（热能工程专业论文）利用造纸废液制作小麦秆成型燃料的试验研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 自行设计了压缩试验模具，使用万能材料试验机，制作掺混造纸废液的小麦秆 成型块。试验研究与分析了不同废液浓度下，原料粒度、废液含量、施加压力等因 素对致密成型的影响规律，比较了分别掺混相同比例的废液与水的成型试验。研究 了成型燃料的抗跌碎性、抗渗水性，利用热重分析仪进行成型燃料燃烧特性试验。 试验研究结果表明：原料粒度0 1 5 m m ，压力7 5 m p a ，含废液率1 5 ，废液浓度5 0 的情况下，小麦秆成型效果较好。掺加造纸废液后，成型燃料易着火，但燃烧时间 较长，不会增加成型燃料的灰分。 关键词：造纸废液，小麦秆，成型物，压缩，燃烧 a b s t r a c t ac o m p r e s s i o nc o m b i n a t i o nm o u l dw a sd e s i g n e db yo u r s e l v e s w h e a ts t a l k b r i q u e t t em i x i n gp u l p i n gw a s t el i q u o rw a sm a d eu s i n gu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e t h e i n f l u e n c el a wo fs o l i d i f i c a t i o nc a u s e db yp a r t i c l es i z e ，p r o p o r t i o no fw a s t el i q u o ra n d p r e s s u r ew a ss t u d i e du n d e r d i f f e r e n tw a s t ec o n c e n t r a t i o n t w of o r m i n ge x p e r i m e n t sw e r e c o m p a r e dm i x i n gp u l p i n gw a s t el i q u o ra n dw a t e rr e s p e c t i v e l yi nt h es a m ep r o p o r t i o n t h eb r o k e n - r e s i s t a n c ea n dw a t e r - r e s i s t a n c eo ft h eb r i q u e t t e sw e r es t u d i e d c o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r i q u e t t e sw e r ea n a l y z e db yt h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y z e r r e s u l t s s h o w e dt h a tt h eb e t t e rm o l d i n ge f f e c tw a sb o r ni nf o l l o w i n gs i t u a t i o n ：p a r t i c l es i z e0 - - 15 m m ， p r e s s u r e7 5 m p a ，r a t i oo fp u l p i n gw a s t el i q u o r15 a n dc o n c e n t r a t i o no fp u l p i n gw a s t el i q u o r 5 0 a d d i n gp u l p i n gw a s t el i q u o rc o u l dl o w e rt h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r e ，b u ti n c r e a s e d t h eb u r n i n gt i m e i th a dn oi n f l u e n c eo nt h ea s hc o n t e n to ft h eb r i q u e t t e s c u in i n g n i n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nw e i p i n g k e yw o r d s ：p u l p i n gw a s t el i q u o r , w h e a t s t r a w , b r i q u e t t e ，c o m p r e s s i o n ， c o m b u s t i o n 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 自行设计了压缩试验模具，使用万能材料试验机，制作掺混造纸废液的小麦秆 成型块。