李偉振, 姜 洋*, 饒 曙, 陰秀麗, 蔣恩臣

(1.中國科學(xué)院 廣州能源研究所,廣東 廣州 510640； 2.中國科學(xué)院 可再生能源重點實驗室,廣東 廣州 510640； 3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室,廣東 廣州 510640； 4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院,廣東 廣州 510642)

堿性木質(zhì)素對玉米秸稈成型特性的影響

李偉振1,2,3, 姜 洋1,2,3*, 饒 曙4, 陰秀麗1,2,3, 蔣恩臣4

(1.中國科學(xué)院 廣州能源研究所,廣東 廣州 510640； 2.中國科學(xué)院 可再生能源重點實驗室,廣東 廣州 510640； 3.廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室,廣東 廣州 510640； 4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院,廣東 廣州 510642)

為了研究堿性木質(zhì)素對玉米秸稈成型特性的影響及其軟化黏結(jié)作用，以玉米秸稈為原料進行壓縮成型，考察添加堿性木質(zhì)素對成型效果的影響。結(jié)果表明：堿性木質(zhì)素能夠促進成型，改善成型效果，當(dāng)添加量由0提高到20%時，玉米秸稈成型顆粒的松弛密度由1 005 kg/m3增大到1 157 kg/m3，徑向最大抗壓力由1 353 N增大到1 930 N。采用DSC對玉米秸稈和堿性木質(zhì)素的熱轉(zhuǎn)變特征溫度進行了研究，結(jié)果表明：玉米秸稈和堿性木質(zhì)素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度分別在92.5～103 ℃、61～137 ℃之間；在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，100 ℃時存在比能耗最低點；100～130 ℃為堿性木質(zhì)素起較好黏結(jié)作用的溫度范圍。采用SEM對顆粒微觀形態(tài)進行觀察，發(fā)現(xiàn)堿性木質(zhì)素發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變后在顆粒內(nèi)部能夠形成“局部熔融”和“機械互鎖”兩種結(jié)合形式，適合的堿性木質(zhì)素添加量為10%～15%。

壓縮成型；堿性木質(zhì)素；黏結(jié)機理；比能耗；熱轉(zhuǎn)變溫度；微觀形態(tài)

一般認(rèn)為生物質(zhì)壓縮成型主要是利用原料中木質(zhì)素的軟化黏結(jié)作用。木質(zhì)素屬于非晶體，不存在熔點，但是存在軟化點，溫度為70～110 ℃時，木質(zhì)素開始軟化，并有一定的黏度。溫度達到200～300 ℃ 時，呈熔融狀，黏度變高，此時，對生物質(zhì)原料施加適當(dāng)?shù)耐饬?，可利用木質(zhì)素的黏結(jié)作用使其與原料中其它成分緊密黏結(jié)，使原料密度顯著增大，而當(dāng)外力取消后，由于非彈性的纖維分子間的互相吸引和纏繞，仍能保持黏結(jié)的狀態(tài)。冷卻后強度會進一步增強，從而形成成型燃料[1]。由于不同種類生物質(zhì)原料纖維素、半纖維素及木質(zhì)素含量和結(jié)構(gòu)并不完全相同，故其成型難易程度及成型效果亦不盡相同[2]。木屑類原料中木質(zhì)素含量一般高于秸稈類原料，因此，其成型效果也好于秸稈類。有研究表明，增加木質(zhì)素含量是改善秸稈類原料成型效果的有效方式[3-7]。目前針對木質(zhì)素的軟化黏結(jié)作用及其含量對成型燃料的品質(zhì)影響主要是以木質(zhì)類原料研究為主，而針對秸稈的研究較少[8-10]。Castellano等[11]研究發(fā)現(xiàn)原料組分是影響成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素，木質(zhì)素含量高、提取物含量低的生物質(zhì)顆粒具有更好的機械耐久性；Holm等[12]認(rèn)為木質(zhì)素的含量越高，顆粒內(nèi)部結(jié)合得越好，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度時，顆粒的機械強度增大；Bradfield等[13]認(rèn)為木質(zhì)素?zé)彳浕缶哂凶责ば?，軟化后的木質(zhì)素是一種內(nèi)部強度較差的黏膠狀物質(zhì)，在一定范圍內(nèi)可在晶體結(jié)構(gòu)的木質(zhì)聚合物之間起黏結(jié)作用，但是當(dāng)其含量超過臨界值時，過量的黏膠狀物質(zhì)堆積在晶體之間，降低了顆粒的強度與耐久性。因此，有必要針對原料進行分類研究。本研究以玉米秸稈為研究對象，考察添加堿性木質(zhì)素對其成型效果的影響；同時，以原料熱轉(zhuǎn)變特征溫度為切入點，分析成型過程中原料所經(jīng)歷的狀態(tài)變化；并對顆粒的斷面進行微觀形態(tài)分析，觀察粒子間的結(jié)合形式，以研究堿性木質(zhì)素對玉米秸稈成型特性的影響及其軟化黏結(jié)作用。

