李偉振 姜洋 陰秀麗 羅光輝

摘要[目的]比較速生林桉木屑與天然林木屑的成型特性。[方法]對比速生林桉木屑與現(xiàn)有應(yīng)用成熟的天然林硬雜木屑的成型差異，在WD-100KE型電子壓力機(jī)上進(jìn)行桉木屑與硬雜木屑的單顆粒壓縮成型試驗(yàn)，研究成型參數(shù)水分8%～16%、溫度80～160℃、壓力4000～8000N、粒徑1～5mm對成型指標(biāo)松弛密度、比能耗、Meyer強(qiáng)度的影響。[結(jié)果]水分12%～14%、溫度100～120℃、壓力5000～6000N、粒徑2～3mm為桉木屑及硬雜木屑較佳的成型參數(shù)范圍;相同成型條件下，桉木屑與硬雜木屑相比松弛密度相差不大，但比能耗明顯較高、顆粒Meyer強(qiáng)度明顯較低。[結(jié)論]為了降低桉木屑成型能耗、提高顆粒強(qiáng)度及提高現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的原料適應(yīng)性，可采用與現(xiàn)有硬雜木屑混配成型的方式，以提高成型效果。

關(guān)鍵詞桉木屑;顆粒;比能耗;能源化

中圖分類號S789文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2019）01-0103-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.032

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

天然林木屑是目前國內(nèi)常用的生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)原料，針對其成型特性的研究較為深入，生產(chǎn)技術(shù)較為成熟，已有規(guī)?；瘧?yīng)用[1-3]。隨著市場規(guī)模的擴(kuò)大，天然林原料資源受限，價(jià)格不斷上漲，嚴(yán)重制約產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。2015年，華南地區(qū)天然林木屑原料價(jià)格已由原來400元/t左右上漲到650元/t左右[4]，直接導(dǎo)致企業(yè)利潤下降，使企業(yè)處于虧損或微利狀態(tài)運(yùn)行。因此，部分企業(yè)開始尋求以農(nóng)作物秸稈、速生林剩余物、樹皮、果殼等為原料進(jìn)行成型燃料生產(chǎn)。

桉樹具有速生、豐產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國速生林的戰(zhàn)略樹種[5]，目前，我國桉樹林種植面積達(dá)368萬hm2，其中廣東省種植面積達(dá)110萬hm2，在桉樹加工過程中每年有150多萬t的剩余物被廢棄[6]，不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，還造成資源浪費(fèi)[7]。將大量的桉樹加工剩余物加工為成型燃料，進(jìn)行能源化利用，不僅能解決桉樹加工企業(yè)廢棄物無法處理的難題，而且還能解決成型燃料生產(chǎn)企業(yè)原料資源量受限問題[8]。但是，由于對桉樹加工剩余物的成型特性研究較少，其是否適應(yīng)于成型燃料生產(chǎn)及對現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的適應(yīng)特性未知，筆者以桉樹加工剩余物——桉木屑為原料，進(jìn)行單顆粒壓縮成型試驗(yàn)，考察水分、溫度、壓力、粒徑4個(gè)參數(shù)對比能耗、松弛密度、Meyer強(qiáng)度的影響，系統(tǒng)研究其成型特性，同時(shí)，以現(xiàn)有應(yīng)用成熟的天然林硬雜木屑為參照物，對比2種原料成型特性的差異，分析桉木屑作為成型燃料生產(chǎn)原料的可行性，以期為桉木屑的能源化利用提供一定理論支撐。

1材料與方法

1.1材料

桉木屑取自廣東陽山一造紙廠，為生長在該地區(qū)典型人工速生林尾葉桉的剩余物;硬雜木屑取自廣東廣州一家具廠，為天然林橡木、樟木等的剩余物。原料經(jīng)自然風(fēng)干、粉碎和篩分后置于105℃干燥箱至恒重后摻入一定質(zhì)量的去離子水，均勻混合后獲得不同水分含量的樣品，密封后放置陰涼干燥處。參考美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室的方法測定原料的三大組分[9]，結(jié)果見表1。

