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木屑致密成型燃料微观结构观察与分析 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 13-11-02

0、引言
    20世纪70年代,由于全球能源危机的出现,人们认识到煤、石油等化石能源的有限性和化石能源的过度使用所造成的环境污染问题。日益严重的环境污染问题已经引起了世界各国的广泛关注。环境问题与能源问题密切相关,解决好环境问题的关键是解决好能源问题。于是,可再生能源的研究逐渐引起人们重视。木材是重要能源。根据丹麦能源局1997年有关能源生产的调查,木材能源产量大约是21 PJ,约合500 000 t石油,占可再生能源生产总量的28%。据调查资料显示,我国陆地林木生物质总量达180亿t以上,林业“三剩物”(采伐剩余物、造材剩余物、加工剩余物)的总量在8~10亿t。此外,我国还有5 700万公顷宜林土地和1亿公顷不适宜发展农业的边际性土地,开发利用林木生物质能源潜力巨大。
     目前,关于生物质能的利用途径主要有:生物质直接燃烧技术,生物质压缩成型和炭化技术,生物质气化技术,生物质热裂解液化技术等。生物质致密成型技术( BBT)是近些年来在我国兴起的一种新型生物质能利用技术,正逐渐被人们重视。生物质致密成型的机理是利用生物质中的木质素在高温下软化、产生胶黏作用再挤压成型。经过国内外研究机构几十年的探索,生物质致密成型技术已经相当成熟,但生物质致密成型燃料的燃烧设备还不成熟。主要原因是对生物质致密成型燃料的微观结构和燃烧机理研究不够深入,导致在设计生物质致密成型燃料燃烧设备时,设计参数选取不准。目前大部分生物质致密成型燃料燃烧设备在设计时,均是参照煤的燃烧机理进行选用,缺乏科学依据。这将影响生物质致密成型燃料的正常燃烧,导致燃烧设备效率低下,从而影响生物质致密成型燃料的应用与推广。为解决此问题,故提出了研究生物质致密成型燃料微观结构的课题。本课题专门针对木屑成型燃料,对木屑致密成型燃料的微观结构进行观察分析,以期找出微观结构的特点与燃烧效率之间的关系,为今后研究生物质致密成型燃料的燃烧机理成型设备及燃烧设备提供理论基础。
    富通新能源生产销售的秸秆颗粒机木屑颗粒机秸秆压块机专业压制生物质颗粒燃料。
1、试验设计
1.1试验原料与分析
    本实验以木屑致密成型燃料为研究对象,这些燃料来自河南农业大学毛庄科技实验园区,为便于观察,先将部分木屑致密成型燃料加工成直径9 mm、厚6 mm的圆形片;然后根据实验需要对部分木屑致密成型燃料进行粉碎,再用分样筛进行分级。本实验选用规格为80目的分样筛。
    木屑致密成型燃料的元素分析结果见表1。从表中可以看出木屑致密成型燃料元素组成成分主要是碳元素和氧元素,其次是氢元素,同时还有微量的氮、硫元素。
    依据GB212 - 77《煤的工业分析方法》进行木屑致密成型燃料的工业分析。首先在自动控温通风式干燥箱中105℃烘干至恒重,然后在SX -8 - 10型箱式多功能电阻炉中,800qC灰化4h,最后通过计算试样前后的质量变化,即可求得燃料的含水量、可燃物含量及灰分含量,低位发热量是在XPY -1A数显氧弹式热量计上测定。由于燃料的形状比较规则,故可以直接测量出其体积和质量,进而求出其密度。测试结果见表2。
    木屑致密成型燃料纤维素、半纤维素、木质素及中性洗涤剂溶解物含量由FIWE/3自动纤维素测定仪测定,结果如表3所示。
    由表3可以看出,木屑致密成型燃料主要由纤维素、半纤维素和木质素组成,同时还含有酸不容灰分等成分。纤维素是世界上最丰富的有机化合物,是植物细胞壁的主要成分,构成了植物支撑组织的基础。木材中纤维素的平均含量约为50%。纤维素分子的链与链之间借助分子之间的氢键形成像绳索状结构,具有一定机械强度和韧性。半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体,其中木聚糖是构成半纤维素的主要成分,通常被选为模化物用来研究半纤维素。木聚糖在木质组织中占总量的50%。半纤维素热解温度一般发生在473~573 K,在高温区域。木聚糖热解产物在高温区域,木聚糖热解产物大部分是挥发分和焦炭,在不同的炭化条件下,焦炭产量在10%,20%。木质素足由聚合的芳香醇构成的一类物质,存在于木质组织中,主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。木质素主要位于纤维素纤维之间,起抗压作用。由于木质素本身在结构上具有庞大性和复杂性,在化学性质上具有极不稳定性等,使得迄今为止还没有一种方法能得到完整的天然木质素结构,而只能得到一些木质素的结构模型。如图l为木质素的结构模型;图2为生物质的典型化学结构示意图。
1.2试验仪器