1 實 驗

1.1實驗材料

玉米秸稈原料取自廣東佛山地區(qū)，秸稈經(jīng)自然風(fēng)干、粉碎和篩分后粒徑在0.15～0.43 mm之間，然后置于105 ℃烘箱烘至質(zhì)量恒定后，摻加一定質(zhì)量的去離子水，混合均勻后獲得不同水分含量的樣品，密封后放置陰涼干燥處保存。堿性木質(zhì)素(純木質(zhì)素)購于百靈威科技有限公司，黑色粉末，難溶于水。原料的元素、工業(yè)分析和熱值見表1。

表1 原料的元素、工業(yè)分析及熱值

圖1 成型實驗?zāi)＞邎DFig.1 Assembly drawing of compression molding experiment

1.2玉米秸稈的壓縮成型

壓縮實驗在WD-100KE型電子萬能實驗機上進行，實驗?zāi)＞呷鐖D1所示。壓力機壓桿直徑 10.0 mm，模具直徑10.2 mm。實驗過程中，溫度采用加熱帶、熱電偶和溫控儀進行加熱和控制，待溫度達到設(shè)定溫度并保持穩(wěn)定后，向模具中加入一定質(zhì)量原料，然后調(diào)用壓縮程序(設(shè)定壓縮速度、目標(biāo)壓力值和保壓時間)對原料壓縮成型，完畢后將顆粒擠出，每個實驗條件重復(fù)3次。成型過程的壓力-位移曲線由電腦自行記錄。

成型過程的主要影響因素有水分、壓力、溫度、粒徑、壓縮速度和保壓時間等[14]。王功亮等[15]通過對玉米秸稈成型工藝的優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，針對成型技術(shù)指標(biāo)，影響因素中只有水分和溫度之間存在交互作用，溫度低于100 ℃時，降低水分，溫度高于100 ℃時，提高水分，能夠保持比能耗不變；同時提高水分和溫度，能夠保持松弛密度和Meyer強度不變。因此，在選取適當(dāng)?shù)臏囟燃八謼l件下，進行單因素試驗即能反映影響因素對成型指標(biāo)的影響。根據(jù)前人研究結(jié)果[16-18]，本研究選定堿性木質(zhì)素添加量0～20%、成型壓力2～9 kN、原料水分6%～22%、成型溫度40～160 ℃，在實驗中考察其它參數(shù)的影響時將水分設(shè)為14%，將壓力設(shè)為 6 kN，溫度設(shè)為100 ℃，堿性木質(zhì)素添加量取中間值10%。為了減少因粒徑分布不同造成的影響，采用較小粒徑的原料(0.15～0.43 mm)。壓縮速度和保壓時間對成型的影響相對較小，為了保證原料達到設(shè)定溫度，將壓縮速度設(shè)為 20 mm/min，保壓時間40 s，整個壓縮過程約400 s。

1.3分析與測試

1.3.1熱轉(zhuǎn)變特征溫度 針對生物質(zhì)成型過程，熱轉(zhuǎn)變特征溫度主要指玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度和熔融溫度。聚合物是由分子質(zhì)量和鏈長不同的結(jié)構(gòu)單體組成，因此玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化發(fā)生在一個溫度區(qū)間內(nèi)。木質(zhì)素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度取決于它的來源，主要與生物質(zhì)種類、水分含量及樣品的提取制備過程有關(guān)[19-21]。