试验研究与分析了不同废液浓度下，原料粒度、废液含量、施加压力等因 素对致密成型的影响规律，比较了分别掺混相同比例的废液与水的成型试验。研究 了成型燃料的抗跌碎性、抗渗水性，利用热重分析仪进行成型燃料燃烧特性试验。 试验研究结果表明：原料粒度0 1 5 m m ，压力7 5 m p a ，含废液率1 5 ，废液浓度5 0 的情况下，小麦秆成型效果较好。掺加造纸废液后，成型燃料易着火，但燃烧时间 较长，不会增加成型燃料的灰分。 关键词：造纸废液，小麦秆，成型物，压缩，燃烧 a b s t r a c t ac o m p r e s s i o nc o m b i n a t i o nm o u l dw a sd e s i g n e db yo u r s e l v e s w h e a ts t a l k b r i q u e t t em i x i n gp u l p i n gw a s t el i q u o rw a sm a d eu s i n gu n i v e r s a lt e s t i n gm a c h i n e t h e i n f l u e n c el a wo fs o l i d i f i c a t i o nc a u s e db yp a r t i c l es i z e ，p r o p o r t i o no fw a s t el i q u o ra n d p r e s s u r ew a ss t u d i e du n d e rd i f f e r e n tw a s t ec o n c e n t r a t i o n t w of o r m i n ge x p e r i m e n t sw e r e c o m p a r e dm i x i n gp u l p i n gw a s t el i q u o ra n dw a t e rr e s p e c t i v e l yi nt h es a m ep r o p o r t i o n t h eb r o k e n - r e s i s t a n c ea n dw a t e r - r e s i s t a n c eo ft h eb r i q u e t t e sw e r es t u d i e d c o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h eb r i q u e t t e sw e r ea n a l y z e db yt h e r m o g r a v i m e t r i ca n a l y z e r r e s u l t s s h o w e dt h a tt h eb e t t e rm o l d i n ge f f e c tw a sb o r ni nf o l l o w i n gs i t u a t i o n ：p a r t i c l es i z e0 - - 15 m m ， p r e s s u r e7 5 m p a ，r a t i oo fp u l p i n gw a s t el i q u o r15 a n dc o n c e n t r a t i o no fp u l p i n gw a s t el i q u o r 5 0 a d d i n gp u l p i n gw a s t el i q u o rc o u l dl o w e rt h ei g n i t i o nt e m p e r a t u r e ，b u ti n c r e a s e d t h eb u r n i n gt i m e i th a dn oi n f l u e n c eo nt h ea s hc o n t e n to ft h eb r i q u e t t e s c u in i n g n i n g ( t h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a nw e i p i n g k e yw o r d s ：p u l p i n gw a s t e l i q u o r , w h e a ts t r a w , b r i q u e t t e ，c o m p r e s s i o n ， c o m b u s t i o n 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文利用造纸废液制作小麦秆成型燃料的 试验研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丝主i e l期：助只弓1 0 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：熊宣宝 日期：丝! 墨：z l 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着世界经济的快速发展和人口数量的迅速增加，人类对能源的需求也随之增 加，人类赖以生存的化石能源却不断减少。