水解木質(zhì)素對(duì)桉木屑成型特性的影響*

李偉振，姜 洋?，陰秀麗，羅光輝

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；4. 通河縣龍能資源再生利用有限公司，哈爾濱 150900）

0 前 言

桉樹(shù)由于生長(zhǎng)迅速、豐產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)種植面積不斷擴(kuò)大，目前達(dá)368萬(wàn)hm2，主要分布在華南、東南等地區(qū)[1]。在桉樹(shù)的利用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的桉木屑，僅廣東省每年就有150多萬(wàn)t被作為垃圾廢棄[2]。將大量的桉木屑加工為成型燃料，進(jìn)行能源化利用，不僅能解決企業(yè)廢棄物無(wú)法處理的難題，而且還能改善環(huán)境，增加企業(yè)收入，同時(shí)還能緩解成型燃料產(chǎn)業(yè)資源量受限等問(wèn)題[3]。但是由于桉木屑纖維粗、韌性差，成型時(shí)能耗較高，成型后燃料品質(zhì)不佳[4]。

木質(zhì)素在生物質(zhì)成型過(guò)程中起到黏結(jié)劑的關(guān)鍵作用，其含量對(duì)成型過(guò)程和成型燃料品質(zhì)有重要影響[5]。CASTELLANO等[6]發(fā)現(xiàn)原料組分是影響顆粒品質(zhì)的關(guān)鍵因素，木質(zhì)素含量高的原料成型后具有更好的物理品質(zhì)；LEHTIKANGAS[7]發(fā)現(xiàn)針對(duì)新鮮的和儲(chǔ)存后的樹(shù)皮、鋸末和采伐剩余物原料，木質(zhì)素含量高顆粒具有較好的耐久性；HOLM 等[8]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素含量越高，顆粒內(nèi)部結(jié)合得越緊密，這表明提高木質(zhì)素含量是有效改善燃料品質(zhì)的方式之一。因此，本研究主要考察添加木質(zhì)素后成型參數(shù)對(duì)桉木屑成型燃料品質(zhì)的影響及分析粒子間的結(jié)合狀態(tài)，以獲得較佳的成型參數(shù)范圍，為桉木屑成型燃料品質(zhì)的改善提供一定理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

桉木屑為生長(zhǎng)在廣東陽(yáng)山地區(qū)的尾葉桉（典型人工速生林）加工剩余物，取自當(dāng)?shù)氐囊患野宀募庸S。木質(zhì)素為玉米秸稈水解利用過(guò)程的副產(chǎn)物，屬工業(yè)級(jí)木質(zhì)素，易獲得，利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用，源自中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所。經(jīng)粉碎和篩分后，取不同粒徑的原料，置于 105℃烘箱中烘干至恒重，依據(jù)質(zhì)量比摻入一定的去離子水，均勻混合后獲得不同水分含量的原料[9]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 成型試驗(yàn)

單顆粒壓縮成型試驗(yàn)在WD-100KE型電子萬(wàn)能壓力機(jī)上進(jìn)行。壓力機(jī)壓桿直徑10.0 mm，模具直徑 10.2 mm。待溫控儀控制模具溫度達(dá)到設(shè)定值并保持穩(wěn)定后，將一定質(zhì)量的原料加入模具內(nèi)，然后壓桿對(duì)原料進(jìn)行壓縮成型，壓縮速度為20 mm/min，壓力到達(dá)設(shè)定值并保持40 s后壓縮完成，擠出顆粒并密封保存。每個(gè)試驗(yàn)條件重復(fù)3次，結(jié)果取平均值。成型過(guò)程的壓力-位移曲線由電腦自行記錄[10]。

采用單因素試驗(yàn)方法，選定水分含量 8%～16%、壓力4 000～8 000 N、粒徑1～5 mm、水解木質(zhì)素添加量0～40%（占原料總質(zhì)量的比例），在試驗(yàn)中考察其他參數(shù)的影響時(shí)將設(shè)定壓力6 000 N、水分含量12%、粒徑3 mm。實(shí)際生產(chǎn)中成型溫度由原料與模具摩擦所產(chǎn)生熱量決定，一般在110～130℃，本研究中將溫度設(shè)定為120℃。