    高精度电子天平,max=200 g,d=0,1 mg;200 kV场发射透射电子显微镜,型号:JFM - 2100F;BCH -1型半自动碳氖测定仪;ZCL -2型自动定硫仪;自动控温通风式干燥箱、计时器等;自制孑L隙率试验台;液压式万能试验、验机。
1.3试验方法
    通过液压式万能试验机,对80目样品在套筒内进行增压,制备基准体。套筒内经18 mm,外径300 mm,高70 mm。在增压时,不是压力越大越好,当压力增加到一定程度时,再增大压力成型块的体积变化很小,相反磨损程度大大增加。一般,当原料的体积减少量小于增压前体积的0.5%时,此时的压力定为该种材料的密实压力。确定完基准体的密实压力之后,进而确定成型燃料的相对空隙率。最后利用200 kV场发射透射电子显微镜对木屑致密成型燃料基准体的微观结构进行观察与分析。扫描电镜是用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。所观察的位置为木屑致密成型燃料的自然断面,断面不作特殊处理,仅用洗耳球吹去表面的粉末,保持断面结构状态。由于木屑致密成型燃料并非导电材料,因此在进行扫描之前,要先在成型燃料的截面上进行镀膜处理(采用离子溅射镀膜法),在截面表面镀上一层导电膜,以避免电荷累积,影响图像质量,并防止对试样的热灼伤,然后把干燥过的镀膜试样放在扫描电镜中试样座上观察。扫描电压为15 kV,放大倍数分别为100、500、1000和2000倍。
2、试验结果与分析
2.1试验结果
    80目样品在液压万能试验机和自制孔隙率试验台上的测试结果,如图3所示。
    图4-图7为在200 kV场发射透射电子显微镜下,得到的木屑致密成型燃料的微观图像。放大倍数分别为100、500、1 000、2 000倍。
2.2结果分析
    (1)首先,测定一定质量m木屑致密成型燃料的密度p.;其次,是计算出质量为m的木屑致密成型燃料的体积;第三,计算出质量为m木屑致密成型燃料标准体的体积第四,计算木屑致密成型燃料的相对孔隙率×100%。80目木屑粉为原料制作基准体时,其基准体终压为30 MPa(当压力增加为30 MPa时,体积减少率为0.41%<0.5%判断标准),密度为1 271.8 kg/m3。经过计算可得:河南农业大学HPB -IV型液压式成型机(辅助加热成型)生产的木屑直径为103 mm,密度为1 062 kg/m3的致密成型燃料,相对孔隙率为16, 5%;冷压成型的木屑秆直径为9.1 mm,密度为1050kg/m3颗粒成型燃料相对孔隙率为17. 4%。
    (2)散状木屑在被加工成致密成型燃料的过程中,木质素在温度为70一110℃时软化,具有粘性,当温度达到200~ 3000C时成熔融状,粘性高,此时在一定的压力下,增强分子间的内聚力,可将它与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒相互黏结,变得致密均匀,体积大幅度减小,密度显著增加。冷却后,成型燃料强度显著增加。在整个过程中,以物理变化为主,主要减少的是原散状木屑的孔隙率。压缩成型后的木屑致密成型燃料成分中绝大部分纤维素、半纤维素、木质素结构并未发生变化,只有成型燃料表面的小部分纤维素和半纤维素由于加热温度超过了150℃(一般加热温度为220℃)而炭化。
    (3)从木屑致密成型燃料断面电子扫描图上可以看出,木屑致密成型燃料的微观结构是层状和柱状的混合结构,纤维素结构物排列无序,相互交错,空隙较大。纤维素柱状物有纤维素层状物包裹,结合紧密,如图5。断面的形成有明显的相互牵拉的痕迹,进一步印证了纤维素结构物相互交错。主要结构物之间的填充物不明显,空隙较大。虽然木屑颗粒内部的纤维素结构内部结合紧密,且纤维素相互连接,但是木屑致密成型燃料是由粒径很小的木屑颗粒组成,木屑颗粒之间纤维素结合物被人为切断,颗粒之间连接物较少。木屑在加工时易成型,因为木屑中木质素含量较大,热成型时会成为粘结剂,但这种粘结剂没有纤维素本身牢固,在燃烧时会失去粘结性。故木屑致密成型燃料在燃烧时,水分含量较高时会出现成型块变散的现象。
3、结语
    木屑致密成型燃料与散状木屑相比,孔隙率大大减小,在燃烧时大大限制了挥发分的逸出速度,延长了燃烧时间,可提高燃烧效率。同时,在对木屑进行加工成型时,木屑中的木质素在一定温度下会成为粘结剂,促进成型,但水分含量过高,则会抑制成型,甚至出现“放炮”现象,因此要控制木屑的含水量。对木屑致密成型燃料微观结构的研究为生物质成型燃料燃烧设备的设计参数的选择奠定了理论基础,同时也为成型燃料加工设备的研制提供了理论支撑。
    富通新能源销售木屑颗粒机秸秆压块机秸秆颗粒机等生物质颗粒燃料成型机械设备,同时也销售大量的生物质颗粒燃料。

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