另一方面，化石能源的使用引起了日益 严重的环境问题：全球气候变暖、酸雨、臭氧层破坏等等。能源危机与环境污染成 为全球面临的共同难题，开发和利用新能源技术势在必行。 1 2 研究目的和意义 1 2 1 开发利用生物质能的现实意义 ( 1 ) 不可再生能源的有限性及环境破坏性 据专家预测，当今世界使用的三大主要能源石油、天然气、煤炭，按当前经济 发展速度对能源的需求，可开采利用量将分别在4 0 、6 0 、2 0 0 年内耗尽【l 】。另外， 作为主要能源的化石能源在为人类做出巨大贡献的同时，也在严重地破坏人类的生 存环境，其主要表现在：全球气候变暖、臭氧层损害、破坏生态圈碳平衡、释放有 害物质、引起酸雨等自然灾害。 我国是一个能源消耗大国，一次能源消费仍以煤炭为主。2 0 0 3 年我国能源消费 总量1 6 7 8 亿吨，位居世界第二，约占世界能源消费总量的1 1 ，其中煤炭占6 7 1 ， 原油占2 2 7 ，天然气占2 8 ，可再生能源及其他能源占7 4 【2 】。2 0 0 7 年，中国 能源消费量总量是2 6 5 亿吨标准煤，仍是世界上第二大能源消费国【3 】。矿物燃料的 消耗比例过重，导致我国能源结构不合理，加上我国高能耗、低效率的利用技术， 环境污染日趋突出。全国大气中9 0 的s 0 2 、8 0 的烟尘和8 5 c 0 2 的排放是燃煤 造成的，酸雨面积己超过我过国土面积的3 0 。2 0 0 1 年我国c 0 2 排放量达到3 l 亿 吨，占全球排放量的1 3 ，居世界第二【4 1 。 ( 2 ) 生物质能的丰富及清洁性 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它仅次于煤炭、石油、天然气，居 世界能源消费总量的第4 位，在整个能源系统中占有重要地位。 生物质能蕴藏量巨大，而且是可再生的能源。只要有阳光照射，绿色植物的光 合作用就不会停止，生物质能也就永远不会枯竭。生物质能具有普遍性、易取性， 华北电力大学硕士学位论文 几乎不分国家、地区，它到处都在，而且廉价、易取，生产过程极为简单。 我国的生物质能资源主要是农业废弃物、森林和林产品剩余物及城市生活垃圾 等。农业废弃物资源分布广泛，其中农业秸秆年产量超过6 亿吨，可作为能源用途 的秸秆折合约1 2 0 0 0 p j ，农产品加工和畜牧业废弃物理论上可产沼气近8 0 0 亿m 3 【5 1 。 专家认为，到2 0 15 年，全球总能耗将有4 0 来自生物质能源【6 】。根据中国工程院中 国可持续发展能源战略研究预测，2 0 5 0 年我国生物质能开发利用量将达到2 7 5 亿吨，占一次能源供应量的8 t 1 7 1 。 与矿物能源相比，生物质在燃用过程中，对环境污染小。如生物质的灰分含量 低于煤；含碳量通常比煤少；特别是含硫量比煤少得多，煤的含硫量一般为0 5 1 5 ，而生物质的含硫量一般少于0 2 。硫在燃烧过程中产生形成酸雨的主要原因 s 0 2 。生物质燃用时排放氮氧化物和烟尘比燃煤时少。燃用生物质时产生的c 0 2 ， 又可被等量生长的植物光合作用所吸收，这就是人们常说的实现c 0 2 零排放，这对 降低“温室效应”极为有利。 人类正面临能源与环境问题的严峻挑战，开发利用新能源取代化石常规能源是 事关经济持续发展、社会进步的重大课题。而生物质能则不仅是最安全、最稳定的 能源，而且通过一系列转换技术，可以生产出不同品种的能源。目前，世界各国， 尤其是发达国家，都在致力于开发高效、无污染的生物质能利用技术，保护本国的 矿物能源资源，为实现国家经济的可持续发展提供根本保障。 1 2 2 生物质能的利用技术 生物质能源转换技术包括化学转换、物理转换、生物转换三种技术，见图1 1 【8 】。 生物质 物理转换化学转换 生物转换 网 体 成 型 燃 料 图1 - 1 生物质能转换技术 2 上 酵发 解乙醇 水 麟+ 甲烷气 己 骚、蠢液 一 厂木炭 置秘 一汀疆 一 、|l|卜嚣正0 番 一 矗 潍 一 截f 燃料油 一烧 了茼毛泰气厂一上蝻”一汽 鲋 r 热气流 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 生物质物理转换技术 生物质物理转换技术主要是指生物质压缩成型技术。将农林剩余物进行粉碎烘 干分级处理，放入成型挤压机，在一定的温度( 或添加粘结剂) 和压力下形成较高 密度的固体燃料。该方法使用专用技术和设备，在农村有很大推广价值。 ( 2 ) 化学转换技术 生物质化学转换包括直接燃烧、液化、气化、热解等方法，其中，最简单的利 用方法是直接燃烧。但是，直接燃烧烟尘大、热效率低、能源浪费大。 生物质热解技术是生物质受高温加热后，其分子破裂而产生可燃气体( 一般为 c o 、h 2 、c h 4 等的混合气体) 、液体( 焦油) 及固体( 木炭) 的热加工过程。 采用直接热解液化方法可将生物质转变为生物燃油。据估算，生物燃油的能源 利用效率为直接燃烧的4 倍，且辛烷值较高，若将生物燃油作为汽油添加剂，其经 济效益更佳显著。 生物质气化是将固体或液体燃料转化为气体燃料的热化学过程。生物质与煤相 比，挥发份含量高、灰分含量少，固定碳含量虽少但活性却比煤的高许多。