溫度；2為燃盡率；為綜合燃燒特性指數(shù)。

然而，生物瀝青摻加量由0提高至20%，成型燃料從著火點(diǎn)至燃盡點(diǎn)的平均燃燒速率變化較小，且從著火點(diǎn)至燃盡點(diǎn)的有效燃燒溫度區(qū)間依次增大。說(shuō)明摻入生物瀝青后，成型燃料燃燒的可持續(xù)性和穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。同時(shí)，生物瀝青的摻入能夠顯著提高成型燃料的熱值。當(dāng)生物瀝青摻加量由0提高至20%時(shí)，樟木成型燃料的高位熱值提高9.29%，杉木成型燃料的高位熱值提高5.39%。

3 結(jié)論

1) 在樟木屑和杉木屑中分別摻入生物瀝青，通過(guò)提高木屑的流動(dòng)性和降低木屑中木質(zhì)素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，降低了2種木屑在壓縮成型過(guò)程中的擠壓能耗。其中木屑表面結(jié)構(gòu)和玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度的差異是造成生物瀝青?杉木屑混合成型的擠壓能耗高于生物瀝青?樟木屑混合成型的擠壓能耗的主要原因。

2) 適量生物瀝青的摻入能夠降低成型燃料的推動(dòng)能耗，提高其密度。然而，摻加過(guò)多的生物瀝青會(huì)在成型微粒間形成“液膜”，阻礙氫鍵和“固體搭橋”作用的形成，降低成型燃料的塑性和密度。

3) 吸水模型對(duì)吸水?dāng)?shù)據(jù)線性擬合的相關(guān)度很高。吸附在木屑微粒表面和填充于木屑內(nèi)部孔隙中的生物瀝青，能夠降低成型燃料對(duì)水分子的物理吸附能力和親水性官能團(tuán)的水合作用，提高成型燃料的疏水性。

4) 綜合混合成型燃料的燃燒特性和高位熱值，生物瀝青摻加量以5%為最佳，所制備的成型燃料的綜合燃燒特性指數(shù)和高位熱值較高，同時(shí)具有優(yōu)異的燃燒可持續(xù)性、密度大、能耗低的優(yōu)點(diǎn)。

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(編輯 楊幼平)

Co-pelletization of bio-asphalt and sawdust:densification behavior and qualities of pellet fuel

LI Shiwei1, 2, LI Hui2, LI Changzhu2, WANG Guoping1, XIAO Zhihong2,ZHANG Aihua2, LIU Rukuan2, 3, LIANG Runfen1

(1. School of Chemistry and Chemical Engineering, University of South China, Hengyang 421001, China;2. Institute of Biological and Environmental Engineering, Hunan Academy of Forestry, Changsha 410004, China;3. School of Chemistry and Chemical Engineering, Central South University, Changsha 410083,China)

Bio-asphalt, obtained from the production of biodiesel via transesterification method, was applied as an additive to be mixed with camphor wood sawdust and Chinese fir sawdust with setting ratios, respectively. The blends were further compressed into pellets. The effect of bio-asphalt dosage on compression properties (compaction and extrusion energy consumption), and properties (density, moisture uptake and combustion characteristics) of pellets were investigated. The results show that the compaction energy consumption decreases with bio-asphalt dosage increasing from 0 to 20%, while a marked decrement of extrusion energy consumption is obtained in the range of 0?5%. The maximum densities of pellets are also obtained around bio-asphalt dosage of 5%. The moisture uptake of pellet decreases with the increment of bio-asphalt dosage, while the higher heating value of pellet is identified as an opposite trend. Furthermore, pellet fuel’s ignition temperature is reduced with the addition of bio-asphalt, which can improve the stability and continuity of pellet’s combustion.

bio-asphalt; energy consumption; density; characteristics of combustion

TK6；S216.2

A

1672?7207(2017)04?1111?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.04.035

2016?04?28；

2016?06?22

湖南省科技廳科技計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2014WK2030)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21407046)；中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(Y407K91001)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(13JJ4118) (Project (2014WK2030) supported by Key Project of Science and Technology Program of Hunan Provincial Science and Technology Department; Project (21407046) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (Y407K91001) supported by Key Laboratory of Renewable Energy, Chinese Academy of Sciences; Project (13JJ4118) supported by Hunan Province Natural Science Foundation)

李輝，博士，副研究員，從事生物質(zhì)成型燃料制備研究； E-mail：lihuiluoyang@163.com