水解木质素对桉木屑成型特性的影响*

李伟振，姜 洋†，阴秀丽，罗光辉

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 中国科学院可再生能源重点实验室，广州 510640；3. 广东省新能源和可再生能源研究开发与应用重点实验室，广州 510640；4. 通河县龙能资源再生利用有限公司，哈尔滨 150900）

0 前 言

桉树由于生长迅速、丰产、经济效益显著等优点，在我国种植面积不断扩大，目前达368万hm2，主要分布在华南、东南等地区[1]。在桉树的利用过程中会产生大量的桉木屑，仅广东省每年就有150多万t被作为垃圾废弃[2]。将大量的桉木屑加工为成型燃料，进行能源化利用，不仅能解决企业废弃物无法处理的难题，而且还能改善环境，增加企业收入，同时还能缓解成型燃料产业资源量受限等问题[3]。但是由于桉木屑纤维粗、韧性差，成型时能耗较高，成型后燃料品质不佳[4]。

木质素在生物质成型过程中起到黏结剂的关键作用，其含量对成型过程和成型燃料品质有重要影响[5]。CASTELLANO等[6]发现原料组分是影响颗粒品质的关键因素，木质素含量高的原料成型后具有更好的物理品质；LEHTIKANGAS[7]发现针对新鲜的和储存后的树皮、锯末和采伐剩余物原料，木质素含量高颗粒具有较好的耐久性；HOLM 等[8]发现木质素含量越高，颗粒内部结合得越紧密，这表明提高木质素含量是有效改善燃料品质的方式之一。因此，本研究主要考察添加木质素后成型参数对桉木屑成型燃料品质的影响及分析粒子间的结合状态，以获得较佳的成型参数范围，为桉木屑成型燃料品质的改善提供一定理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

桉木屑为生长在广东阳山地区的尾叶桉（典型人工速生林）加工剩余物，取自当地的一家板材加工厂。木质素为玉米秸秆水解利用过程的副产物，属工业级木质素，易获得，利于实现工业生产的应用，源自中国科学院广州能源研究所。经粉碎和筛分后，取不同粒径的原料，置于 105℃烘箱中烘干至恒重，依据质量比掺入一定的去离子水，均匀混合后获得不同水分含量的原料[9]。

1.2 试验方法

1.2.1 成型试验

单颗粒压缩成型试验在WD-100KE型电子万能压力机上进行。压力机压杆直径10.0 mm，模具直径 10.2 mm。待温控仪控制模具温度达到设定值并保持稳定后，将一定质量的原料加入模具内，然后压杆对原料进行压缩成型，压缩速度为20 mm/min，压力到达设定值并保持40 s后压缩完成，挤出颗粒并密封保存。每个试验条件重复3次，结果取平均值。成型过程的压力-位移曲线由电脑自行记录[10]。

采用单因素试验方法，选定水分含量 8%～16%、压力4 000～8 000 N、粒径1～5 mm、水解木质素添加量0～40%（占原料总质量的比例），在试验中考察其他参数的影响时将设定压力6 000 N、水分含量12%、粒径3 mm。实际生产中成型温度由原料与模具摩擦所产生热量决定，一般在110～130℃，本研究中将温度设定为120℃。

1.2.2 比能耗（specific energy consumption, SEC）

根据压缩成型过程中压力-位移曲线，由式（1）计算颗粒压缩过程的SEC[11]（未考虑模具加热能耗）。

式中，SEC为压缩过程比能耗，kJ/kg；W为总能耗，J；m为颗粒质量，g；f为压力，N；s为位移，m。

1.2.3 松弛密度（relaxed density, RDS）

颗粒密封保存两周后，测量其直径、长度和质量，计算密度，即为RDS[12]，见式（2）。

式中，RDS为颗粒松弛密度，kg/m3；m为质量，kg；d为直径，m；l为长度，m。

1.2.4 Meyer强度（Meyer Hardness,HM）

HM定义为压碎颗粒时，单位压痕面积上的作用力。将储存两周的颗粒水平放置在压杆下端（半圆形），压杆正对颗粒中心位置，调用HM测试程序，下行速度为5.00 mm/min，压杆下行时压力-位移曲线中压力快速升高后突然下降的点对应颗粒的破碎点[13-14]，依据破碎点的数据计算HM，见式（3）。

式中，HM为颗粒的Meyer强度，N/mm2；F为颗粒破碎时压力，N；h为压杆压入深度，mm；D为压杆直径，7.00 mm；DP为颗粒直径，10.00 mm。

1.2.5 微观形貌分析

采用日立S-4800 FESEM场发射扫描电子显微镜对颗粒内部横断面结构进行微观观察[15]。试验前先对样品截面进行喷金，形成导电膜层，增强成像质量，试验中电压为2 kV。

2 结果与分析

2.1 成型参数对颗粒品质的影响

2.1.1 水解木质素添加量和水分含量

水解木质素添加量和水分含量对成型颗粒品质的影响见图1。SEC见图1a，水分含量不变时，添加量增加，SEC先减小再增大，存在SEC最低点；添加量为0～30%时，水分含量增加，SEC降低；添加量为 40%时，水分含量增加，SEC增大。RDS见图1b，水分含量不变，木质素添加量增大，RDS增大。HM见图1c，当水分含量不变时，添加量增加，HM先增大后减小，并在添加量为20%～30%时达到最大；在相同添加量条件下，水分含量为12%时HM最大。