因此， 生物质通过气化后加以利用，比煤气化后再利用的效果要好。 ( 3 ) 生物转换技术 该技术主要是利用生物质厌氧发酵生成沼气和在微生物作用下生成酒精等能源 产品。 1 2 3 生物质固化成型技术的必要性 农作物秸秆开发利用的过程中，由于其结构疏松、分布分散，所以为收集、运 输、存储带来了很大困难，加之其能量密度低，所以只能当做低品味能源使用，且 很少具有商业价值。如何利用生物质能、怎样提高生物质燃料的燃烧效率、减少浪 费是当前世界各国都在进行的研究课题。由1 2 2 节所知，开发生物质燃料的研究 主要集中在三个方面：( 1 ) 将生物质原料气化成可燃气体( 2 ) 将生物质原料降解 为液体燃料( 3 ) 将生物质原料加工成固体燃料，提高其燃烧效率。前两种主要是 通过化学反应、生物降解的方式生成乙醇、柴油、沼气、氢气等，生产成本相对较 高，没有大量被用于生产和日常生活，1 且气化技术目前主要集中在固定床空气气化， 产生的木质气热值较低，生物质气中焦油含量较高，容易造成管路堵塞，试运行缺 乏持续稳定性【9 】。生物质固化成型技术是将各类松散的生物质原料( 主要是农作物 秸秆、农产品加工废弃物、林木加工废弃物等) 用机械加压( 加热或不加热) 的方法， 华北电力大学硕士学位论文 使原来松散的、没有一定形状的原料压缩成一定形状的、密度较大的成型燃料【l 们。 生物质固化成型燃料具有加工简单、成本较低、便于储存和运输、易着火、燃烧性 能好、热效率高的优点【1 1 1 ，可作为炊事、取暖的燃料，也可以作为工业锅炉和电厂 的燃料【1 2 】。生物质成型技术是生物质有效利用方面非常有前途的技术，且符合国际 生物质能利用发展总趋势和中国国情，与“气化 等技术相比成本低、易于实施。 对生物质能源丰富的贫油、贫煤国家来说，成为一种发展前景非常可观的替代能源。 因此，作为生物质转化的重要手段和方法，压缩成型技术的研究越来越受到人们的 重视。并且从能源短缺和环境保护出发，生物质固化技术的研究将成为一项迫在眉 睫的重大课题。 1 3 农业废弃物固化成型技术的研究现状 目前，欧盟许多国家已经把发展生物质能源作为解决本国就业、替代化石能源 和减少大气污染等问题的战略措施来对待。 1 3 1 成型工艺及工艺流程 生物质压缩成型在加工方式上可分为冷压成型与热压成型，干态成型与湿压成 型，以及加粘结剂或不加粘结剂。根据主要工艺特征的差别，可将这些工艺从广义 上分为常温湿压成型、热压成型和碳化成型和冷压态成型。 ( 1 ) 常温湿压成型工艺 常温湿压成型工艺常用于含水量较高的原料【4 1 。纤维类原料经一定程度的腐化 后，会损失一定能量，但是其挤压、加压性能会有明显改善。纤维类原料在常温下， 浸泡数日水解处理后，其压缩成型特性明显改善，纤维变得柔软、湿润皱裂并部分 降解，易于压缩成型。利用简单的模具，将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出， 即可形成低密度的压缩成型燃料块。这一技术在泰国、菲律宾等国得到一定程度的 发展，所生产的成型燃料平均热值约2 3 k j k g ，被当地称“绿色碳，在燃料市场上 具有一定的竞争能力【13 1 。 常温湿压成型一般设备比较简单，容易操作，但是成型部件磨损较快，烘干费 用高，多数产品燃烧性能较差。 ( 2 ) 热压成型工艺 热压成型工艺是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺流程为：原料粉 碎一干燥混合一挤压成型一冷却包装。 华北电力大学硕士学位论文 热压成型技术发展到今天，已有各种各样的成型工艺问世，总的看来可以根据 原料被加热的部位不同，将其划分为两类：一类是原料只在成型部位被加热，称为 “非预热热压成型工艺 ；另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位被分别 加热，称为“预热热压成型工艺”。两种工艺的不同之处在于预热热压成型工艺在 原料进入成型机之前对其进行了预热处理，这样降低了成型所需压力，从而大幅度 提高了成型部件的使用寿命，显著降低了单位能耗【1 4 】。 ( 3 ) 炭化成型工艺 根据工艺流程不同，炭化成型工艺又可分为两类，一类是先成型后炭化；一类 是先炭化后成型。 先成型后炭化工艺 工艺流程为：原料粉碎一干燥一成型一炭化一冷却包装。 先用压缩成型机将松散细碎的植物废料压缩成具有一定密度和形状的燃料棒， 然后，用炭化炉将燃料棒炭化成木炭。 先炭化后成型工艺 工艺流程：原料一粉碎除杂一炭化一混合粘结剂一挤压成型一成品干燥一包 装。 先将生物质原料炭化成粉粒状木炭，然后再添加一定量的粘结剂，用压缩成型 机挤压成一定规格和形状的成品木炭。由于原料纤维结构在碳化过程中受到破坏， 高分子组份受热裂解转换成炭并释放出挥发份，使其挤压成型特性得到改善，成型 部件的机械磨损和挤压过程中的能量消耗降低。但是，炭化后的原料在挤压成型后 维持既定形状的能力较差，贮运和使用时容易开裂和破碎，所以压缩成型时一般要 加入一定量的粘结剂。如果在成型过程中不使用粘结剂，要保证成型块的贮存和使 用性能，则需要较高的成型压力，这将明显提高成型机的造价。 ( 4 ) 冷压成型工艺 生物质冷压成型工艺即在常温下将生物质原料高压挤压成型的过程。其粘接力 主要是靠挤压过程所产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化粘接。 冷压成型工艺一般需要很大的成型压力，为了降低成型压力，可在成型过程中 加入一定的粘结剂。如果粘结剂选择不合理，会对成型燃料的特性有所影响，因此 在冷压成型工艺中，粘结剂的选择是致关重要的。 华北电力大学硕士学位论文 1 3 2 成型影响因素的研究现状 影响固化成型的主要因素有：原料种类、原料含水率、原料粒度、成型压力与 模具尺寸、加热温度、粘结剂的添加等。这些影响因素在不同压缩成型方式下的表 现形式也不尽相同。目前为止，我国对农作物秸秆成型影响因素研究的较多。影响 生物质压缩成型的因素非常复杂，早期研究主要关心的是压力与密度的关系，忽视 了其他各种因素的影响。国内外学者对各因素的最优选择无法实现统一，这主要是 因为压缩条件、压缩方式、压缩对象等还有较大的差异。从今后的研究趋势来看， 要揭示纤维物料的压缩规律，必须对各种因素、各种性能指标进行系统的研究。 1 3 2 1 原料属性 ( 1 ) 原料种类 不同种类的原料，其压缩成型特性有很大差异。原料的种类不但影响成型的质 量，如成型块的密度、强度、热值等，而且影响成型机的产量及动力消耗。 ( 2 ) 原料含水率 原料的含水率是生物质压缩成型过程中需要控制的一个重要参数。各种农作物 秸秆的含水率对压缩成型的影响很大。含水率过高或过低都不利于秸秆成型。含水 率过低，秸秆由于压缩变形而折断，降低了秸秆的交织结合能力，成型块易松散； 含水率过高，造成秸秆出模后的弹性恢复增大，从而降低秸秆成型块的密度。 m e w e s 1 5 】研究了秸秆含水率在8 - 2 3 ( 湿基) 范围内变化时对成型的影响。 不同的含水率下的压力一密度曲线相似，但随着含水率的增加，相同压力条件下的 密度有所增加。o o o g h e r t y 和他的同事进行了小麦秸秆含水率对秸秆压缩成型影响 的详细研究。试验结果表明：当秸秆含水率高于3 5 时，不能压制出稳定粘结的成 型块，原因是成型块出模后的松弛比太大【1 6 】。其最有意义的发现是，在一定的压力 下，松弛密度随含水率的增加而呈以下指数函数关系减小： r r = a e 一“w ( 1 - 1 ) 式中：m w - - 湿基含水率， a 、c 一试验常数 0 d o g h e r t y 等人研究表明：压力对成型块的影响很大程度上取决于秸秆的含水 率。针对秸秆，他们得出的含水率压力和密度之间的关系式如下： = c il n ( c 2 p ) c 3 p c 4 】q ”w ( 1 2 ) r 华北电力大学硕士学位论文 m w - - - - 湿基含水率， c l 、c 2 、c 3 、c 4 、g 一与松弛密度有关的试验常数 ： ， 这项工作的重要发现是：松弛密度相同的成型块，随着物料含水率的增加所需 的压力也相应地增加，并且曲线呈渐近于一特殊含水率的趋势。这就给产生不同松 弛密度的秸秆成型限制了最高含水率【1 7 】。 o d o g h e r t y 和他的同事还发现【l 7 】：当原料的含水率在1 3 1 7 范围内时，成型 块的耐久性最大。含水率在1 0 - - 一2 0 范围内的成型块，翻转试验后质量的损失率小 于3 。并且发现各种成型块的耐久性与松弛密度有密切的关系，当松弛密度小于 2 5 0 - - 3 0 0k g m 3 时，成型块的耐久性迅速下降。在小麦秆的耐久性试验中发现成型 块质量损失百分比与松弛密度具有以下关系： w = 1 0 1 ( 一1 7 8 ) 卸抛 ( 1 - 3 ) 当含水率小于1 2 时，质量损失少有增加，这主要是因为当含水率小于1 2 ， 秸秆的脆性增加，从成型块两个端面脱落的秸秆较多的缘故。 ( 3 ) 原料粒度 原料颗粒度的大小也是影响压缩成型的重要因素。对于某一确定的成型方式， 原料的粒度大小应不大于某一尺寸。一般来说，粒度小的原料容易压缩，粒度大的 原料较难于压缩。在相同的压力及其实验条件下，其粒子的延伸率或变形率较大， 即粒径越小，越容易成型。这种倾向在要求原料粒度较小的成型方式条件下较为明 显。原料粒度不均匀，特别是形态差异较大时，成型物表面将产生裂纹，密度、强 度降低。 1 3 2 2 成型压力与摩擦力 成型压力是植物材料压缩成型最基本的条件。只有施加足够的压力，原材料才 能被压缩成型。f a b o r o d e 和o c a l l a g h a n 考虑了被压缩农业纤维物料的初始密度， 并提出了数学模型【1 8 】；b u t l e r 1 9 】等通过试验研究给出了一个可预测被压缩物料最终 密度的方程式，研究了压缩力与压缩密度或压缩量之间的关系： p - 讪( 拿 p 一压缩后物料的最终密度，k g m 3 p 一一压缩力，l b i n 之 ( 1 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 k 。、如物料的特性参数 试验说明：当压力较小时，密度随压力增加而增加的幅度较大，当压力增加到 一定值以后，成型物密度的增加就变得缓慢。