本研究采用DSC來分析試樣的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度、熔融溫度等熱變化。具體操作如下：取樣品質(zhì)量小于10 mg，在TA-Q200差示掃描量熱儀上進行實驗，實驗中先將樣品以 10 ℃/min 加熱到90 ℃，恒溫10 min，然后快速冷卻至0 ℃(約3 min)，然后以10 ℃/min加熱到 200 ℃。在升溫過程中，物質(zhì)的比熱容會發(fā)生變化，其中向吸熱方向的臺階對應(yīng)各物質(zhì)的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，吸熱峰對應(yīng)物質(zhì)的熔融溫度。

1.3.2微觀形態(tài)分析 采用日立S-4800 FESEM場發(fā)射掃描電子顯微鏡對顆粒內(nèi)部橫斷面結(jié)構(gòu)進行微觀觀察，實驗中電壓為2 kV，放大倍數(shù)為60和1 200倍。

1.3.3成型技術(shù)指標(biāo)測試 物理特性是成型顆粒的重要品質(zhì)特性，它直接決定了成型顆粒的運輸、貯藏條件及使用要求，松弛密度和耐久性是衡量成型顆粒物理品質(zhì)特性的重要指標(biāo)[22-23]。能耗反映生產(chǎn)時的耗能大小，是衡量生產(chǎn)過程的重要指標(biāo)。我國生物質(zhì)成型燃料標(biāo)準(zhǔn)體系中都對這3個指標(biāo)有相關(guān)的規(guī)定[24-26]。故本研究依據(jù)這3個技術(shù)指標(biāo)來評價成型過程。

1.3.3.1松弛密度(DRS) 本實驗中所制得成型顆粒為規(guī)則圓柱體，因此可依據(jù)顆粒的質(zhì)量和體積來計算松弛密度。將顆粒擠出后密封保存，2周后測量直徑、長度和質(zhì)量，計算顆粒的密度，此密度即為松弛密度。計算方法如式(1)所示：

(1)

式中：DRS—顆粒的松弛密度，kg/m3；m—顆粒質(zhì)量，kg；d—顆粒直徑，m；l—顆粒長度，m。

1.3.3.2徑向最大抗壓力(MRS) 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)耐久性測試需要500 g樣品，這在實驗室中難以實現(xiàn)，由于耐久性反映成型燃料的黏結(jié)性能，因此本研究選用徑向最大抗壓力來表征成型顆粒的耐久性。將儲存兩周的成型顆粒水平放置在兩塊正對的平板之間，上端的平板與萬能實驗機相連，采用程序控制平板下行，下行速度設(shè)定為20 mm/min。記錄平板下行時壓力-位移曲線，曲線中出現(xiàn)的壓力快速升高后突然下降對應(yīng)顆粒的破碎點。破碎點所對應(yīng)的壓力即為顆粒的徑向最大抗壓力。

1.3.3.3比能耗(ESC) 能耗測試主要針對工業(yè)生產(chǎn)，在實驗室中也難以實現(xiàn)，因此本研究采用壓縮過程的比能耗來衡量能耗，它反映了壓縮單位質(zhì)量的物料耗能的大小，其數(shù)值與實際的能耗雖有偏差，但可以用來反應(yīng)不同成型條件下的能耗大小。根據(jù)壓縮成型過程中壓力-位移曲線計算顆粒壓縮過程的比能耗。計算方法如式(2)所示(未考慮模具加熱能耗)：

(2)

式中：ESC—壓縮過程的比能耗，kJ/kg；W—總能耗，J；m—顆粒質(zhì)量，g；f—壓力，kN；s—位移，mm。

2 結(jié)果與討論

2.1不同條件對玉米秸稈成型特性的影響

2.1.1堿性木質(zhì)素添加量 在含水量14%、溫度100 ℃和成型壓力6 kN條件下，堿性木質(zhì)素添加量對玉米秸稈成型特性的影響結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，堿性木質(zhì)素的添加量由0提高到20%，松弛密度由1 005 kg/m3增大到1 157 kg/m3，增大了15.1%；徑向最大抗壓力由1 353 N增大到1 930 N，增大了42.6%。這表明添加堿性木質(zhì)素能促進玉米秸稈成型。比能耗隨堿性木質(zhì)素添加量變化規(guī)律不明顯，在12.54～14.84 kJ/kg之間。

