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射阳生物质能源颗粒微观成型机理

来源: 发布时间:2019-04-19 5737 次浏览

  摘要:为研究生物质能源颗粒的 微观成型机理,以玉米秸秆、木屑为原料利用环模式成型机压缩成生物质能源颗粒,并对原料、粉碎原料及生物质能源颗粒进行显微形貌观察,对比不同原料、不同阶段物料的 微观形态和散粒体压缩过程的 结合形式。结果表明:环模式成型机为间断性压缩,生物质能源颗粒微观成型机理为分层压缩,层与层间距为25~40μm;从横截面看分3层:中心层散粒体 ;平铺 ;过渡层扭曲变形,表层 ;直立 ;。相同挤压力下秸秆颗粒燃料比木屑颗粒燃料的 密度小。为生物质能源颗粒的 成型机具提供重要的 设计理论依据。
  0引言
  生物(Organism)质能源颗粒作为一种新型可再生能源,它采用模辊式成型机具压缩(compression)成形,与松散秸秆和煤相比,具有便于储存和运输、燃烧过程黑烟少、火力旺、燃烧充分、不飞灰、干净卫生、且NO
  X、SOx排放量低、可实现自动化上料等优点。用生物质能源颗粒替代(用一物质代替另一物质(多为强者取代弱者的地位))煤作燃料(fuel),对实现能源的 可持续发展(Sustainable Development)和对降低温室气体及污染物的 排放具有重要作用[1-2]。
  生物质能源颗粒的 生产技术已基本成熟,但相应的 成型设备存在关键部件磨损快,寿命短等问题[3-4],原因是生物质能源颗粒的 微观成型机理研究较少。现有研究中,郭康权指出,在垂直于更大主应力的 方向上,粒子以相互啮合的 形式结合,在沿着更大主应力的 方向上,粒子以相互贴合的 形式结合[5]。胡建军和徐广印对玉米秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆、稻草及木屑五种原料,采用同一压力,不同压缩速度进行压缩,分析微观形貌变化,提出了秸秆冷态压缩成型的 微观结合模式;在横截面方向上,秸秆组织受到严重破坏,以相互贴合的 形式结合;在纵截面方向上,秸秆组织破坏较小,以相互嵌合的 形式结合[6-7]。齐菁对稻壳颗粒燃料进行扫描电镜观察,提出稻壳颗粒成型机理包括化学结合和物理结合两部分,主要以物理结合的 ;片搭 ;形式结合[8]。孟海波研究了秸秆原料的 微观组织形貌[9]。刘圣勇仅对成型后的 玉米秸秆颗粒燃料的 微观组织进行观察,说明了秸秆组织结构变的 混乱无秩序,层与层之间的 空隙较小,连接物无明显界线,结合紧密,断面的 形成有相互牵拉的 迹象[10]。
  Nalladurai Kaliyan对压缩前后的 玉米秸秆和颗粒进行对比,从物质的 结合角度出发,得出原料散粒体之间以 ;坚实的 桥梁 ;形式结合的 ,压缩温度升高,可以激活水分的 作用,使之与木质素,蛋白质,淀粉和脂肪一并成为天然的 粘结剂,有助于颗粒的 成型[11]。国内外针对生物质能源颗粒的 微观成型机理研究内容并不深入,只说明了压缩后其内部结构变紧密的 现象,对散粒体间的 结合形式论述具有局限性,目前从微观角度对成型机理的 研究仍处于初步研究阶段。
  本试验以玉米秸秆、木屑等为原料,用环模式(pattern)成型机进行压缩成型,利用扫描电镜和电子显微镜,对生物质(material)能源(说明:向自然界提供能量转化的物质)颗粒压缩前后的 微观形貌进行观察研究,讨论散粒体的 结合形式,从微观散粒体结合角度分析生物质能源颗粒的 成型机理,为生物质能源颗粒的 成型机具的 开发提供理论基础。
  1材料与方法
  1.1仪器设备
  试验仪器电子显微镜(OlympusBX41)、显微摄像系统(Canon550D)、扫描电子显微镜(S-3400N)、生物质(material)能源颗粒成型机(485型)、粉碎机(筛孔径8mm)、电子天平(PL2002/01型、精度0.01g)、标准筛一套(孔径分别为6mm,3.2mm,1mm)、电热鼓风干燥箱(101-1A型)、干燥器、砂纸(粒度600~5000)、切片刀、载玻片、盖玻片、刷子、镊子、洗耳球等。
  1.2试验材料
  本试验选择北方地区极为丰富的 玉米秸秆和木屑作为试验原料。