成型压力与模具的形状尺寸有密切关 系，机器只能产生和摩擦力相同大小的成型压力，而摩擦力的大小与模具的形状尺 寸有直接关系【2 0 1 。秸秆压缩过程中由于成型块承受着成型套筒对其施加的径向力， 这将产生摩擦力，并消耗一定的能量。m e w e s ”】用含水率范围在8 2 3 的秸秆和 干草试验得出的结果是：用于压缩的能量占3 7 - 4 0 ，其余的能量主要用于克服摩 擦力。 1 3 2 3 保压时间与模具尺寸 成型块在最大工作压力下的保持时间是对成型有影响的又一个重要因素。有关 研究表明：将成型块在最高压力下保持一段时间能增加松弛密度。o d o g h e r t y 和 w h e e l e r 的试验表明：在最高压力下保持1 0 s ，能使松弛密度比没有滞留时间的增加 1 0 【1 6 】。并且释放后没有明显的松弛现象。m e w e s 将压块在最高压力下保持1 1 5 分钟，随着滞留时间的增加，松弛密度增加，但滞留超过1 分钟后，其松弛密度增 加相对很小【2 1 1 。 o d o g h e r t y 和肌e e l e r 【1 6 】在试验中选用与模子横截面相适应的填料量，分析模 子直径在2 5 - 7 5 m m 范围变化时对成型的影响。在模内压缩密度给定时，随着模子 直径增大，压缩所需的比能呈指数级下降。f a b o r o d e ，o c a l l a g h 等【8 】的试验结果表明， 有效体积模量的变化、孔隙度指数的变化、模壁摩擦力的相对影响都与模子直径变 化有关：当模子直径减小时，这些因素的变化都将导致比能随之减小。 国内目前主要采用圆筒模进行压缩成型研究，锥模和矩形模压缩成型相对于圆 筒模压缩成型应用较少，因此关于这方面的研究也很少，尤其是矩形模。为了减小 锥模压缩过程的摩擦力和消耗的压缩能，锥模的锥度、长度、入口直径是关键参数。 郭康权在研究凸凹模压缩成型时指出，模具的锥度是影响粉粒体压缩流动性和成型 性的主要因子，锥角大小偏大或偏小都会影响成型品质。在实际压缩成型时，要全 面考虑各种因素来确定模子的尺寸参数，例如，在热压成型中，模子直径太大不利 于传热和成型，太小又影响生产率。 1 3 2 4 粘结剂 为了使成型块在运输存储和使用时不致破损、裂开，并具有良好的燃烧性能， 理想的粘结剂必须能够保证成型块具有足够的强度和抗潮解性，而且在燃烧时不产 生烟尘和异味，最好粘结剂本身也可以燃烧。加入粘结剂有两种目的：一是增加压 块的热值，同时增加粘结力，例如加入l o 2 0 的煤或碳粉，就可以达到目的：二 华北电力大学硕士学位论文 是纯增加粘结力，减少动力输入，这要求生物质颗粒要小，便于粘结剂接触均匀。 一般在预压前输送过程中加入，便于搅拌。 常用的粘结剂可分为无机粘结剂、有- 机粘结剂和纤维类粘结剂三类。水泥、黏 土等无机粘结剂虽具有一定的粘结能力，但会增大燃料的灰分含量，降低热值，而 且压块在燃烧时会产生开裂现象，所以使用效果较差；沥青、焦油、淀粉等有机粘 结剂也具有较大的粘结能力。淀粉虽然在燃烧时不产生烟气，但其抗潮解能力较差， 焦油、沥青等的抗潮解能力较强，但在燃烧时会产生一定的烟气和异味；而造纸废 液和水解木纤维等工业废弃物纤维类粘结剂价格低廉，且具有较好的粘结能力【4 】。 文献【2 2 1 曾利用造纸废液提取木质素制作生物质颗粒燃料。 粘结剂对压块的密度和耐久性影响的研究，国外的研究主要是对低密度成型块 的研究。研究结果表明：粘结剂有助于压块的密度的增加和耐久性提高。但对高压 下的成型几乎没有研究。我国郭尚忠等人对高压成型多次进行了添加糖蜜的试验， 发现成型块的密度没有明显的提高。世界粮农组织( f a o ) 有关资料表明：高压成型 不需要粘结剂，中压成型添加粘结剂可明显的提高成型块的密度，而低压成型工艺 则必须添加粘结剂。 总之，压力、生物质原料的种类、含水率、颗粒度、粘结剂都是影响生物质成 型物理性能的主要因素。 1 3 3 成型设备的研究现状 生物质燃料致密成型技术的研究始于2 0 世纪初，到目前为止，世界上各个国 家研究的重点还是集中在生物质燃料的制造技术上。 ( 1 ) 活塞冲压式成型机 中国农业机械化科学研究院研制了c y j 3 5 型冲压式成型机，河南农业大学研 制了p b i 型冲压式成型机等。河南农业大学2 0 0 6 年对h p b v 型生物质成型机进行 了应用研究，所设计的往复式活塞双向挤压成型机构具有创新性。生产试验和分析 结果表明：该成型机可显著提高易损件的使用寿命，降低单位产品能耗，工作平稳， 成型可靠，成本低，投入回收期短，经济效益和环保效益明显，生产以秸秆为主的 生物质原料，推广前景广阔。 ( 2 ) 螺旋挤压式成型机 严永林通过对生物质固化成型技术的成型原理和工艺过程的分析，在实验的基 础上对现有螺旋挤压式成型设备的关键零件进行了分析，提出了改进方案。针对螺 旋轴的卡死现象，提出在飞轮和螺旋轴之间增加齿轮减速机构可以在相同功率条件 9 华北电力大学硕士学位论文 下增大螺旋轴的扭矩，以增大挤压力避免卡死。 中国林业科学研究院林产化学工业研究所研制成功了螺旋挤压式棒状燃料成 型机，主要由加热装置、双螺旋挤压装置和控制装置组成。其成型原理是：将生物 质原料加热，待木质素加热到软化状态产生一定的胶粘作用时，对其进行挤压成型。 