圖2 堿性木質(zhì)素添加量對玉米秸稈成型的影響

2.1.2溫度 在堿性木質(zhì)素添加量10%、水分14%和成型壓力6 kN條件下，溫度對成型特性的影響結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，溫度由40 ℃至130 ℃，松弛密度由1 018 kg/m3增大到1 179 kg/m3，增大了15.8%，徑向最大抗壓力從1 316 N增大到1 669 N，增大了26.8%；溫度繼續(xù)由130 ℃升高到160 ℃，松弛密度和徑向最大抗壓力變化不明顯。隨著溫度升高，比能耗先減小后增大，溫度100 ℃時比能耗最小。溫度由40 ℃升高到100 ℃，比能耗從37.64 kJ/kg減小到14.84 kJ/kg，減小了60.6%；溫度由100 ℃升高到160 ℃，比能耗從14.84 kJ/kg增大到25.60 kJ/kg，增大了72.5%。這說明溫度對成型有較大影響。在一定溫度范圍內(nèi)提高溫度有助于粒子間的結(jié)合，促進成型，并減小能耗。

圖3 溫度對堿性木質(zhì)素和玉米秸稈混合成型的影響

2.1.3水分 在堿性木質(zhì)素添加量10%、溫度100 ℃和成型壓力6 kN條件下，水分對成型特性的影響結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，水分由6%升高到22%，松弛密度由1 164 kg/m3減小到924 kg/m3，減小了20.6%；徑向最大抗壓力由2 044 N減小到1 303 N，減小了36.3%；比能耗由17.56 kJ/kg降低到7.07 kJ/kg，減小了69.7%。水分是成型的黏結(jié)劑，一定含量的水分能增大粒子間的接觸面積從而增大范德華力和形成氫鍵，促進顆粒的成型；但水分較高時，過多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，從而松弛密度減小。同時，水分一方面可作為潤滑劑，使粒子間的內(nèi)摩擦變小，流動性增強，還能夠減小原料和模具之間的摩擦阻力。此外，水分可以降低木質(zhì)素和半纖維素的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，使其在較低的溫度下發(fā)生軟化，從而降低壓縮能耗[27]。

圖4 水分對堿性木質(zhì)素和玉米秸稈混合成型的影響

2.1.4壓力 在堿性木質(zhì)素添加量10%、水分14%和溫度100 ℃條件下，壓力對成型特性的影響結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)壓力由2 kN增大到9 kN，松弛密度由1 043 kg/m3增大到1 145 kg/m3，增大了9.8%；徑向最大抗壓力由1 326 N增大到2 008 N，增大了51.4%；比能耗由10.11 kJ/kg增大到17.34 kJ/kg，增大了71.5%。壓力增大，投入能量增加，比能耗增大，帶來粒子塑性變形增大，粒子間距離減小，接觸面積增加，結(jié)合力增強，松弛密度和徑向最大抗壓力增大。

圖5 壓力對堿性木質(zhì)素和玉米秸稈混合成型的影響

2.2玉米秸稈及堿性木質(zhì)素?zé)徂D(zhuǎn)變特性分析

圖6 玉米秸稈和堿性木質(zhì)素的熱轉(zhuǎn)變過程曲線Fig.6 Thermal transition curves of corn stalk and alkali lignin

玉米秸稈及堿性木質(zhì)素的熱轉(zhuǎn)變過程曲線如圖6所示，熱轉(zhuǎn)變特征溫度分析結(jié)果如表2所示。在升溫過程中，原料先后經(jīng)歷玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變和熔融轉(zhuǎn)變。61～137 ℃溫度范圍為堿性木質(zhì)素玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化區(qū)，并包含玉米秸稈玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化區(qū)，在此范圍內(nèi)提高溫度，堿性木質(zhì)素開始軟化，流動性增強，黏結(jié)性增加，并逐漸達到最大；超過此溫度范圍，堿性木質(zhì)素發(fā)生熔融轉(zhuǎn)變，黏結(jié)性變化不大。這與溫度對玉米秸稈成型特性的影響結(jié)果相一致(溫度由40 ℃升高到130 ℃，松弛密度和徑向最大抗壓力技術(shù)指標(biāo)改善明顯；溫度由130 ℃升高到160 ℃，松弛密度和徑向最大抗壓力變化不明顯)。在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，100 ℃時存在比能耗最低點，這是因為堿性木質(zhì)素軟化，玉米秸稈塑性增強，易于在外力的作用下發(fā)生變形，溫度低于100 ℃時比能耗減??；溫度高于100 ℃時，水分蒸發(fā)作用增強，水分的黏結(jié)和潤滑作用減弱，溫度塑化作用逐步小于水分蒸發(fā)，比能耗增大。綜上，100～130 ℃溫度范圍內(nèi)，堿性木質(zhì)素能夠起到較好的黏結(jié)作用，松弛密度和徑向最大抗壓力較高，比能耗較低。