  将玉米秸秆分为3份,第1份对玉米秸秆的 表皮和玉米秸秆心部取样,分别进行切片,待观察;第2份用粉碎机粉碎(粉碎后粒度分布见1),然后对粉碎秸秆进行取样、干燥,制样,镀膜;第3份将粉碎原料压缩制成直径为6mm,长约18~50mm的 圆柱颗粒,将成型的 颗粒燃料标记,选取几料用切片刀分别切开,成一横截面和一纵截面,并依次用粒度由粗到细的 砂纸磨光,待观察。生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。
  将木屑分为两份,第1份选取木屑细小颗粒(粒度分布见1),方法与玉米秸秆第2份相同;第二份进行压缩成型,并切出截面方法与玉米秸秆第3份相同。
  1.3试验设计
  本试验选择玉米秸秆和木屑为主要研究对象,分别对上述的 自然晾晒的 玉米秸秆、粉碎后的 玉米秸秆、自然晾晒的 木屑和压缩成型的 秸秆、木屑颗粒燃料等进行显微观察,对比分析粉碎、压缩前后秸秆、木屑的 微观形貌变化,分析散粒体的 结合形式,阐述生物质能源颗粒成型的 微观机理。
  压缩后的 颗粒燃料物理特性(characteristic])见表1。
  2结果与讨论
  2.1外形特征
  2.1.1自然晾晒的 秸秆
  自然晾晒干燥后的 秸秆颜色呈黄色,心部组织与表皮组织相分离,空隙较大,表皮光滑,心部呈较为规则的 条形纤维状,纤维与纤维之间由少量的 基本组织连接。
  2.1.2粉碎后秸秆和木屑
  粉碎后的 秸秆呈片条状或少量颗粒状。自然晾晒的 木屑呈棕黄色,块状和粉末状,比粉碎秸秆的 尺寸小,粒度较均匀。
  2.1.3成型后的 颗粒燃料(fuel)
  木屑颗粒燃料外表面光滑,偶见表面有裂纹。在环横孔原料进口端端面呈 ;中心低,四周高 ;横孔出口端端面呈 ;中心高,四周低 ;凸起和凹陷端面较规则。颜色呈棕黄色,与木屑原本颜色一致,但略显深。
  秸秆颗粒燃料外表面略显粗糙,两端形貌与木屑颗粒相似,凸起和凹陷端面粗糙无规则。颜色较木屑颗粒暗,呈灰黄色,比秸秆颜色深,且较木屑颗粒燃料容易掰断。
  2.2微观形貌
  2.2.1自然晾晒的 玉米秸秆
  自然晾晒后的 玉米秸秆切片制样进行观察,秸秆心部的 内层组织疏松,髓腔大小均匀,髓腔和维管束清晰可见,但都略有挤压变形。新鲜秸秆维管束由外围的 初生韧皮部和内部的 初生木质部组成,维管束间距为1.1mm左右。经晾晒后秸秆的 维管束周围的 韧皮部已消失,只剩木质部的 导管,直径约0.1mm,周围形成较大的 气腔,薄壁组织细胞愈接近茎中部越大,即髓腔越大,见2a。表皮结构(Structure)基本保持秸秆原貌,从横截面上观察,表皮组织呈蜂窝状,靠近表皮部位的 组织细胞越来越小,维管束散生在基本组织中,在秸秆表皮分布较多,较小,远离表皮部位分布较少,较大,2b。纵切面上观察组织细胞呈砖形,长约125μm,宽约20~30μm,2c,表皮外部具有角质层,厚度约5μm,光滑坚硬。
  2.2.2粉碎玉米秸秆
  粉碎秸秆表皮有断裂痕迹,有少量孔洞和被嵌入(to insert)的 小颗粒,3a。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。对粉碎秸秆表皮表面进行观察,基本组织有被撕裂痕迹,细胞不完整,断面可见清晰的 破坏结构,并沾有其他细小散粒体,3b。秸秆心部的 基本组织有断裂层,细胞呈蓬松的 碎片状,见3c。秸秆粉碎,只对断面组织有所破坏,粉碎秸秆散粒体内部仍保持原有基本组织形态。
  2.2.3玉米秸秆颗粒燃料
  秸秆压缩成颗粒燃料其基本组织扭曲变形严重,原有的 基本组织形貌已不存在,粉碎秸秆散粒体已完全嵌合在一起。散粒体结合形式从横截面看,4a,可分为三层,分别为中心层、过渡(transition)层、表层。中心层散粒体形貌清晰可见,见4b,散粒体呈 ;平铺 ;姿势,表层的 散粒体呈 ;站立 ;姿势,过渡层散粒体严重变形扭曲,散粒体压缩示意5。粉碎后的 秸秆大多为片状或长条状,极少为粒状,压缩过程(process)由于模具孔侧面的 限制,随着挤压流动靠近模具面的 秸秆散粒体沿着侧壁向下运动,而中心散粒体由于上压力的 作用被挤倒而平铺。成型过程中,原料散粒体仅形态等发生挤压变形,属于物理变化,没有明显的 化学变化。