2.2SEC

圖2為成型參數(shù)對SEC的影響。由圖2a可知，水分增加，SEC減小，桉木屑SEC由36.22kJ/kg（水分8%）減小到25.31kJ/kg（水分16%），減小了30.12%，桉木屑與硬雜木屑SEC相差最大比例為45.98%（水分16%）。由圖2b可知，溫度提高，SEC增大，桉木屑SEC由11.96kJ/kg（溫度80℃）增大到36.57kJ/kg（溫度160℃），增大了205.77%，桉木屑與硬雜木屑SEC相差最大比例為57.73%（溫度80℃）。由圖2c可知，壓力增大，SEC提高，桉木屑SEC由24.91kJ/kg（壓力4000N）增大到38.28kJ/kg（壓力8000N），增大了53.67%，桉木屑與硬雜木屑SEC相差最大比例為58.04%（壓力8000N）。由圖2d可知，粒徑增大，SEC先減小再增大，桉木屑SEC由30.75kJ/kg（粒徑1mm）減小到29.04kJ/kg（粒徑3mm），減小了5.56%，再增大到36.25kJ/kg（粒徑5mm），增大了24.83%，桉木屑與硬雜木屑SEC相差最大比例為40.00%（粒徑4mm）。

結(jié)果表明，溫度和壓力提高，SEC增大，水分增加，SEC降低;粒徑增大，SEC先減小再增大，粒徑3mm時(shí)桉木屑SEC最小。相同成型條件下，桉木屑SEC明顯高于硬雜木屑。

2.3HM

圖3為成型參數(shù)對HM的影響。由圖3a可知，水分增加，HM先增大后減小，桉木屑顆粒HM由13.39N/mm2（水分8%）增大到14.07N/mm2（水分12%），增大了5.08%，再降低到13.03N/mm2（水分16%），減小了7.39%，桉木屑與硬雜木屑顆粒HM相差最大比例為-41.52%（水分8%）。由圖3b可知，溫度提高，HM增大，桉木屑顆粒HM由11.77N/mm2（溫度80℃）增大到16.31N/mm2（溫度160℃），增大了38.57%，桉木屑與硬雜木屑顆粒HM相差最大比例為-40.32%（溫度80℃）。由圖3c可知，壓力增大，HM增大，桉木屑顆粒HM由11.00N/mm2（壓力4000N）增大到16.67N/mm2（壓力8000N），增大了51.62%，桉木屑與硬雜木屑顆粒HM相差最大比例為-37.33%（壓力6000N）。由圖3d可知，粒徑增大，HM先增大再減小，桉木屑顆粒HM由9.66N/mm2（粒徑1mm）增加到14.07N/mm2（粒徑3mm），增加了45.65%，再減小到7.79N/mm2（粒徑5mm），減小了44.63%，桉木屑與硬雜木屑顆粒HM相差最大比例為-64.29%（粒徑5mm）。

結(jié)果表明，溫度和壓力增加，HM增大，水分和粒徑增加，HM先增大后減小，水分12%、粒徑3mm時(shí)，桉木屑顆粒HM最大。相同成型條件下，桉木屑顆粒HM明顯低于硬雜木屑。

由以上分析可知，水分12%～14%、溫度100～120℃、壓力5000～6000N、粒徑2～3mm時(shí)，桉木屑及硬雜木屑顆粒RDS≥1000kg/m3、SEC適中、HM較高，是較佳的成型參數(shù)范圍。但是，相同成型條件時(shí)，桉木屑顆粒RDS與硬雜木屑相差不大，但SEC明顯高于硬雜木屑、顆粒HM明顯低于硬雜木屑，說明雖然2種原料較佳的生產(chǎn)條件基本一致，但是在RDS相差不大的情況下，壓縮桉木屑時(shí)所消耗能量較大，成型后桉木屑顆粒的強(qiáng)度較低，現(xiàn)有成熟的硬雜木屑生產(chǎn)設(shè)備直接生產(chǎn)桉木屑原料存在電機(jī)不匹配及模具壓縮比調(diào)整的問題。為了降低桉木屑成型能耗、提高顆粒強(qiáng)度及提高現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的原料適應(yīng)性，可采用與現(xiàn)有硬雜木屑混配成型的方式，以提高成型效果。

