CN112410091A

CN112410091A - 一种生物质致密成型方法

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Publication number: CN112410091A
Application number: CN202011078097.XA
Authority: CN
Inventors: 陈忠加; 鞠晓男; 袁湘月; 俞国胜
Original assignee: Beijing Forestry University
Current assignee: Beijing Forestry University
Priority date: 2020-10-10
Filing date: 2020-10-10
Publication date: 2021-02-26

Abstract

本发明公开了一种生物质致密成型方法，目的为提高成型燃料的品质，使粘结剂更均匀的与生物质原料混合，通过高压喷射液态粘结剂促进生物质的致密成型。其中，包括以下步骤：原料含水率处理、高压喷射添加粘结剂以及混合原料压缩成型。通过对本发明技术方案的实施，可以获得以下技术效果：在低成型压力下，高压喷射方式可以使木屑与粘结剂更均匀的混合接触，使成型颗粒的松弛密度提升了8.65％，成型效果显著提高；而在高成型压力下，与搅拌添加粘结剂相比，高压喷射粘结剂方式得到的成型颗粒松弛密度和抗压强度均有小幅度的提升，尤其对颗粒松弛密度的提高有显著影响。

Description

一种生物质致密成型方法

技术领域

本发明涉及生物质成型燃料领域，特别涉及一种生物质致密成型方法。

背景技术

生物质能作为一种清洁的可再生能源，与化石燃料相比，可以显著减少净碳排放，发展前景十分广阔。目前的生物质原料普遍具有能量密度低、体积密度低以及形状尺寸不规则等缺点，将其压缩成较高密度的生物质固体成型燃料，便于运输和燃烧。生物质固体成型燃料广泛用于工业发电、锅炉燃烧供热和户用炊事等方面，作为化石燃料的一种重要替代品，其带来环境友好效益的同时也会带来极大的经济利益。

目前，考虑到生物质压缩过程中的动力消耗，可以通过在成型过程中加入粘结剂来降低能耗。通过添加粘结剂，可以得到抗压强度较高、松弛密度较大、耐久性较好的生物质颗粒；粘结剂可通过形成颗粒之间的固体桥来提高成型燃料的机械强度，这在成型燃料的生产、运输和储存中起着重要作用。由于单糖成分可以起到粘结剂的作用，有助于增强成型颗粒的硬度和稳定性，并且糖的粘性是糖蜜造成的，红糖里含有10％左右的糖蜜成分，因此糖蜜作为粘结剂的一种，是甘蔗生产的副产品，用作生物质燃料的粘结剂，改善了生物质燃料的力学性能和燃料特性。目前，国内外学者对于糖类作为粘结剂有较为广泛的研究。研究得到：糖蜜作为一种高粘性粘合剂附着在固体颗粒表面，起到固体桥的作用，对于生产高强度、高质量的生物质颗粒至关重要；与其他粘合剂相比，无论生物质类型如何，糖蜜和果糖都能在生物质颗粒燃料的耐久性指数上取得更好的性能。

另外，在目前的制造工艺上，大多采用搅拌的方式添加粘结剂。而高压喷射法使用的压力大，喷射流的能量大、速度快，因此采用此方法添加粘结剂不仅对于生物质原料有搅拌作用而且能够更好的雾化所喷射的液态粘结剂，从而均匀的覆盖在生物质原料表面，以达到原料与粘结剂均匀混合的目的。

发明内容

本发明为提高成型燃料的品质，使粘结剂更均匀的与生物质原料混合，提出了高压喷射液态粘结剂促进生物质致密成型的方法。本研究采用高压喷射器向含水率为10％的木屑原料中喷射饱和红糖水粘结剂的方法进行试验验证。

本发明的内容为：

一种生物质致密成型方法，包括如下步骤：

第一步、原料含水率处理，选择农林业废弃物为生物质原料，如杨木屑、松木屑、玉米秸秆粉、小麦秸秆粉等，在未添加粘结剂之前进行自然风干后测定并调节其含水率至8-15％，得到待混合的生物质原料；

