速生林桉木屑与天然林木屑的成型特性比较

李伟振 姜洋 阴秀丽 罗光辉

摘要[目的]比较速生林桉木屑与天然林木屑的成型特性。[方法]对比速生林桉木屑与现有应用成熟的天然林硬杂木屑的成型差异，在WD-100KE型电子压力机上进行桉木屑与硬杂木屑的单颗粒压缩成型试验，研究成型参数水分8%～16%、温度80～160℃、压力4000～8000N、粒径1～5mm对成型指标松弛密度、比能耗、Meyer强度的影响。[结果]水分12%～14%、温度100～120℃、压力5000～6000N、粒径2～3mm为桉木屑及硬杂木屑较佳的成型参数范围;相同成型条件下，桉木屑与硬杂木屑相比松弛密度相差不大，但比能耗明显较高、颗粒Meyer强度明显较低。[结论]为了降低桉木屑成型能耗、提高颗粒强度及提高现有生产设备的原料适应性，可采用与现有硬杂木屑混配成型的方式，以提高成型效果。

关键词桉木屑;颗粒;比能耗;能源化

中图分类号S789文献标识码A

文章编号0517-6611（2019）01-0103-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.01.032

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

天然林木屑是目前国内常用的生物质成型燃料生产原料，针对其成型特性的研究较为深入，生产技术较为成熟，已有规模化应用[1-3]。随着市场规模的扩大，天然林原料资源受限，价格不断上涨，严重制约产业的规模化发展。2015年，华南地区天然林木屑原料价格已由原来400元/t左右上涨到650元/t左右[4]，直接导致企业利润下降，使企业处于亏损或微利状态运行。因此，部分企业开始寻求以农作物秸秆、速生林剩余物、树皮、果壳等为原料进行成型燃料生产。

桉树具有速生、丰产、经济效益显著等优点，已成为我国速生林的战略树种[5]，目前，我国桉树林种植面积达368万hm2，其中广东省种植面积达110万hm2，在桉树加工过程中每年有150多万t的剩余物被废弃[6]，不仅造成严重的环境污染，还造成资源浪费[7]。将大量的桉树加工剩余物加工为成型燃料，进行能源化利用，不仅能解决桉树加工企业废弃物无法处理的难题，而且还能解决成型燃料生产企业原料资源量受限问题[8]。但是，由于对桉树加工剩余物的成型特性研究较少，其是否适应于成型燃料生产及对现有生产设备的适应特性未知，笔者以桉树加工剩余物——桉木屑为原料，进行单颗粒压缩成型试验，考察水分、温度、压力、粒径4个参数对比能耗、松弛密度、Meyer强度的影响，系统研究其成型特性，同时，以现有应用成熟的天然林硬杂木屑为参照物，对比2种原料成型特性的差异，分析桉木屑作为成型燃料生产原料的可行性，以期为桉木屑的能源化利用提供一定理论支撑。

1材料与方法

1.1材料

桉木屑取自广东阳山一造纸厂，为生长在该地区典型人工速生林尾叶桉的剩余物;硬杂木屑取自广东广州一家具厂，为天然林橡木、樟木等的剩余物。原料经自然风干、粉碎和筛分后置于105℃干燥箱至恒重后掺入一定质量的去离子水，均匀混合后获得不同水分含量的样品，密封后放置阴凉干燥处。参考美国国家可再生能源实验室的方法测定原料的三大组分[9]，结果见表1。

2.2SEC

图2为成型参数对SEC的影響。由图2a可知，水分增加，SEC减小，桉木屑SEC由36.22kJ/kg（水分8%）减小到25.31kJ/kg（水分16%），减小了30.12%，桉木屑与硬杂木屑SEC相差最大比例为45.98%（水分16%）。由图2b可知，温度提高，SEC增大，桉木屑SEC由11.96kJ/kg（温度80℃）增大到36.57kJ/kg（温度160℃），增大了205.77%，桉木屑与硬杂木屑SEC相差最大比例为57.73%（温度80℃）。由图2c可知，压力增大，SEC提高，桉木屑SEC由24.91kJ/kg（压力4000N）增大到38.28kJ/kg（压力8000N），增大了53.67%，桉木屑与硬杂木屑SEC相差最大比例为58.04%（压力8000N）。由图2d可知，粒径增大，SEC先减小再增大，桉木屑SEC由30.75kJ/kg（粒径1mm）减小到29.04kJ/kg（粒径3mm），减小了5.56%，再增大到36.25kJ/kg（粒径5mm），增大了24.83%，桉木屑与硬杂木屑SEC相差最大比例为40.00%（粒径4mm）。