1.2.2 比能耗（specific energy consumption, SEC）

根據(jù)壓縮成型過(guò)程中壓力-位移曲線，由式（1）計(jì)算顆粒壓縮過(guò)程的SEC[11]（未考慮模具加熱能耗）。

式中，SEC為壓縮過(guò)程比能耗，kJ/kg；W為總能耗，J；m為顆粒質(zhì)量，g；f為壓力，N；s為位移，m。

1.2.3 松弛密度（relaxed density, RDS）

顆粒密封保存兩周后，測(cè)量其直徑、長(zhǎng)度和質(zhì)量，計(jì)算密度，即為RDS[12]，見(jiàn)式（2）。

式中，RDS為顆粒松弛密度，kg/m3；m為質(zhì)量，kg；d為直徑，m；l為長(zhǎng)度，m。

1.2.4 Meyer強(qiáng)度（Meyer Hardness,HM）

HM定義為壓碎顆粒時(shí)，單位壓痕面積上的作用力。將儲(chǔ)存兩周的顆粒水平放置在壓桿下端（半圓形），壓桿正對(duì)顆粒中心位置，調(diào)用HM測(cè)試程序，下行速度為5.00 mm/min，壓桿下行時(shí)壓力-位移曲線中壓力快速升高后突然下降的點(diǎn)對(duì)應(yīng)顆粒的破碎點(diǎn)[13-14]，依據(jù)破碎點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算HM，見(jiàn)式（3）。

式中，HM為顆粒的Meyer強(qiáng)度，N/mm2；F為顆粒破碎時(shí)壓力，N；h為壓桿壓入深度，mm；D為壓桿直徑，7.00 mm；DP為顆粒直徑，10.00 mm。

1.2.5 微觀形貌分析

采用日立S-4800 FESEM場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)顆粒內(nèi)部橫斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀觀察[15]。試驗(yàn)前先對(duì)樣品截面進(jìn)行噴金，形成導(dǎo)電膜層，增強(qiáng)成像質(zhì)量，試驗(yàn)中電壓為2 kV。

2 結(jié)果與分析

2.1 成型參數(shù)對(duì)顆粒品質(zhì)的影響

2.1.1 水解木質(zhì)素添加量和水分含量

水解木質(zhì)素添加量和水分含量對(duì)成型顆粒品質(zhì)的影響見(jiàn)圖1。SEC見(jiàn)圖1a，水分含量不變時(shí)，添加量增加，SEC先減小再增大，存在SEC最低點(diǎn)；添加量為0～30%時(shí)，水分含量增加，SEC降低；添加量為 40%時(shí)，水分含量增加，SEC增大。RDS見(jiàn)圖1b，水分含量不變，木質(zhì)素添加量增大，RDS增大。HM見(jiàn)圖1c，當(dāng)水分含量不變時(shí)，添加量增加，HM先增大后減小，并在添加量為20%～30%時(shí)達(dá)到最大；在相同添加量條件下，水分含量為12%時(shí)HM最大。

成型時(shí)，水是天然的黏結(jié)劑和潤(rùn)滑劑，一定量的水可在粒子間形成薄膜，增加粒子間接觸面積和作用力，減少能耗。因此，一定添加量范圍內(nèi)，水分含量增加，SEC減小。但過(guò)多的水不能被粒子吸收而附著在表面，形成弱的結(jié)合層，粒子不易被壓緊，HM和RDS降低[16]，水分含量12%～14%為宜。

圖1 水解木質(zhì)素添加量和水分含量對(duì)顆粒品質(zhì)的影響Fig. 1 Effect of hydrolysis lignin adding amount and material moisture content on SEC, RDS and HM

2.1.2 水解木質(zhì)素添加量和壓力

水解木質(zhì)素添加量和壓力對(duì)成型顆粒品質(zhì)的影響見(jiàn)圖 2。SEC見(jiàn)圖 2a，壓力不變，添加量增加，SEC先減小再增大，存在SEC最低點(diǎn)。RDS見(jiàn)圖2b，壓力不變，添加量增加，RDS增大。添加量不變，壓力增大，RDS增加，壓力小于6 000 N時(shí)，RDS增加較快，壓力大于6 000 N時(shí)，RDS增加緩慢。HM見(jiàn)圖2c，壓力不變，添加量增加，HM先增大后減小，存在HM最高點(diǎn)。4 000～7 000 N時(shí)水解木質(zhì)素最佳添加量為30%，8 000 N時(shí)最佳添加量為20%。添加量不變，壓力增大HM增大，壓力小于6 000 N時(shí)，HM增大較快，壓力大于6 000 N時(shí)，HM增加緩慢。

上述分析表明，只有在一定的壓力下，黏結(jié)劑才能起到黏結(jié)作用使粒子緊密結(jié)合。壓力增加，粒子間距減小，作用力增強(qiáng)，黏結(jié)作用增強(qiáng)，顆粒RDS和HM增大，壓力增大，投入的能量增加，SEC增加[17]，宜將壓力保持在6 000～7 000 N。

圖2 水解木質(zhì)素添加量和壓力對(duì)顆粒品質(zhì)的影響Fig. 2 Effect of hydrolysis lignin adding amount and pressure on SEC, RDS, and HM