第二步、高压喷射添加粘结剂，采用高压喷射器向生物质原料中喷射液态粘结剂，以达到原料与粘结剂均匀混合的目的；

第三步、压缩成型，将充分混合后的原料填充到生物质成型机或成型模具中，通过挤压使生物质原料成型为块状。

优选地，第一步所述农业废弃物选取为杨木木屑，木屑在未添加粘结剂之前，对其进行自然风干，采用快速水分测定仪测定含水率，并调整含水率至10％。

优选地，第二步所述液态粘结剂选取为饱和红糖水，将其以红糖：水＝2.02:1的比例制成。

优选地，第二步所述高压喷射器的出口压力为10MPa，由喷射器1和手压泵3两部分组成，二者通过油管2连接。常态下，针阀6在弹簧的作用下处于关闭状态。压动活塞8 后，活塞8给液体加压，当有压力液体10进入时，针阀6在压力液体10的推动下克服弹簧的弹力而上升，粘结剂从针阀6尖端的喷孔喷出。在高压下，液态粘结剂会以雾状方式喷出。

优选地，第三步所述添加饱和红糖水为粘结剂的混合原料需静置10min后，其粘性达到最佳再进行压缩成型。

优选地，通过破坏试验对成型块进行物理性能评价，评价指标具体为松弛密度和抗压强度。作为实例，松弛密度可通过电子天平(0.01g)和游标卡尺测得，抗压强度可通过微机控制电子万能试验机测定。

本发明的有益效果为：为探究高压喷射粘结剂对于提升生物质致密成型品质的效果，研究了以木屑为原料，饱和红糖水为粘结剂，采用高压喷射方式添加粘结剂，得到更好的致密成型效果。在低成型压力下，高压喷射方式可以使木屑与粘结剂更均匀的混合接触，使成型颗粒的松弛密度提升了8.65％，成型效果显著提高，因而高压喷射粘结剂方式有助于颗粒成型。而在高成型压力下，与搅拌添加粘结剂相比，高压喷射粘结剂方式得到的成型颗粒松弛密度和抗压强度均有小幅度的提升，尤其对颗粒松弛密度的提高有显著影响。

附图说明

图1为本发明实施例中高压喷射装置图；

图2为本发明实施例中喷射原理示意图；

图3为本发明实施例中压缩过程图；

图4为本发明实施例中松弛密度效应曲线图；

图5为本发明实施例中抗压强度效应曲线图。

图例说明：

1-喷射器；2-油管；3-手压泵；4-压杆；5-喷射器壳；6-针阀；7-单向阀；8-活塞； 9-泵壳；10-高压液体；11-低压液体；12-柱塞；13-模具；14-生物质原料；15-底座；A— 成型压力(75MPa,100MPa,124MPa,149MPa)；B—粘结剂比例(0％,3％,6％,9％)；C—粘结剂添加方式(高压喷射，搅拌)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步的描述。应当理解，下列实施例旨在对本发明的技术方案进行示例性的说明，而并非旨在对由权利要求及其等价方案所限定的本发明保护范围进行任何限制。

1.1仪器

高压喷射装置(出口压力：10MPa)。如图1所示，由喷射器和手压泵两部分组成，二者通过油管连接。

柱塞与模具(内径16mm)。本试验利用此模具进行木屑的压缩成型。如图3所示，压缩成型时，柱塞对模具内的原料施加压力，使生物质原料致密化。

REGER微机控制电子万能试验机(型号：4050，雷格尔，深圳，中国)，此外还需用到电子天平(型号：SF-400A，中国)(精度：0.01g)、水分测定仪(型号：SC69-02，上海，中国)、游标卡尺等。

