桉木屑成型特性及其混配成型响应面模型研究

摘要

生物质成型燃料是可再生能源中唯一可以长时间存贮、便于运输和易于实现产业化生产和规模化应用的替代能源，符合我国能源战略发展需求。广东环境保护十三五规划要求，有3.7蒸t燃煤锅炉需要改造，成型燃料年需求将达200万t，天然林木屑资源不足是广东省成型燃料产业发展的瓶颈。桉树是我国华南地区最重要的速生林树种，具有生长迅速、密度高和热值高等特点，广东每年桉木屑剩余物超过150万 t，是良好的生物质能源。而桉木屑在成型加工过程中比能耗高，成型燃料强度低，难以直接利用而大量废弃。本文以桉木屑为原料加工颗粒燃料为目标，系统研究桉木屑的关键成型参数对成型特性的影响规律，并以天然林-硬杂木屑为参照物，揭示速生林与天然林成型特性差异；以此为切入点，通过添加水解木质素改善桉木屑的成型特性，以成型过程的起黏结作用的木质素为研究对象，通过分析其热转变温度区间的玻璃态转变终止温度、熔融温度、粒子间结合状态及成型前后含氧官能团的断裂和变化规律，剖析木质素对成型的作用机理，为速生林加工剩余物成型技术提供理论基础；在此基础上，通过响应面（CCD）实验设计开展桉木屑分别添加硬杂木屑、玉米秸秆进行混配成型实验，建立松弛密度、比能耗、Meyer强度的响应面模型，分析温度、水分、压力等影响因素间的交互作用，为规模化利用桉木屑提供理论依据。具体研究内容及主要结论如下：
　　1、搭建了生物质热压成型装置，确定了成型燃料技术指标测试方法。针对生物质成型的松散阶段、过渡阶段、压紧阶段和推移阶段，设计适合原料特性并与实验压力设备合理配合的成型模具，基于单因素实验设计和响应面实验设计确定成型实验方法；物料粒径和水分、成型压力和温度是对燃料品质影响较大的因素，确定成型技术参数的研究范围，以适合实验室测定的松弛密度、比能耗、Meyer强度做为颗粒的性能指标，并给出分析测试方法。
　　2、系统研究了桉木屑成型参数对性能指标的影响规律。以水分12%、压力6000 N、温度120℃、粒径3 mm为成型实验的基准参数，通过单因素实验，考查成型参数对比能耗、松弛密度、Meyer强度的影响规律。结果表明，温度和压力提高，颗粒的松弛密度增加；随着水分的增加，颗粒的松弛密度先增大再减小，在水分为10%时，松弛密度最大；桉木屑粒径增加，颗粒的松弛密度先增大再减小，粒径3mm时，松弛密度最大。温度和压力提高将导致比能耗增加，而水分增加会降低比能耗；随着桉木屑粒径的增大，比能耗先减小再增大，粒径3mm时比能耗最低。Meyer强度随成型温度和压力增加而增大；水分和粒径增加，颗粒的Meyer强度先增大再减小，水分12%、粒径3 mm时，Meyer强度最大。基于单因素实验获得成型技术参数范围，为混配实验方案的设计提供依据。
　　3、速生林-桉木屑与天然林-硬杂木屑生物质成型有较大的差异。在同样成型条件下对两者颗粒的性能指标比较发现：两种原料颗粒的松弛密度相差不大，但桉木屑成型比能耗比硬杂木屑高17.66%、Meyer强度低59.56%。
　　4、开展了不同粒径的桉木屑混配成型实验，结果表明：在1 mm桉木屑原料中添加5%的粒径为5 mm的桉木屑可显著提高颗粒的Meyer强度，Meyer强度由未添加时的11.56 N/mm2增大到23.93 N/mm2，增幅为107.11%。通过扫描电镜（SEM）表征，发现长粒径桉木屑的添加，在颗粒中长纤维间交叉缠绕形成一定数量的“固体桥”结构，当短纤维粒子在长纤维间填充饱满时，成型燃料的Meyer强度得到提高。
　　5、因木质素在热转变温度区间具有较好的粘结性能，本文通过在桉木屑中添加水解木质素，开展桉木屑成型过程中木质素粘结机理研究。采用差示扫描量热法（DSC）获得了桉木屑和水解木质素的热转变特征温度：桉木屑和水解木质素的玻璃态转化起始温度分别为72℃、84.4℃，终止温度分别为102℃、104.3℃，熔融温度分别为127.4℃、136.5℃；扫描电镜（SEM）表征发现，水解木质素在玻璃态转变终止温度和熔融温度区间（120~140℃）内，处于熔融结合状态，粒子间缝隙较少、结合比较紧密，说明在此区间成型，木质素发挥了较好的粘结性能；利用傅里叶变换红外光谱分析技术（FTIR）分析桉木屑和水解木质素的官能团分布特性，结果表明，添加水解木质素的颗粒中由于木质素发生热转变，部分含氧官能团的断裂和减少，而带来羟基（–OH）及C—H键含量的增加，内部结合力增强，提高了颗粒的成型效果。
　　6、研究了水解木质素添加量对桉木屑成型影响规律。分析了水解木质素添加量、水分、温度、压力、粒径对颗粒松弛密度、比能耗、Meyer强度性能指标的影响规律；采用SEM对不同添加量的颗粒内部粒子间结合方式进行表征时发现，添加量在20%时粒子间呈鳞状排列，填充物饱满，有效改善了桉木屑的成型效果。
　　7、开展了桉木屑分别与硬杂木屑、玉米秸秆的混配成型研究。基于（CCD）非线性的响应面实验设计方法，通过对混配成型实验数据的回归分析，对成型指标比能耗、松弛密度、Meyer强度的多元二次模型优化，建立了成型参数对指标响应面模型。分析了影响因素对指标的交互作用，获得混配原料的成型模型和最佳参数。由于模型优化过程中剔除了非显著性项造成的误差累积，在进行模型验证性实验时，发现实验值与预测值存在单向性误差，通过对存在单向性误差的模型常数项进一步优化，模型准确性显著提高，最终确定硬杂木屑和玉米秸秆分别与桉木屑混配成型比能耗、松弛密度和Meyer强度模型的最大误差为7.30%和14.63%、2.11%和5.32%、8.95%和6.71%。成型参数对指标响应面模型为桉木屑与硬杂木屑、玉米秸秆实际混配生产参数的设定、优化和性能指标的预测、优化提供理论依据。

目录

声明

1 绪论

1.1研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3研究内容和技术路线

2.1 引言

2.2成型实验模具设计

2.3 成型实验压缩装置

2.4压缩成型实验设计方法

2.5压缩成型过程

2.6实验室成型性能指标的建立

2.7本章小结

3 桉木屑成型特性研究

3.1 引言

3.2材料与方法

3.3 结果与分析

3.4―固体桥‖结构

3.5本章小结

4.1 引言

4.2材料与方法

4.3 结果与分析

4.4 本章小结

5.1引言

5.2材料与方法

5.3结果与分析

5.4 本章小结

6 桉木屑与玉米秸秆混配成型研究

6.1引言

6.2材料与方法

6.3结果与分析

6.4 本章小结

7 结论与讨论

7.1主要结论

7.2本研究的创新点

7.3建议

致谢

参考文献

附录