西北农林科技大学研制出了j x 7 5 、j x l l 和s z j 8 0 a 三种植物燃料成型机。 ( 3 ) 压辊式颗粒成型机 黑龙江省畜牧机械化研究所于晓波等对9 k l 3 8 0 型秸秆饲料压块机进行了试验 研究，就压块机的试验情况进行了分析，采用了3 种压辊直径，通过电磁调速电机 作为试验动力，以验证不同压辊直径对成型块质量及生产率的影响，进而确定设备 的最佳结构参数。 内蒙古农机研究所的杨浩生针对饲草料压块机械存在发热、模孔堵塞、环模更 换与维修繁琐和制造工艺复杂等问题进行了设备改进，提高了设备的生产率、降低 了故障率。 2 0 0 4 年，清华大学清洁能源研究与教育中心以车战斌为主的研究小组，通过对 具有纤维结构生物质原料的研究和分析，研制出了常温成型颗粒燃料生产设备。原 料在自然干燥状态下被粉碎成细小颗粒或纤维状，然后放入机器中便可制成颗粒燃 料。成型机的装机功率为5 5 k w ，生产率可达到6 0 0 k g h ，能耗低于国外同类设备， 颗粒成型燃料产品的强度、热值均大于国外同类产品【2 3 1 。 我国学者针对成型设备存在的各种问题做了大量研究试验，对设备的关键部件 进行了改进，还对各类成型机进行比较分析，综合其优点进行了设备改造。但生产 率低、能耗大、成本高的问题需要继续解决。 1 4 本试验研究的主要内容、目的及意义 1 4 1 本试验研究的主要内容 本文对小麦秆掺混造纸废液进行压缩成型的试验研究。常温下，改变小麦秆原 料粒径、压力、保型时间，分别掺加造纸废液和水，并改变含水率、废液含量及废 液浓度，以确定小麦秆达到最佳成型效果的试验参数。 试验的主要内容有： ( 1 ) 制作试验模具，选定试验压缩用设备。 ( 2 ) 试验确定掺加造纸废液和掺加水相比对成型的影响有无作用。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 试验确定造纸废液的掺加量及废液浓度对成型的影响。 ( 4 ) 确定原料粒径、压力、压缩速度和保型时间等试验参数。 ： ( 5 ) 做成型物的抗水性、抗跌碎性试验，分析比较成型物的耐久性和稳定性。 ( 6 ) 分析评价成型燃料的燃烧特性。 1 4 2 研究目的及意义 非木纤维( 秸秆) 造纸过程中产生的废水有：( 1 ) 蒸煮后的纸浆原液经压滤后 残留的废液( 即黑液) 。( 2 ) 分离浓液产生的漂洗水。( 3 ) 造纸机产生的白水。造 纸机产生的白水，经处理后可以回用，但黑液和漂洗水则无法循环使用。该部分水 约占造纸厂污染物排放总量的9 0 以上，废液排放后将严重污染环境，故国家严禁 直接排放。 、 据科学时报2 0 0 6 年2 月15 日报道：目前，我国造纸工业废水排放量居各类 工业排放量的首位，县及县以上造纸及纸制品工业废水排放量为3 5 3 亿吨，占全国 工业总排放量的1 8 6 ，排放废水中c o d c r 为2 8 7 7 万吨，约占全国工业c o d c r 总排 放量的4 4 ，其中，碱法制浆产生黑液的污染占制浆造纸生产线产生废水总污染的 9 0 左右。中国科学院过程工程研究所张小勇研究员介绍，制浆造纸工业水污染的 防治，首先必须对造纸黑液进行源头治理。目前最为行之有效的方法是碱回收装置 技术，即对黑液进行蒸发浓缩后作为燃料燃烧，回收碱和热能。但由于秸秆浆存在 滤水性能差、黑液黏度大、含硅量高等不利因素，使碱回收的成本很高，年产1 7 万吨规模的造纸厂仅保持微利运行，而一般小造纸厂无力承担。造纸黑液污染问题 长期得不到解决的根本原因，是缺乏学科的交叉和相关研究成果的综合应用。造纸 黑液的治理涉及化工、农业和环境等诸多领域的知识，只有将这些相关的知识和成 果进行整合，充分发挥各学科的优势，构建一个科学的、完整的、有效的、可操作 的技术体系，才能从根本上解决秸秆碱法制浆造纸黑液污染的重大问题。 造纸原料用的秸秆，均含有纤维素、木质素和半纤维素( 聚糖类) 三部分，造 纸仅取用其中的纤维素( 约占4 0 ) ，而其中约占2 5 的木质素与约占2 8 的半纤维 素以及木糖、钾、氮、磷等物，则随黑液废弃。而黑液中所含的木质素、半纤维素 以及木糖、钾、氮、磷等物质，在工、农业生产中都是有很高利用价值的。这些生 成的碳水化合物起粘结作用。其中，木质素本身就有粘结性【2 4 1 。 本研究采用的常温高压致密成型技术与目前应用普遍的加热成型技术相比具 有以下优点：对含水率要求不高，物料成型过程中不会发生在加热成型时因原料 含水率过高而引起的“放炮”现象；省去了电加热损耗，达到了节能效果，同时 华北电力大学硕士学位论文 减轻了由加热引起的机械设备磨损和生物质的热能损耗；成型燃料的热值等于原 料的热值：常温高压致密成型不破坏原料的分子结构，无化学反应和加热裂解分化 的作用，因此成型燃料可以保攮原物料的热值，几乎没有热量的损耗；工艺简单。 因此，生物质致密成型技术向常温高压方向发展是可行的，具有较好的经济性，有 利于生物质成型技术的商业化推广。 小麦秆添加造纸废液制作成型燃料的试验研究是一项非常有潜力的课题，该课 题以农业废弃物一小麦秆及造纸废液两大污染源为主要原料和研究对象，通过小麦 秆与废液的最佳配比及各项成型参数的确定，以高效率、低能耗为原则制作高耐久 性、低能耗、高稳定性的成型燃料。