Li Wei Zhen 1,2,3Jiang Yang 1,2,3Yin linda1,2,3
(1. Guangzhou Industrial Institute of New Energy and Renewable Energy Research and Guangzhou, Guangzhou 510640; 3. Laboratório-chave da Energia Renovável, Academia Chinesa de Ciências, Guangzhou 510640;
Resumo: O briquete de biomassa desenvolveu-se rapidamente nos últimos anos devido às suas características de ser limpo e renovável, e a pesquisa sobre o seu mecanismo de formação também está se tornando cada vez mais profunda. Este artigo apresenta principalmente os modos de ligação do tarugo sólido e as características de transição térmica da lignina E a composição da matéria-prima, a composição das matérias-primas, os parâmetros de formação e outros aspectos do estado da pesquisa, a tecnologia de mistura e moldagem proposta, as características de transição térmica das matérias-primas, o impacto da estrutura e das espécies da lignina, a estrutura da "ponte sólida" das condições de construção e a morfologia microscópica, grupos funcionais e A mudança das regras da ligação química deve ser a principal direção da pesquisa sobre o mecanismo de formação e fornecer uma referência para novas pesquisas sobre o mecanismo de formação da biomassa.
0 Prefácio
A tecnologia de formação de biomassa é um dos usos efetivos da tecnologia de energia de biomassa, refere-se ao papel de uma certa temperatura e pressão, todos os tipos de formas dispersas e não uniformes de resíduos agrícolas e florestais processados em uma certa forma, densidade A tecnologia de vários produtos combustíveis [1]Durante o processo de moldagem, as partículas passam por rearranjo, deformação mecânica, reologia plástica e aumento de densidade. A qualidade do combustível também é afetada pela composição química da matéria-prima e pelos parâmetros de formação externa [2]Mecanismo de força e de ligação de partículas mostrado na Figura 1. Este artigo descreve o processo de formação de partículas, a ligação de lignina, a composição de matéria-prima e os parâmetros de formação do status de pesquisa, apresentou futuras direções de pesquisa para o desenvolvimento do mecanismo de formação de biomassa para fornecer Referência
1 processo de moldagem
O processo de moldagem, de acordo com a deformação das matérias-primas, pode ser dividido em quatro etapas [3-5], Apresentado na Figura 2. um para o estágio solto, para superar o fosso entre as matérias-primas baseadas em matérias-primas, até certo ponto, o ar é excluído, a pressão e a deformação foram uma relação linear, quanto menor o aumento de pressão pode ser maior incremento de deformação. b é a fase de transição, a pressão aumenta, as partículas grandes se dividem em partículas pequenas, a deformação elástica e domina, o espaço da partícula é preenchido, a pressão e a deformação são a relação exponencial. C é o estágio de compressão, ocorre a deformação plástica principal, as partículas Na deformação da fratura ou deslizamento ocorre: a direção do estresse principal vertical, as partículas totalmente estendidas, estreitamente integradas pelo modo de engrenagem, paralelamente à direção do estresse principal, as partículas mais finas, estreitamente ligadas por meio da ligação. Formação fundamental do combustível, pressão e deformação plástica de matérias-primas . d é o estágio de transição, o material plástico e a deformação viscoelástica elástica, a principal deformação elástica. O relaxamento do estresse do material bruto e os fenômenos de fluência, a pressão será significativamente reduzida.
Combinação de duas partículas
KALIYAN e assim por diante [6]Neste artigo, dois tipos de teorias são apresentados: (1) A distância entre as partículas é suficientemente próxima e combinada pela força atrativa, a força atrativa eletrostática devido ao atrito entre as partículas ou a parte interna pode fazer as partículas se combinarem entre si. Quando a distância entre as partículas é inferior a 0,1 μm, as forças de van der Waals tornam-se a principal atração da ligação entre partes. ② As partículas são ligadas pela estrutura da "ponte sólida".
Alguns materiais ou aditivos nas matérias-primas, devido a reação química, cristalização ou solidificação, interdiffuse difundem e formam vínculos interdisciplinares para formar uma estrutura de "ponte sólida" e se tornam o principal modo de combinação partículas-partículas. KALIYAN et al. A lignina, os carboidratos, o amido, a proteína e a gordura na palha e no próprio mudas se amolecem ou se deformam, formando uma estrutura de "ponte sólida". KONG et al. [7]O estudo confirmou que a adição de fibras de invólucro de resíduos durante a formação de serragem cria uma estrutura de "ponte sólida" com melhor durabilidade mecânica.