1.2颗粒制备

分别采取高压喷射和搅拌两种方法将生物质原料与粘结剂混合。高压喷射：取一个 20cm×20cm的正方形盘子，将每3份样品的20g木屑均匀的铺在上面，将其放在电子秤上并清零，通过计算得出3％，6％，9％的试样分别需要添加0.62g，1.28g，1.98g的红糖水。将喷射器与木屑相隔90cm，在10MPa压力下进行高压喷射，然后将混合后的材料装入密封袋内放置十分钟再进行成型试验。搅拌：将饱和红糖水用注射器滴洒在木屑上，然后搅拌2分钟使其与生物质颗粒混合。

每一次实验将已调制完成的7g的试验材料填充到模具中，然后利用万能试验机以5mm/min的速度对模具中的试验材料进行压缩。当达到设定的成型压力后，柱塞在此位置保持30s，然后退出模具，从模具中取出成型颗粒。

实施例1预试验——高压喷射粘结剂对成型效果的影响

试验方法：选取14.9MPa的压力，以添加6％的粘结剂比例为例，分别对不添加红糖水、搅拌添加6％红糖水、高压喷射6％红糖水的三组试样进行压缩试验，每组重复试验三次取平均值，对比成型效果。

评价指标：

1)成型效果。不同成型条件(无添加，搅拌添加6％饱和红糖水、高压喷射6％饱和红糖水)和相同成型力下试验对比，以是否可以成型和成型后颗粒表面质量为评价标准。

2)成型块松弛密度。使用电子游标卡尺测量出模两小时后成型燃料的长度和直径。对每组三个试验成型颗粒进行长度的测量，然后取平均值。为保证试验数据的精确性与可靠性，对每一试验成型颗粒的前端、中部与后端分别进行测量后取平均值作为每一个试验成型颗粒的直径值。使用精度为0.01g的电子天平(型号:SF-400A)称量成型燃料质量。计算松弛密度公式如下(1)：

其中，

ρ——成型块的松弛密度(g/cm3)；

m——成型块的质量(g)；

d——成型颗粒直径(cm)；

h——成型颗粒高度(cm)。

测定实施例1所得成型块松弛密度和表面质量，结果记录于下表：、

从上表可以看出，在较小的成型力下(14.9MPa)，不加饱和红糖水的木屑不能成型，生物质颗粒燃料表面有裂纹，掉渣严重且易断裂。搅拌和高压喷射添加红糖水都能成型，但高压喷射添加粘结剂方式相比于搅拌方式，颗粒表面裂纹较少，且松弛密度提升了8.65％，成型效果更好。

实施例2压缩成型试验

试验设计：如下表所示，设计三因素混合水平正交试验，试验因素(三因素)与水平：分析生物质原料的成型压力(4水平)、粘结剂比例(4水平)、粘结剂添加方式(2水平) 对常温高压致密成型效果的影响。

水平	压力(MPa)	粘结剂比例(％)	添加方式
				1	75	0	高压喷射
2	100	3	搅拌
				3	124	6
4	149	9

评价指标：

1)成型块松弛密度。

2)成型块抗压强度。每次试验每组取3个试验样品，为保证试验的准确性，对每一组试验结果取平均值。将生物质成型颗粒轴线垂直放置于万能试验机上，施加稍许压力以确保样品不会移动。当抗压强度试验开始时，柱塞向下移动的速率保持5mm/min，直至样品完全裂开。为准确测得最大轴向力的数值，本文以万能试验机绘制的破坏曲线图的最高点为破坏点，对应的轴向力是最大轴向力。生物质颗粒燃料的抗压强度可通过最大轴向力与其尺寸进行测量。抗压强度计算公式(2)如下：

(其中：抗压强度σ_t(Pa)、最大轴向力F_max(N)、生物质颗粒燃料端面直径D_t(cm))