2.1.3 水解木質(zhì)素添加量和粒徑

水解木質(zhì)素添加量和粒徑對(duì)成型顆粒品質(zhì)的影響見(jiàn)圖3。SEC見(jiàn)圖3a，粒徑不變，添加量增加，SEC先減小再增大，存在SEC最小值。相同條件下，粒徑2 mm時(shí)SEC最小。RDS見(jiàn)圖3b，粒徑不變，添加量增加，RDS增大。添加量不變，不同粒徑間RDS變化不大，說(shuō)明粒徑對(duì)RDS的影響較小。HM

見(jiàn)圖3c，粒徑不變，添加量增加，HM先增大后減小，存在HM最大值。添加量不變，粒徑增加，HM先增大再減小。相同條件下，粒徑3 mm時(shí)HM最大。

其原因?yàn)?，粒?～2 mm時(shí)，粒子間接觸面積大，距離近，產(chǎn)生較大的范德華力、靜電力、氫鍵力等，RDS較大，但粒子間難以形成交叉結(jié)合，HM較??；粒徑為4～5 mm，粒子間縫隙未得到有效填充，RDS較小、SEC較大；粒徑為2～3 mm，粒子間縫隙較小，吸引力較強(qiáng)， RDS和HM較大，SEC較小[18]。因此，宜將粒徑保持在2～3 mm間。

生物質(zhì)成型主要利用木質(zhì)素的黏結(jié)作用，一定范圍內(nèi)，水解木質(zhì)素添加量增加，可增強(qiáng)黏結(jié)作用，使SEC減小和HM增大，但是添加量過(guò)多，會(huì)造成堆積，壓縮困難[19-20]，增大SEC和降低HM，宜將添加量保持在20%～30%。

2.2 微觀形貌分析

2.2.1 壓力

在水分含量12%、粒徑3 mm、水解木質(zhì)素添加量 20%條件下，不同壓力時(shí)顆粒內(nèi)部的微觀形貌見(jiàn)圖4。從圖4a中可以看出局部粒子間存在較深的裂縫；而圖 4b和圖 4c中，粒子間未見(jiàn)明顯裂縫，說(shuō)明壓力小于6 000 N時(shí)，壓力對(duì)顆粒品質(zhì)影響較大，壓力大于6 000 N時(shí)，影響不明顯[21]。

圖4 不同壓力時(shí)的掃描電鏡照片：（a）5 000 N；（b）6 000 N；（c）8 000 NFig. 4 Cross section of pellet at different pressure：(a) 5 000 N;(b) 6 000 N; (c) 8 000 N

2.2.2 粒徑

不同粒徑（水分含量12%、壓力6000 N、水解木質(zhì)素添加量20%）時(shí)顆粒內(nèi)部的微觀形貌見(jiàn)圖5。從圖5a中可以看出，粒子間基本呈現(xiàn)層狀堆積狀態(tài)，截面表面平整；從圖5b和圖5c可以看出，粒子間互相交叉堆積，留有縫隙，截面表面不平整[22]。

圖5 不同粒徑時(shí)的掃描電鏡照片：（a）2 mm；（b）4 mm；（c）5 mmFig. 5 Cross section of pellet with different particle size：(a) 2 mm;(b) 4 mm; (c) 5 mm

2.2.3 水解木質(zhì)素添加量

不同水解木質(zhì)素添加量（水分含量12%、壓力6000 N、粒徑3 mm）時(shí)顆粒內(nèi)部的微觀形貌見(jiàn)圖6，從圖6a中可以看出水解木質(zhì)素在粒子表面覆蓋不均勻；從圖6b和圖6c中可以看出水解木質(zhì)素在粒子表面均勻覆蓋，同樣說(shuō)明適宜的添加量20%～30%。

圖6 不同水解木質(zhì)素添加量時(shí)的掃描電鏡照片：（a）10%；（b）20%；（c）30%Fig. 6 Cross section of pellet with different adding amount of hydrolysis lignin：(a) 10%; (b) 20%; (c) 30%

3 結(jié) 論

研究了不同條件（水分含量8%～16%、壓力4 000～8 000 N、粒徑1～5 mm）下，添加水解木質(zhì)素（0～40%）對(duì)桉木屑成型特性的影響，并采用掃描電鏡的觀測(cè)了顆粒內(nèi)部橫斷面結(jié)構(gòu)的微觀形貌。

（1）在水分含量12%～14%、壓力6 000～7 000 N、粒徑2～3 mm時(shí)，成型顆粒具有較大的RDS、HM和較小的SEC，為適宜的成型條件。

（2）水解木質(zhì)素的添加能夠改善桉木屑的成型效果，但添加量不宜過(guò)多，20%～30%為適宜的添加量范圍。

（3）顆粒內(nèi)部橫斷面結(jié)構(gòu)掃描電鏡觀察顯示，水解木質(zhì)素添加量為20%～30%時(shí)能夠在粒子表面均勻覆蓋。