制浆废液组分对草类废渣基颗粒燃料燃烧特性的影响及关联性分析

作     者：薛蓝馨 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨桂花;林兆云

授予年度：2024年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：制浆废液 草类废渣 颗粒燃料 燃烧特性 

摘      要：中国制浆造纸行业面临纤维短缺、环境保护与双碳目标的压力,需要高效利用农林植物废弃纤维资源和采用清洁生产技术。利用制浆过程产生的固废物制备草类废渣基颗粒燃料是实现制浆过程纤维原料全组分利用的有效途径,对推动中国制浆造纸工业清洁可持续发展具有重要现实意义。本论文以生物化学机械法制浆过程产生的草类废渣和制浆废液制备为原料,通过混合压缩成型制备了草类废渣基颗粒燃料,研究了制浆废液对颗粒燃料物理性能的影响机制及对燃烧性能的改善效果,并分析比较了制浆废液不同化学组分对麦草废渣基颗粒燃料燃烧特性的影响。本论文研究内容和研究结果如下: （1）以麦草制浆备料工段中产生的麦草废渣和制浆过程产生的制浆废液为原料,通过混合压缩成型工艺制备了麦草废渣基颗粒燃料,以提高制浆造纸工业废弃物的利用价值。为探究制浆废液对生物质颗粒燃料成型的影响机制,参照麦草废渣组分,以质量比10.17:7.62的纤维素和半纤维素混合物与制浆废液混合,制备了生物质颗粒燃料模型,并通过曲线拟合建立了生物质颗粒燃料预测模型,探究了制浆废液中固形物含量对颗粒燃料成型性能及其物理性能的影响机制。结果表明:制浆废液中木质素含量为10.13 g·L,糖类含量为439.70 mg·L,可以提高燃料颗粒间的黏结力,有利于颗粒燃料的成型,改善了麦草废渣基颗粒燃料的物理性能。制浆废液固形物含量为10.28%时,麦草废渣基颗粒燃料具有较好的物理性能,其抗渗水率为84.90%,压缩应力为1.45 MPa。生物质颗粒燃料预测模型对麦草废渣基颗粒燃料物理性能的预测结果误差小于5%,具有较高的预测精度,该预测模型可为麦草废渣基颗粒燃料物理性能的可控设计提供参考,对颗粒燃料的规模化生产具有指导意义。 （2）为了探究制浆过程不同纤维原料废渣的燃烧特性,将制浆备料工段产生的不同纤维原料废渣直接压缩成型制备了废渣基颗粒燃料,并对其燃烧特性进行了分析比较,分析了添加制浆废液对颗粒燃料燃烧性能的改善效果。结果表明:草类纤维原料废渣基颗粒燃料因不可燃杂质含量较高,固定碳含量较低,燃烧性能稍差于木材废渣基颗粒燃料;草类纤维原料废渣基颗粒燃料中的碱金属元素与硅元素在高温下反应生成结渣性金属硅酸盐类颗粒灰分Si O、NaSiO和KFeO等;木材废渣基颗粒燃料中硅元素含量低,生成的金属硅酸盐颗粒含量较低;草类废渣基颗粒燃料因不可燃杂质含量较高导致固定碳不完全燃烧,增加了CO在燃烧排放气体中的占比。将制浆废液和麦草废渣混合物压缩制备了废液/麦草废渣基颗粒燃料,其综合燃烧指数为2.50×10%·min·℃,燃烧活化能为59.88 k J/mol,与纯麦草废渣基颗粒燃料相比,燃烧指数提高了171.72%,燃烧活化能降低了22.72%,麦草废渣基颗粒燃料的燃烧性能得到明显改善。 （3）为了探究制浆废液组分对麦草废渣基颗粒燃料的影响,将麦草废渣与制浆废液三种组分（木质素、木聚糖、金属盐类）混合后压缩制备了草类废渣基颗粒燃料,对比分析了制浆废液不同化学组分对麦草废渣基颗粒燃料物理性能、燃烧性能和燃烧产物的影响。结果表明:制浆废液中木质素能有效提高麦草废渣间的黏结强度,对颗粒燃料物理性能的改善效果显著,颗粒燃料抗渗水率为81.50%,应力为0.93 MPa;木聚糖的添加优化了麦草废渣基颗粒燃料的燃烧性能,颗粒燃料的点火指数为4.12×10%·min·℃,挥发分析出特性指数为9.59×10%·min·K,综合燃烧指数为7.67×10%·min·℃,改善了麦草废渣基颗粒燃料的燃烧特性,颗粒燃料更易燃烧;金属盐类等无机物对颗粒燃料的燃烧性能呈现负相关性,且对灰分晶型与成分具有一定影响;三种组分对麦草废渣基颗粒燃料气体排放产物影响不明显。 综上所述,以草类废渣和制浆废液为原料制备颗粒燃料,可实现生物质资源的高值化利用。不同纤维废渣原料制备的颗粒燃料的燃烧特性和燃烧产物具有差异性,制浆废液对颗粒燃料的物理性能及燃烧特性具有改善作用,颗粒燃料的燃烧特性与制浆废液的化学组分具有关联性。利用制浆过程产生的草类废渣与制浆废液等固废物制备生物质颗粒燃料是实现制浆过程纤维原料全组分利用纤维资源的有效途径,对推动中国制浆造纸工业清洁可持续发展具有重要现实意义。