制浆麦渣颗粒燃料的成型特点及燃烧特性研究

本实验所用麦渣和制浆废液取自山东某造纸厂备料工段废弃物；黏合剂羧甲基纤维素（黏度2500~4500 mPa·s）购自阿拉丁试剂（上海）有限公司。

图2为筛分后不同粒径麦渣实物图和质量占比图。由图2可知，R₉₀、R_45~90和R_22~45的质量占比相对较小，分别占麦渣总质量的22%、24%和14%，R₂₂占比最大为40%，主要原因是麦草原料本身携带较多尘土、砾石等密度较大的杂质所致，而较大粒径范围麦渣质量占比相对较小是由麦渣本身密度较小、较松散的特性决定的。

  

  

图2 不同粒径麦渣实物图和其质量占比图

Fig. 2 Physical diagram of wheat residue with different grain sizes and its mass proportion diagram

图3为不同粒径和废液添加量下麦渣颗粒燃料成型效果图。由图3可知，麦渣颗粒燃料的高度随麦渣粒径减小逐渐降低，表面更加光滑平整。R₉₀麦渣颗粒燃料高度最高为8.57 mm；R_45~90和R_22~45麦渣颗粒燃料高度在5.70~6.61 mm之间，较R₉₀麦渣颗粒最大高度降低了22.87%~33.49%，麦渣颗粒燃料结构较R₉₀麦渣颗粒燃料更加致密；R₂₂麦渣颗粒燃料高度最大为5.03 mm，较R₉₀麦渣颗粒染料最大高度降低了41.31%，颗粒表面光泽度更好、结构更加紧实。当麦渣颗粒燃料质量和压力一定时，不同粒径的麦渣颗粒燃料的变形程度不同，且粒径越小的麦渣颗粒燃料其延伸率较大，压缩较为紧密，即高度减小；反之，粒径越大的麦渣颗粒燃料其相互接触不紧凑，充填程度较差，麦渣颗粒燃料高度相对较大。此外，在麦渣颗粒燃料粒径相同的情况下，L₁₀麦渣颗粒燃料高度整体小于L₅、L₁₅和L₂₀颗粒燃料高度，压缩成型效果更好。这是因为当废液添加量较少时，废液起到润滑剂的作用，会增大麦渣与麦渣之间的流动性，使麦渣更好地结合在一起。当麦渣内部及表面的水分在受到外力挤压时，废液能够起到黏合剂的作用，与麦渣中的糖类或果胶类物质形成混合胶体，使得麦渣颗粒燃料内部结合更加紧密。废液过量会导致多余水分附着在麦渣原料表面形成水膜，使粒子之间过于润滑，无法嵌合，造成麦渣颗粒燃料成型质量差。

图3  不同粒径和废液添加量下麦渣颗粒燃料成型效果

Fig. 3  Molding effect of wheat residue pellet fuel with different particle sizes and different amount of waste liquid

注   图中数字表示麦渣颗粒燃料高度。

图4(a)为废液添加量和麦渣粒径对麦渣颗粒燃料密度的影响。由图4(a)可知，随着废液添加量的增加，麦渣颗粒燃料密度先增大后减小。在麦渣颗粒燃料成型过程中，废液添加量过低时麦渣粒子之间不能较好地紧密黏合^[13]，使麦渣颗粒燃料密度较小（R₉₀L₅麦渣颗粒燃料密度为1.03 g/cm³）；提高废液添加量不仅可以促进麦渣与麦渣之间的滑动，减小内部结构的空隙和孔洞，软化原料，更有利于增强麦渣与麦渣之间的黏结作用和成型效果（R_45~90L₁₀麦渣颗粒燃料密度为1.23 g/cm³，高出SS 187120标准中规定的0.11 g/cm³）^[14]。但过高的水分含量会导致在压力作用下颗粒层之间形成水膜，多余废液被挤出，破坏了粒子之间的黏结作用，导致生物质颗粒成型后较易松散或难以成型^[15-16]。此外，在一定废液添加量条件下，麦渣颗粒燃料密度均随粒径的减小而增大，R₂₂麦渣颗粒燃料密度最大；R_22~45麦渣颗粒燃料次之，密度为1.16~1.30 g/cm³；R₉₀颗粒燃料密度最小，密度仅为0.85~1.15 g/cm³。原因是粒径较大时，颗粒之间存在较大骨架形成空隙，粒子之间无法较好填充，使颗粒密度较低；粒径减小，微粒比表面积增加，粒子之间接触面积增大，使黏结作用增强，麦渣颗粒燃料成型效果更好^[17]，R_22~45或R₂₂颗粒燃料密度均达到SS 187120标准要求（大于1.12 g/cm³）^[14]。图4(b)为麦渣颗粒燃料密度和高度的关系。由图4(b)可知，麦渣颗粒燃料密度越大则高度越小，这是因为颗粒燃料所使用的麦渣质量相同，粒径越小挤压成型过程中粒子之间的填充越充分，使其挤压变形越严重，高度越小。