成型时，水是天然的黏结剂和润滑剂，一定量的水可在粒子间形成薄膜，增加粒子间接触面积和作用力，减少能耗。因此，一定添加量范围内，水分含量增加，SEC减小。但过多的水不能被粒子吸收而附着在表面，形成弱的结合层，粒子不易被压紧，HM和RDS降低[16]，水分含量12%～14%为宜。

图1 水解木质素添加量和水分含量对颗粒品质的影响Fig. 1 Effect of hydrolysis lignin adding amount and material moisture content on SEC, RDS and HM

2.1.2 水解木质素添加量和压力

水解木质素添加量和压力对成型颗粒品质的影响见图 2。SEC见图 2a，压力不变，添加量增加，SEC先减小再增大，存在SEC最低点。RDS见图2b，压力不变，添加量增加，RDS增大。添加量不变，压力增大，RDS增加，压力小于6 000 N时，RDS增加较快，压力大于6 000 N时，RDS增加缓慢。HM见图2c，压力不变，添加量增加，HM先增大后减小，存在HM最高点。4 000～7 000 N时水解木质素最佳添加量为30%，8 000 N时最佳添加量为20%。添加量不变，压力增大HM增大，压力小于6 000 N时，HM增大较快，压力大于6 000 N时，HM增加缓慢。

上述分析表明，只有在一定的压力下，黏结剂才能起到黏结作用使粒子紧密结合。压力增加，粒子间距减小，作用力增强，黏结作用增强，颗粒RDS和HM增大，压力增大，投入的能量增加，SEC增加[17]，宜将压力保持在6 000～7 000 N。

图2 水解木质素添加量和压力对颗粒品质的影响Fig. 2 Effect of hydrolysis lignin adding amount and pressure on SEC, RDS, and HM

2.1.3 水解木质素添加量和粒径

水解木质素添加量和粒径对成型颗粒品质的影响见图3。SEC见图3a，粒径不变，添加量增加，SEC先减小再增大，存在SEC最小值。相同条件下，粒径2 mm时SEC最小。RDS见图3b，粒径不变，添加量增加，RDS增大。添加量不变，不同粒径间RDS变化不大，说明粒径对RDS的影响较小。HM

见图3c，粒径不变，添加量增加，HM先增大后减小，存在HM最大值。添加量不变，粒径增加，HM先增大再减小。相同条件下，粒径3 mm时HM最大。

其原因为，粒径1～2 mm时，粒子间接触面积大，距离近，产生较大的范德华力、静电力、氢键力等，RDS较大，但粒子间难以形成交叉结合，HM较小；粒径为4～5 mm，粒子间缝隙未得到有效填充，RDS较小、SEC较大；粒径为2～3 mm，粒子间缝隙较小，吸引力较强， RDS和HM较大，SEC较小[18]。因此，宜将粒径保持在2～3 mm间。

生物质成型主要利用木质素的黏结作用，一定范围内，水解木质素添加量增加，可增强黏结作用，使SEC减小和HM增大，但是添加量过多，会造成堆积，压缩困难[19-20]，增大SEC和降低HM，宜将添加量保持在20%～30%。

2.2 微观形貌分析

2.2.1 压力

在水分含量12%、粒径3 mm、水解木质素添加量 20%条件下，不同压力时颗粒内部的微观形貌见图4。从图4a中可以看出局部粒子间存在较深的裂缝；而图 4b和图 4c中，粒子间未见明显裂缝，说明压力小于6 000 N时，压力对颗粒品质影响较大，压力大于6 000 N时，影响不明显[21]。

图4 不同压力时的扫描电镜照片：（a）5 000 N；（b）6 000 N；（c）8 000 NFig. 4 Cross section of pellet at different pressure：(a) 5 000 N;(b) 6 000 N; (c) 8 000 N

2.2.2 粒径

不同粒径（水分含量12%、压力6000 N、水解木质素添加量20%）时颗粒内部的微观形貌见图5。从图5a中可以看出，粒子间基本呈现层状堆积状态，截面表面平整；从图5b和图5c可以看出，粒子间互相交叉堆积，留有缝隙，截面表面不平整[22]。

图5 不同粒径时的扫描电镜照片：（a）2 mm；（b）4 mm；（c）5 mmFig. 5 Cross section of pellet with different particle size：(a) 2 mm;(b) 4 mm; (c) 5 mm

2.2.3 水解木质素添加量

不同水解木质素添加量（水分含量12%、压力6000 N、粒径3 mm）时颗粒内部的微观形貌见图6，从图6a中可以看出水解木质素在粒子表面覆盖不均匀；从图6b和图6c中可以看出水解木质素在粒子表面均匀覆盖，同样说明适宜的添加量20%～30%。

图6 不同水解木质素添加量时的扫描电镜照片：（a）10%；（b）20%；（c）30%Fig. 6 Cross section of pellet with different adding amount of hydrolysis lignin：(a) 10%; (b) 20%; (c) 30%

3 结 论

研究了不同条件（水分含量8%～16%、压力4 000～8 000 N、粒径1～5 mm）下，添加水解木质素（0～40%）对桉木屑成型特性的影响，并采用扫描电镜的观测了颗粒内部横断面结构的微观形貌。

（1）在水分含量12%～14%、压力6 000～7 000 N、粒径2～3 mm时，成型颗粒具有较大的RDS、HM和较小的SEC，为适宜的成型条件。

（2）水解木质素的添加能够改善桉木屑的成型效果，但添加量不宜过多，20%～30%为适宜的添加量范围。

（3）颗粒内部横断面结构扫描电镜观察显示，水解木质素添加量为20%～30%时能够在粒子表面均匀覆盖。