表2 玉米秸稈和堿性木質(zhì)素的熱轉(zhuǎn)變溫度

2.3顆粒微觀形態(tài)分析

圖7分別為70 、100、130 ℃時放大60倍的顆粒(堿性木質(zhì)素添加量10%、壓力6 kN、水分14%)橫截面微觀結(jié)構(gòu)。溫度70 ℃稍高于堿性木質(zhì)素玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變起始溫度，堿性木質(zhì)素玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變不明顯，黏結(jié)作用較弱，從圖7(a)中未能明顯觀察到堿性木質(zhì)素的熱轉(zhuǎn)變狀態(tài)，粒子以平鋪狀態(tài)結(jié)合；溫度100 ℃對應(yīng)堿性木質(zhì)素玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變中點溫度，堿性木質(zhì)素部分發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，形成圖7(b)中局部熔融結(jié)合；溫度130 ℃對應(yīng)堿性木質(zhì)素玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變終止溫度，堿性木質(zhì)素基本發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變，在粒子間擴散而形成交叉結(jié)合，從而形成圖7(c)中“機械互鎖”的結(jié)合方式。這與Kaliyan等研究玉米秸稈和柳枝稷成型時發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)類似[28]。

圖7 顆粒內(nèi)部粒子的結(jié)合形式

圖8為放大1 200倍的堿性木質(zhì)添加量分別為0、10%和20%的玉米秸稈成型顆粒(壓力 6 kN、水分14%、溫度160 ℃)橫截面。從圖8(a)可以看出，粒子間存在有縫隙，無填充物，結(jié)合不緊密；從圖8(b)可以看出，與未添加堿性木質(zhì)素相比，粒子間結(jié)合緊密，表面平整，說明粒子間隙被堿性木質(zhì)素充分填充，使粒子很好結(jié)合在一起；從圖8(c)可以看出，粒子表面被堿性木質(zhì)素所堆積，表面有“涂層”。一定范圍內(nèi)堿性木質(zhì)素添加量增加，黏結(jié)作用增強，但添加量過多，會造成堿性木質(zhì)素的堆積，添加量保持在10%～15%時，松弛密度和徑向最大抗壓力較大，比能耗較低，是適合的添加量。

圖8 不同堿性木質(zhì)素添加量的顆粒橫截面

3 結(jié) 論

3.1玉米秸稈成型過程中添加堿性木質(zhì)素能夠改善成型效果，當(dāng)堿性木質(zhì)素的添加量由0提高到20%，玉米秸稈成型顆粒的松弛密度由1 005 kg/m3增大到1 157 kg/m3，徑向最大抗壓力由1 353 N增大到1 930 N。

3.2玉米秸稈及堿性木質(zhì)素的熱轉(zhuǎn)變特性分析表明其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度分別在92.5～103 ℃、61～137 ℃，在玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變過程中，100 ℃時存在比能耗最低點，100～130 ℃為堿性木質(zhì)素起較好黏結(jié)作用的溫度范圍。

3.3堿性木質(zhì)素發(fā)生玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變后，在顆粒內(nèi)部形成“熔融結(jié)合”和“機械互鎖”兩種結(jié)合方式，證實了堿性木質(zhì)素的軟化黏結(jié)作用，適合的堿性木質(zhì)素添加量為10%～15%。

[1]回彩娟. 生物質(zhì)燃料常溫高壓致密成型技術(shù)及成型機理研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

HUI C J. The studies of biomass solidifying technology and principle with high pressure on natural conditions for bio-fuel making[D]. Beijing:Master Degree Thesis of Beijing Forestry University,2006.

[2]賈敬敦，馬隆龍，蔣丹平，等.生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014:103-122.