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)素含量越高，原料越易成型，成型效果越好[17]。該研究發(fā)現(xiàn)，雖然桉木屑與硬雜木屑木質(zhì)素含量相差不大（表1），但2種原料成型效果相差較大，這說明成型效果不但與木質(zhì)素含量有關(guān)，原料其他組分含量和結(jié)構(gòu)對成型效果也有很大影響。

3結(jié)論及建議

為了研究桉木屑是否適應(yīng)于成型燃料生產(chǎn)，考察了水分、溫度、壓力、粒徑4個(gè)參數(shù)對比能耗、松弛密度、Meyer強(qiáng)度的影響，同時(shí)，以現(xiàn)有應(yīng)用成熟的天然林硬雜木屑為參照物，對比2種原料成型特性的差異，主要結(jié)論如下。

（1）桉木屑及硬雜木屑較佳的成型參數(shù)范圍是水分12%～14%、溫度100～120℃、壓力5000～6000N、粒徑2～3mm。

（2）相同成型條件時(shí)，桉木屑顆粒RDS與硬雜木屑相差不大，但SEC明顯高于硬雜木屑，最大相差比例58.04%（壓力8000N），顆粒HM明顯低于硬雜木屑，最大相差比例-64.29%（粒徑5mm）。

（3）為了降低桉木屑成型能耗、提高顆粒強(qiáng)度及提高現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的原料適應(yīng)性，可采用與現(xiàn)有硬雜木屑混配成型的方式，以提高成型效果。

參考文獻(xiàn)

[1]李大中，李曉江.木屑、稻殼和煤混合型煤壓縮成型過程建模與工況優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（4）：83-87.

[2]楊華，劉石彩，趙佳平，等.生物質(zhì)棒狀成型燃料的物理特性研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（2）：114-118.

[3]羅志華，蘇超杰.木屑生物質(zhì)致密成型燃料的差熱分析[J].黑龍江科技信息，2013（22）：273-274.

[4]許潔，袁振宏，姜洋，等.基于學(xué)習(xí)曲線的生物質(zhì)成型燃料補(bǔ)貼政策研究[J].林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2016，36（2）：134-138.

[5]謝耀堅(jiān).中國桉樹育種研究進(jìn)展及宏觀策略[J].世界林業(yè)研究，2011，24（4）：50-54.

[6]溫玉叢.廣東博羅桉樹商品林的現(xiàn)狀分析與可持續(xù)發(fā)展對策[J].中國林業(yè)產(chǎn)業(yè)，2016（4）：204.

[7]任忠秀，包雪梅，于家伊，等.我國桉樹人工林施肥現(xiàn)狀、存在問題及對策[J].桉樹科技，2013，30（4）：52-59.

[8]陳少雄，陳小菲.我國桉樹經(jīng)營的技術(shù)問題與思考[J].桉樹科技，2013，30（3）：52-59.

[9]SLUITERA，HAMESB，RUIZR，etal.Determinationofstructuralcarbohydratesandlignininbiomass[M]//LaboratoryAnalyticalProcedure（LAP）.Golden，CO：NationalRenewableEnergyLaboratory，2011.

[10]TUMULURUJS，TABILL，OPOKUA，etal.Effectofprocessvariablesonthequalitycharacteristicsofpelletedwheatdistillersdriedgrainswithsolubles[J].Biosystemsengineering，2010，105（4）：466-475.

[11]OBERNBERGERI，THEKG.Physicalcharacterisationandchemicalcompositionofdensifiedbiomassfuelswithregardtotheircombustionbehaviour[J].Biomassandbioenergy，2004，27（6）：653-669.

[12]KALIYANN，MOREYRV.Densificationcharacteristicsofcornstoverandswitchgrass[J].TransactionsoftheASABE，2009，52（3）：907-920.

[13]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(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（3）：105-108.

[14]張林海，侯書林，田宜水，等.生物質(zhì)固體成型燃料成型工藝進(jìn)展研究[J].中國農(nóng)機(jī)化，2012（5）：87-91，100.

[15]肖雷，姚菁華，萬永周，等.褐煤/生物質(zhì)成型機(jī)理及工藝參數(shù)優(yōu)化[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39（3）：352-356.

[16]PENGJH，WANGJS，BIXT，etal.Effectsofthermaltreatmentonenergydensityandhardnessoftorrefiedwoodpellets[J].Fuelprocessingtechnology，2015，129：168-173.

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