通过正交表L16(2×42)设计试验，共16组试验，每组试验重复3次后取平均值，结果汇总如下：

根据上表数据进行极差分析，相应曲线图如图4、图5所示，随着成型压力的增加，颗粒松弛密度和抗压强度也增大；随着粘结剂比例的增加，颗粒松弛密度和抗压强度也提高；高压喷射方式对颗粒松弛密度和抗压强度的提高要大于搅拌方式。

对相应数据进行线性回归，得到松弛密度的回归系数检验表。

从上表可以看出，beta1、beta2、beta3均通过检验。说明压力和粘结剂比例对生物质颗粒松弛密度的影响是显著的，虽然粘结剂添加方式相比于成型压力和粘结剂比例影响较小，但对松弛密度影响也比较显著。

对相应数据进行线性回归，得到抗压强度的回归系数检验表。

从上表可以看出，只有beta1、beta2通过检验，beta3未通过检验。说明压力和粘结剂比例对生物质颗粒燃料抗压强度的影响是显著的，添加方式影响不大。

从以上两组实施例可以看出，使用本发明的高压喷射法添加粘结剂，在低成型压力下，高压喷射方式可以使木屑与粘结剂更均匀的混合接触，使成型颗粒的松弛密度提升了 8.65％，成型效果显著提高，因而高压喷射粘结剂方式有助于颗粒成型。而在高成型压力下，与搅拌添加粘结剂相比，高压喷射粘结剂方式得到的成型颗粒松弛密度和抗压强度均有小幅度的提升，尤其对颗粒松弛密度的提高有显著影响。

应当理解，本发明的保护范围并不局限于以上实施例。本领域的技术人员可以根据本发明公开的内容对上述实例及具体实施方式进行改变或变型，以达到本发明的目的。这样的改变和变型均应涵盖在本申请权利要求限定的保护范围内。

Claims

1.一种生物质致密成型方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：原料含水率处理，选择粉碎后的农林业废弃物为生物质原料，烘干并调节其含水率至8-15％，得到待混合的生物质原料；

第二步：高压喷射添加粘结剂，采用高压喷射器向生物质原料中喷射液态粘结剂，使生物质原料与粘结剂均匀充分混合，得到混合的生物质原料；

第三步：压缩成型，将混合的生物质原料填充到生物质成型机中，通过生物质成型机挤压成型。

2.根据权利要求1所述的生物质致密成型方法，其特征在于：第一步所述农林业废弃物选取为木屑，和/或农作物秸秆粉料，含水率调至约10％。

3.根据权利要求1所述的生物质致密成型方法，其特征在于：第二步所述液态粘结剂为糖蜜或饱和红糖水。

4.根据权利要求1所述的生物质致密成型方法，其特征在于：第二步所述高压喷射器由喷射器1和手压泵3两部分组成，二者通过油管2连接，常态下，针阀6在弹簧的作用下处于关闭状态；压动活塞8对液体加压，当有压力液体通过油管2进入喷射器壳体5内部时，针阀6在压力液体的推动下克服弹簧的弹力而上升，粘结剂从针阀6下部尖端的喷孔喷出，在高压下，将液态粘结剂以雾状方式喷出。

5.根据权利要求1所述的生物质致密成型方法，其特征在于：第三步所述压缩成型前，将混合的生物质原料静置一定时间，使其粘性达到最佳再进行压缩成型。

6.根据权利要求2所述的生物质致密成型方法，其特征在于：所述木屑为杨木或松木木屑，所述农作物秸秆粉料为小麦秸秆粉、玉米秸秆粉。

7.根据权利要求3所述的生物质致密成型方法，其特征在于：所述饱和红糖水为由纯甘蔗汁制成的颗粒状红糖，以红糖：水＝2.02:1的比例制成。

8.根据权利要求4所述的生物质致密成型方法，其特征在于：喷射器的喷射压力大于等于10MPa，且压力越大，液体雾化效果越好，与生物质原料混合后成型效果越好。

9.根据权利要求5所述的生物质致密成型方法，其特征在于：混合的生物质原料静置时间为10分钟。