JIA J D,MA L L,JIANG D P,et al. Development Strategy for the Science and Technology Innovation of Biomass Energy Industry[M]. Beijing:Chemical Industry Press，2014:103-122.

[3]KALIYAN N,MOREY R V. Factors affecting strength and durability of densified biomass products[J]. Biomass and Bioenergy,2009,33(3):337-359.

[4]涂德浴，李安心，何貴生. 水稻秸稈與木屑混合原料熱壓成型試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(20)：205-211.

TU D Y,LI A X,HE G S. Hot pressing forming experiment of the rice straw and sawdust mixed material[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2015,31(20):205-211.

[6]LIU Z J,LIU X E,FEI B H,et al. The properties of pellets from mixing bamboo and rice straw[J]. Renewable Energy,2013,55:1-5.

[7]STAHL M,BERGHEL J. Energy efficient pilot-scale production of wood fuel pellets made from a raw material mix including sawdust and rapeseed cake[J]. Biomass and Bioenergy,2011,35(12):4849-4854.

[8]LEE S M,AHN B J,CHOI D H,et al. Effects of densification variables on the durability of wood pellets fabricated withLarixkaempferiC. andLiriodendrontulipiferaL. sawdust[J]. Biomass and Bioenergy,2013,48:1-9.

[9]TUMULURU S. Effect of process variables on the density and durability of the pellets made from high moisture corn stover[J]. Biosystems Engineering,2014,119:44-57.

[10]VAN DAM J E G,VAN DEN OEVER M J A,TEUNISSEN W,et al. Process for production of high density/high performance binderless boards from whole coconut husk.Part 1:Lignin as intrinsic thermosetting binder resin[J]. Industrial Crops and Products,2004,19(3):207-216.

[11]CASTELLANO J M,GMEZ M,FERNNDEZ M,et al. Study on the effects of raw materials composition and pelletization conditions on the quality and properties of pellets obtained from different woody and non woody biomasses[J]. Fuel,2015,139:629-636.

[12]HOLM J K,STELTE W,POSSELT D,et al. Optimization of a multiparameter model for biomass pelletization to investigate temperature dependence and to facilitate fast testing of pelletization behavior[J]. Energy & Fuels,2011,25(8):3706-3711.

[13]BRADFIELD J,LEVI M P. Effect of species and wood to bark Ratio on pelleting of southern woods[J]. Forest Products Journal,1984,34(1):61-63.

[14]李偉振，姜洋，王功亮，等. 生物質(zhì)壓縮成型機理研究進展[J].可再生能源，2016，34(10):1525-1532.

LI W Z,JIANG Y,WANG G L,et al. Progress in research of biomass molding mechanism[J]. Renewable Energy Resources,2016，34(10):1525-1532.

[15]王功亮，姜洋，李偉振，等.基于響應(yīng)面法的玉米秸稈成型工藝優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(13):223-227.

WANG G L,JIANG Y,LI W Z,et al. Process optimization of corn stover compression molding experiments based on response surface method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2016，32(13):223-227.

[16]OBERNBERGER I,THEK G. Physical characterisation and chemical composition of densified biomass fuels with regard to their combustion behaviour[J]. Biomass and Bioenergy,2004,27(6):653-669.

[17]KALIYAN N,MOREY R V. Densification characteristics of corn stover and switchgrass[J]. Transactions of the Asabe,2009,52(3):907-920.

[18]田瀟瑜,侯振東,徐楊. 玉米秸稈成型塊微觀結(jié)構(gòu)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(3):105-108.

TIAN X Y,HOU Z D,XU Y. Microstructure of corn stover briquette[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery,2011,42(3):105-108.

[19]STELTE W,HOLM J K,SANADI A R,et al. A study of bonding and failure mechanisms in fuel pellets from different biomass resources[J]. Biomass and Bioenergy,2011,35(2):910-918.

[20]LISPERGUER J,PEREZ P,URIZAR S. Structure and thermal properties of lignins:Characterization by infrared spectroscopy and differential scanning calorimetry[J]. Journal of the Chilean Chemical Society,2009,54(4):460-463.

[21]LIU Z J,JIANG Z H,CAI Z Y,et al. Dynamic mechanical thermal analysis of moso bamboo(Phyllostachysheterocycla) at different moisture content[J]. Bioresources,2012,7(2):1548-1557.