  

  

图4 废液添加量及粒径对麦渣颗粒燃料密度的影响及其密度与高度的关系

Fig. 4 Effect of waste liquid addition amount and particle size on density of molded particles and the relationship between density and height

抗跌碎性的强弱会直接影响颗粒燃料在储存和运输过程中的形貌及结构。图5为废液添加量和麦渣粒径对麦渣颗粒燃料抗跌碎性的影响。由图5可知，实验制备的麦渣颗粒燃料抗跌碎性均可达到DB 11/T 541—2008行业标准要求（抗跌碎性≥95%），且随废液添加量的增加呈现先增大后减小的趋势，L₁₀颗粒燃料抗跌碎性最强为99.70%~99.84%。与密度结果一致，麦渣颗粒燃料抗跌碎性随麦渣粒径的减小而增强^[18]。R₂₂麦渣燃料颗粒在L₅、L₁₀和L₁₅条件下抗跌碎性均高于99.81%，原因是麦渣颗粒密度越大，粒子之间结合力越强，抗冲击性能就越强^[19-20]。

图5  不同麦渣粒径及废液添加量下麦渣颗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

抗压强度作为评价生物质成型颗粒燃料的一项重要物理性指标，代表着颗粒燃料在贮存或运输过程中上层样品重力作用或挤压于下层样品时的抗破碎性，是颗粒燃料破裂前所能承受力的最大阈值。表2为废液添加量和麦渣粒径对麦渣颗粒燃料抗压强度的影响。由表2可知，L₁₀和L₁₅麦渣颗粒燃料抗压强度范围为58.1~111.5 MPa，L₂₀的麦渣颗粒燃料抗压强度迅速下降至46.0~95.3 MPa。在相同废液添加量下，麦渣颗粒燃料的抗压强度随着麦渣粒径的减小而增大，R₂₂颗粒燃料抗压强度最大为124.1 MPa，原因在于粒径越小，颗粒之间的接触面积越大，增强了麦渣颗粒燃料之间的黏结力，使抗压强度提高^[21-22]。

图6为废液添加量和麦渣粒径对麦渣颗粒燃料挥发分、灰分和固定碳的影响。由图6可知，麦渣粒径大小对其颗粒燃料挥发分、灰分和固定碳均有较大影响，最大变化值分别为42%、49%和6%左右，而废液添加量的影响较小，相应变化值分别为2%、2%和0.5%。R₉₀麦渣颗粒燃料挥发分含量为74.89%~78.30%，R₂₂麦渣颗粒燃料挥发分含量为34.4%~36.3%，较R₉₀麦渣颗粒燃料降低了约52%~56%。R₉₀麦渣颗粒燃料灰分含量为11.1%~15.1%，能够达到GB/T 15224.1—2018中低灰煤的标准，但R₂₂麦渣颗粒燃料灰分含量最高达60.8%，这是由于造纸原料麦草本身在收获、运输和储存等过程中携带的杂质造成的，对燃料的热值产生不利的影响。因此，在利用麦渣制备生物质成型颗粒之前要对其进行预处理，以减小因灰分过大而导致燃料质量的下降程度。结果还显示，固定碳和粒径之间的关系与挥发分和粒径之间的关系类似，随着粒径的减小固定碳呈现先缓慢下降后急剧减小的趋势，R₂₂颗粒燃料固定碳含量仅为3.6%~4.2%。

  

  

  

图6 废液添加量及麦渣粒径对麦渣颗粒燃料挥发分、灰分及固定碳的影响

Fig. 6 Effect of the amount and particle size of waste liquid on volatile, ash and fixed carbon

图7为废液添加量和麦渣粒径对麦渣颗粒燃料热值的影响。如图7所示，麦渣颗粒燃料的热值随粒径的减小而下降，R₉₀和R_45~90麦渣颗粒燃料的热值随着废液添加量增加先增大后减小，R_22~45麦渣颗粒燃料的热值随废液添加量的增加逐渐下降，R₂₂麦渣颗粒燃料的热值受废液添加量影响较小。R₉₀麦渣颗粒燃料热值最大为14928~16383 J/g，R_45~90麦渣颗粒燃料热值为13655~14807 J/g，R₂₂颗粒燃料整体热值发生急剧下降，仅为7322~7387 J/g，这是因为大粒径麦渣中已基本筛分去除掉粉尘及无机矿物，可燃成分居多；随麦渣粒径的减小，原料中的粉尘及无机矿物含量占比增加，不可燃成分增加，造成颗粒燃料热值降低^[23]。因此，粒径小且含杂质较多的原料不利于制备生物质颗粒燃料。

图7  废液添加量及粒径对热值的影响

Fig. 7  Effect of waste liquid addition amount and particle size on calorific value