  纵截面秸秆粉碎散粒体相互挤压,呈不规则的 鳞片状,6a。由可见两条清晰的 裂痕,且间隙较大,两裂痕间距离约40μm,断层可见秸秆散粒体的 结构扭曲变形较严重,散粒体间完全交错糅合在一起,6b。裂痕产生是由于压缩过程(process)为间断性的 ,粉碎的 秸秆散粒体是一层一层被挤压成型。这符合环模成型机理,成型机通过模辊间的 物料及其摩擦力使安装在环模内的 压辊自转,将物料钳入、挤压,最后成圆柱状从环模孔中被连续挤出来,试验用成型机为双压辊,即环模旋转一周,每个环模孔被挤压两次,为间断性压缩。
  2.3木屑和木屑颗粒燃料微观形貌
  2.3.1木屑
  木屑的 微观形貌与木材原貌一致,只是木屑边缘部分有切断的 痕迹,木屑的 表面形态略有变形,7a。表面的 细胞已断裂呈蓬松碎片状,破裂部仍可见木质原有的 筛孔,7b。
  2.3.2木屑颗粒燃料
  由于模具的 挤压,木屑已完全嵌在一起,分辨不出散粒体之间的 间隙及木屑表面的 原有形貌,只观察到木屑网络骨架变细,且有一定的 弯曲变形,结合处木屑与木屑之间已完全揉合在一起,部分木屑散粒体完全变形,扭曲。与玉米颗粒燃料类似,从横截面看,木质颗粒燃料形貌仍可分为中心层、过渡层和表层三部分,8a。
  中心层散粒体 ;平铺 ;清晰可见其为片状,8b。表层散粒体 ;直立 ;呈条块状分布。过渡层散粒体已完全变形,无法看出其原有形态。以上特征比秸秆颗粒燃料明显,8c。
  纵截面可见层与层相互叠加,片与片层叠在一起。由于挤压力和模具孔的 限制,成型过程位于中心的 散粒体先被挤出模具孔,因此,颗粒燃料的 中心略凸起,散粒体分别向两侧弯曲,9a,颗粒燃料仍有裂缝存在,两裂缝间距离约25μm,9b。
  2.4玉米秸秆和木屑颗粒燃料对比
  肉眼观察秸秆颗粒燃料表面裂纹比木屑颗粒燃料多,且表面较粗糙,易掰断。木屑颗粒较结实,不易掰断。颗粒燃料的 两端,一端面呈 ;中心低,四周高 ;另一端面呈 ;中心高,四周低 ;木屑颗粒燃料端面的 凸起和凹陷较秸秆颗粒燃料光滑。
  颗粒燃料的 横截面观察,可分三层,中心层的 散粒体 ;平铺 ;表层的 散粒体 ;直立 ;过渡层散粒体变形严重。颗粒燃料纵截面观察,颗粒燃料内部有裂缝存在,裂纹是导致生物质能源颗粒易掰断的 直接原因。不同原料裂纹的 宽度不同,玉米秸秆原料的 生物质能源颗粒裂纹间距比木屑原料的 生物质能源颗粒大,且裂缝间隙宽,因此,秸秆颗粒较木屑颗粒更易掰断。秸秆颗粒燃料呈不规则鳞片状,木屑颗粒燃料呈层状,且中心凸起,散粒体分别向两边弯曲,原因是木屑散粒体较粉碎秸秆散粒体的 粒度分布均匀,80%以上为粒度小于1mm的 散粒体,且粒度较小,压缩(compression)成型后的 散粒体排列较整齐。
  以原料粉碎粒度的 现状来看,压力相同时,秸秆颗粒燃料的 颗粒绖密性稍差,若提高秸秆颗粒燃料绖密性,则秸秆所需压力要大于木屑原料。
  采用秸秆生产生物质能源颗粒的 生产工艺中,应在秸秆粗粉后,再进行一次细粉,使秸秆粉料粒度变小,并使粒度分布更加均匀,可以提高生物质能源颗粒的 成型质量。但成本相应增加。
  3结论
  1)粉碎秸秆和木屑的 微观形貌未发生本质变化,只表面细胞结构被损坏。颗粒燃料的 微观形貌已完全变化,基本失去了原有的 细胞结构微观形貌,散粒体揉合在一起形成新的 微观形貌。
  2)生物(Organism)质能源颗粒横截面的 微观形貌观察,可将其形貌分成中心层、过渡层和表层三部分,中心层散粒体 ;平铺 ;表层散粒体 ;直立 ;过渡层散粒体挤压变形严重。
  3)生物质能源颗粒为分层压缩,颗粒燃料内部有裂纹存在,这与环模式(pattern)成型机具的 间断性压缩过程吻合。该压缩机理导致颗粒内部有断层,这是玉米秸秆颗粒燃料容易掰断的 主要原因,若要提高秸秆颗粒燃料质量,应在压缩前对原料再进行细粉,减小原料的 粒度,使粒度分布更加均匀,来提高散粒体结合能力。
  4)秸秆颗粒燃料比木屑颗粒燃料的 层间距大,导致木屑颗粒燃料的 颗粒密度大于秸秆颗粒燃料。现有原料条件下,秸秆颗粒燃料比木屑颗粒燃料更难成型,若要提高秸秆颗粒燃料颗粒密度,秸秆原料压缩所需压力(pressure)应大于木屑原料,可通过增加环模压缩比或适当增加环模转速等方式,来增加颗粒燃料密度。
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