它既能一定程度上解决目前的能源危机，又能 解决造纸废液对环境的危害。这种双赢的研究课题会成为未来科研的主流。 1 2 华北电力大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章小麦秆致密成型方案选择及原料的准备 生物质致密成型是生物质能有效利用的途径之一。致密成型方法及压缩设备等不 尽相同，因此国内外没有统一的最优成型方案。本章将根据实际情况，确定掺混造 纸废液的小麦秆成型方案，介绍试验原料的准备及试验设备的选择。在选择方案之 前，讲述了生物质的压缩致密成型原理。 2 2 生物质压缩成型原理 2 2 1 固体生物质结构特点 生物质压缩成型所用的原料主要有：锯末、木屑、秸秆等，这些纤维素生物质 细胞中含有纤维素、半纤维素和木质素( 简称木素) 等，占植物体成分2 3 以上。 按质量计算，纤维素占4 0 - 5 0 、半纤维素占生物质的2 0 - - 4 0 、木质素占生物质 的1 0 - 2 5 ，表2 1 为一些生物质中纤维素、半纤维素和木质素的比例【引。 表2 一l 生物质中纤维素、半纤维素和木质素的比例 纯纤维素呈白色，密度为1 5 0 1 5 6 9 e m 3 ，比热容为o 3 2 , - - , 0 3 3 k j ( k g k ) 。半 纤维素穿插于纤维素和木质素之间，结构比较复杂，其水解特性对生物质转换成液 体燃料有一定价值。木质素是一类以苯基丙烷单体为骨架，具有网状结构的无定形 高分子化合物，木质素为白色或接近白色。不同植物的木质素含量、组分和结构不 尽相同【4 1 。 大部分纤维素生物质都具有被压缩成型的基本条件，但在压缩成型之前，一般 需要预处理，如粉碎、干燥( 或浸泡) 等，而锯末、稻壳无需再粉碎，但要清除尺 寸较大的异物。 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2 生物质压缩成型原理 生物质颗粒的密实填充、变形破坏、塑性变形机理。质地松散的生物质原料颗 粒堆积时具有较高的空隙率，松散细碎的生物质颗粒间被大量的空隙隔开，在受到 一定的外部压力后，原料颗粒发生位移及重新排列，使空隙减少，颗粒问的接触状 态发生变化，即一个颗粒开始同更多个颗粒接触，接触面积也增加，其中有一些颗 粒是线或面的接触。在完成对模具有限空间的填充之后，颗粒达到了在原始微粒尺 度上的重新排列和密实化，物料的松容重增加，从而实现密实填充。这一过程常伴 随着原始颗粒的弹性变形和因相对位移造成的表面破坏。在外部压力进一步增大之 后，由应力产生的塑性变形使空隙率进一步降低，密度继续增高。颗粒间互相填充、 非弹性或粘弹性纤维分子之间的相互缠绕和绞合，使得颗粒组合在去除外部压力 后，不能再恢复原来的结构形状，从而达到成型的目的。见图2 1 【2 5 1 。在压缩成型 过程中，加入少量粘结剂，也可使压缩后的成型块维持致密的结构和既定的形状。 因为加入黏结剂后，生物质粒子表面会形成一种吸附层，使颗粒之间产生一种引力 ( 即范德华力) ，同时在外力作用下粒子之间也可产生静电引力，致使生物质之间 形成连锁结构。 对生物质原料施加压力的主要目的是：( 1 ) 破坏原料原来的物相结构，使其组 成新的物相结构。( 2 ) 加固分子间的凝聚力使物料更致密紧实，以增强成型物的强 度和刚度。( 3 ) 为原料在模具内的成型及推进提供了动力。 ( a ) 大的空隙被填充 粒子的排列改变 粒子变形 一鞲塑性泐 ( b ) 小的空隙被填充 图2 - 1 生物质压缩成型原理 裾爨 华北电力大学硕士学位论文 2 2 3 成型模及物料的力学分析 物料成型的最主要部分是压缩过程，密度发生急剧变化，压力达到最大。成型 模内的原料除承受轴向压应力o n 外，还承受径向压应力6 d 和轴向摩擦力向d 。做 如下基本假设【2 5 】： 在成型模长度内，原料任一截面的压应力o n 在截面上均匀分布。 原料与成型模内壁的摩擦系数f 为一定值。 物料的泊松比p 一定值。 忽略物料重量。 ( 1 ) 轴向压应力o n + d a n 与径向压应力o d 的关系 沿成型模长度方向取出任一微段物料进行受力分析，见图2 2 。 b 9 1 一 j l b - 。n + 一嘲 三三胆。n- 1 弼和 一一 ， ， ， d xx 一 j i ￥ 允、 芝6。 o d ( c ) z o n + d o n 二：影仁仉 ：一：、 _ 盯 ( b ) 图2 - 2 成型模内物料受力分析 1 5 华北电力大学硕士学位论文 根据广义胡克定律 s y = 亟e 一( g e + 生e ) j 、 ， ( 2 - 1 ) 式中，o y 为y 向应变，肛为物料泊松比，o x 、o y 、g z 分别为x 、y 、z 向主应力， e 为弹性模量。 得 o = c r o e 一( g e + 红e ) j 、， ( 2 2 ) ( 因为物料在成型模内径向无应变，故占= 0 ) 即 ：冬吒 ( 2 - 3 ) 2 南吒 屹。3 令 2 南 q 舢 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可以看出，在成型模任一截面上，作用于物料上的径向压应 力是作用于物料上的轴向压应力的倍，是一常