结果表明，温度和压力提高，SEC增大，水分增加，SEC降低;粒径增大，SEC先减小再增大，粒径3mm时桉木屑SEC最小。相同成型条件下，桉木屑SEC明显高于硬杂木屑。

2.3HM

图3为成型参数对HM的影响。由图3a可知，水分增加，HM先增大后减小，桉木屑颗粒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%），减小了7.39%，桉木屑与硬杂木屑颗粒HM相差最大比例为-41.52%（水分8%）。由图3b可知，温度提高，HM增大，桉木屑颗粒HM由11.77N/mm2（温度80℃）增大到16.31N/mm2（温度160℃），增大了38.57%，桉木屑与硬杂木屑颗粒HM相差最大比例为-40.32%（温度80℃）。由图3c可知，压力增大，HM增大，桉木屑颗粒HM由11.00N/mm2（压力4000N）增大到16.67N/mm2（压力8000N），增大了51.62%，桉木屑与硬杂木屑颗粒HM相差最大比例为-37.33%（压力6000N）。由图3d可知，粒径增大，HM先增大再减小，桉木屑颗粒HM由9.66N/mm2（粒径1mm）增加到14.07N/mm2（粒径3mm），增加了45.65%，再减小到7.79N/mm2（粒径5mm），减小了44.63%，桉木屑与硬杂木屑颗粒HM相差最大比例为-64.29%（粒径5mm）。

结果表明，温度和压力增加，HM增大，水分和粒径增加，HM先增大后减小，水分12%、粒径3mm时，桉木屑颗粒HM最大。相同成型条件下，桉木屑颗粒HM明显低于硬杂木屑。

由以上分析可知，水分12%～14%、温度100～120℃、压力5000～6000N、粒径2～3mm时，桉木屑及硬杂木屑颗粒RDS≥1000kg/m3、SEC适中、HM较高，是较佳的成型参数范围。但是，相同成型条件时，桉木屑颗粒RDS与硬杂木屑相差不大，但SEC明显高于硬杂木屑、颗粒HM明显低于硬杂木屑，说明虽然2种原料较佳的生产条件基本一致，但是在RDS相差不大的情况下，压缩桉木屑时所消耗能量较大，成型后桉木屑颗粒的强度较低，现有成熟的硬杂木屑生产设备直接生产桉木屑原料存在电机不匹配及模具压缩比调整的问题。为了降低桉木屑成型能耗、提高颗粒强度及提高现有生产设备的原料适应性，可采用与现有硬杂木屑混配成型的方式，以提高成型效果。

一般认为生物质压缩成型主要是利用原料中木质素的软化黏结作用，木质素含量越高，原料越易成型，成型效果越好[17]。该研究发现，虽然桉木屑与硬杂木屑木质素含量相差不大（表1），但2种原料成型效果相差较大，这说明成型效果不但与木质素含量有关，原料其他组分含量和结构对成型效果也有很大影响。

3结论及建议

为了研究桉木屑是否适应于成型燃料生产，考察了水分、温度、压力、粒径4个参数对比能耗、松弛密度、Meyer强度的影响，同时，以现有应用成熟的天然林硬杂木屑为参照物，对比2种原料成型特性的差异，主要结论如下。

（1）桉木屑及硬杂木屑较佳的成型参数范围是水分12%～14%、温度100～120℃、压力5000～6000N、粒径2～3mm。

（2）相同成型条件时，桉木屑颗粒RDS与硬杂木屑相差不大，但SEC明显高于硬杂木屑，最大相差比例58.04%（压力8000N），颗粒HM明显低于硬杂木屑，最大相差比例-64.29%（粒径5mm）。

（3）为了降低桉木屑成型能耗、提高颗粒强度及提高现有生产设备的原料适应性，可采用与现有硬杂木屑混配成型的方式，以提高成型效果。

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