[22]張百良,任天寶,徐桂轉(zhuǎn),等. 中國固體生物質(zhì)成型燃料標(biāo)準(zhǔn)體系[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2010,26(2):257-262.

ZHANG B L,REN T B,XU G Z,et al. Solid biofuel standard system in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering,2010,26(2):257-262.

[24]趙立欣,田宜水,孟海波,等. NY/T 1883—2010 生物質(zhì)固體成型燃料成型設(shè)備試驗方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

ZHAO L X,TIAN Y S,MENG H B,et al.NY/T 1883—2010 Testing method for densified biofuel molding equipment[S]. Beijing:China Standard Press.

[25]趙立欣,田宜水,孟海波,等. NY/T 1881.7—2010 生物質(zhì)固體成型燃料試驗方法,第7部分:密度[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

ZHAO L X,TIAN Y S,MENG H B,et al.NY/T 1881.7—2010 Densified biofuel-test method part 7 particle density[S]. Beijing:China Standard Press.

[26]趙立欣,田宜水,孟海波,等. NY/T 1881.8—2010 生物質(zhì)固體成型燃料試驗方法,第8部分:機械耐久性[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

ZHAO L X,TIAN Y S,MENG H B,et al.NY/T 1881.8—2010 Densified biofuel-test method part 8 mechanical durability[S]. Beijing:China Standard Press.

[27]STELTE W,HOLM J K,SANADI A R,et al. Fuel pellets from biomass:The importance of the pelletizing pressure and its dependency on the processing conditions[J]. Fuel,2011,90(11):3285-3290.

[28]KALIYAN N,MOREY R V. Natural binders and solid bridge type binding mechanisms in briquettes and pellets made from corn stover and switchgrass[J]. Bioresource Technology,2010,101(3):1082-1090.

Effect of Alkali Lignin on Corn Stalk Pelleting Process

LI Weizhen1,2,3, JIANG Yang1,2,3, RAO Shu4, YIN Xiuli1,2,3, JIANG Enchen4

(1.Guangzhou Institute of Energy Conversion,Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2.CAS Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou 510640, China; 3.Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development, Guangzhou 510640, China; 4.School of Materials and Energy, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

In order to study the effect of alkali lignin on corn stalk pelleting process and the bonding mechanism, the influences of four parameters(alkali lignin adding amount, temperature, moisture and pressure) on three technical indicators(relaxed density, radial compressive strength and specific energy consumption) were investigated. The compression molding experiment showed that when alkali lignin adding amount increased from 0 to 20%, the relaxed density of corn stalk pellets increased from 1 005 kg/m3to 1 157 kg/m3and the radial compressive strength increased from 1 353 N to 1 930 N. This results suggested that increasing of alkali lignin could promote the corn stalk pelleting process. The thermal transition temperatures of corn stalk and alkali lignin were also studied by differential scanning calorimetry(DSC). The results showed that the glass transition temperatures of corn straw and alkali lignin were between 92.5-103 ℃ and 61-137 ℃, respectively. In the thermal transition temperature range, 100 ℃ was the lowest specific energy consumption with suitable moisture content. The suitable temperature range for alkali lignin bonding was 100-130 ℃.The microstructure of pellets showed that alkali lignin occurred melting transition after melting temperature and then formed ‘molten combination’ and ‘mechanical interlocking’ inside the particles. The suitable alkali lignin adding amount for bonding was 10%-15%.

pelleting; alkali lignin; bonding mechanism; specific energy consumption; thermal transition; microstructure

10.3969/j.issn.0253-2417.2017.06.005

2017- 04- 11

國家自然科學(xué)基金資助項目(51661145022);廣東省科技計劃項目(2017A010104009)；廣州市科技計劃項目(201704020189)

李偉振(1983— )，男，河南開封人，助理研究員，碩士，主要從事生物質(zhì)成型技術(shù)研究

*通訊作者：姜 洋，副研究員，研究領(lǐng)域為生物質(zhì)能利用技術(shù)；E-mail: jiangyang@ms.giec.ac.cn。

LI Weizhen

TQ35；TK6

A

0253-2417(2017)06- 0035- 08

李偉振,姜洋,饒曙,等.堿性木質(zhì)素對玉米秸稈成型特性的影響[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2017，37(6)：35-42.