KONG e assim por diante [8]O efeito da adição de quatro tipos de fibras, como palha de arroz, palha de trigo, borracha e nylon, sobre a formação de serradura foi estudado. Conforme mostrado na Figura 3, verificou-se que palha de arroz e árvore de borracha podem melhorar as propriedades físicas do grão. Palha de arroz, A serragem é a mesma matéria-prima hidrofílica, as partículas podem ser efetivamente enredadas entre si para formar uma estrutura de "ponte sólida", palha de trigo, matérias-primas hidrofóbicas de nylon, para melhorar a qualidade das partículas desempenham um papel negativo.
3 efeito de ligação de lignina
3.1 características de transição térmica
A biomassa é um tipo de polímero de macromolécula natural, sua característica de transição térmica refere-se à temperatura de transição vítrea (Tg) e à temperatura de fusão. A temperatura de transição em vidro refere-se à temperatura à qual o polímero adula e transita do estado de vidro para o estado de plástico. O peso molecular e o comprimento da cadeia da composição dos monómeros estruturais diferentes, a transição do vidro ocorre em uma faixa de temperatura, é uma propriedade importante do polímero. A temperatura de fusão refere-se ao polímero de temperatura de transição sólida a líquida. Características de transição térmica de Lignina No processo de moldagem desempenha um papel fundamental na temperatura de transição vítrea abaixo da força covalente formada pela valência e ligações secundárias, apresentando maior resistência mecânica, maior módulo elástico, temperatura de transição do vidro acima da temperatura de transição vítrea, Parte da rotação ou deslocamento molecular da lignina torna-se gradualmente o movimento de expansão térmica molecular, maior mobilidade, maior viscosidade [9]A temperatura de transição vítrea da lignina depende da sua fonte e está relacionada ao tipo, teor de umidade e processo de extração [10-11]STELTE et al [12]A pesquisa mostra que a lignina de madeira dura tem mais estrutura de acetil, metóxi e uma pequena quantidade de estrutura de hidroxilo fenólico, a temperatura de transição no vidro é menor do que a madeira macia [12]STELTE et al [13]O efeito da temperatura de transição no vidro nos grânulos formados foi estudado. A temperatura de transição em vidro da palha de trigo e palha de trigo extraída com n-hexano foi de 53 ℃ e 63 ℃, respectivamente, quando o teor de umidade era de 8%. À temperatura de transição vítrea Abaixo (30 ° C) é inferior ao acima (100 ° C), a densidade da partícula ea força são mais baixas e a extensão axial é maior.
KALIYAN e assim por diante [14]A temperatura de transição vítrea da haste de milho e do pântano em diferentes teores de água foi determinada por calorimetria de varredura diferencial (DSC). Os resultados são mostrados na Tabela 1. Verifica-se que o aumento de umidade diminuirá a temperatura de transição vítrea porque a água pode atuar como plastificante, lignina - As ligações lignina-hidrogênio entre moléculas de lignina são substituídas por ligações lignina-água [15]As temperaturas de transição vítrea das três ligninas industriais foram medidas por DSR, calorimetria de varredura diferencial (TMDSC), termomecânica (TMA) e métodos de reologia, e foram encontrados diretamente A amostra é aquecida e a curva DSC mostra um pico endotérmico largo devido à evaporação da umidade, resultando em um erro maior como mostrado na Figura 4. Portanto, a amostra deve ser pré-aquecida para evaporar a água, eliminando o histórico de pré-aquecimento Enquanto o componente de lignina é mais sensível à temperatura, a temperatura de tratamento pré-térmico atingiu 120 ℃ trará sobre a decomposição térmica, resultando em mudanças estruturais [16]Portanto, a temperatura final do tratamento de pré-aquecimento foi ajustada para 90 ° C e os resultados são mostrados na Tabela 2. Sabe-se que a lignina solúvel em metanol (MS) contém menos condensação do que a lignina original e os componentes insolúveis em metanol (MI) Estrutura, com uma menor temperatura de transição no vidro.
3.2 efeito de ligação de lignina
O processo de moldagem, a lignina da transição térmica do papel de ligação e solidificação e enchimento, é o principal componente da própria biomassa do papel de ligação [17-18]Com 70 ~ 110 ℃, a lignina começou a suavizar, com uma certa viscosidade, a 200 ~ 300 ℃, mostrando um estado fundido, a viscosidade torna-se maior neste momento, sob uma certa pressão, com as matérias-primas de celulose, hemicelulose Através das moléculas se atraem e moldando[19-20].
Estrutura de lignina 3.3
STELTE e assim por diante [9]Acredita-se que os grupos hidroxilo, especialmente os grupos hidroxilo fenólicos, são fáceis de formar uma abundante estrutura de ligação de hidrogênio, o que promoverá a formação de ligação e aumentará a resistência mecânica das partículas. Os teores de lignina de eucalipto e madeira são semelhantes (de acordo com a base de dados do American Renewable Energy Laboratory, As aparas de madeira continham 26,91% ~ 28,16% de lignina e os chips de madeira apresentavam 23,87% ~ 28,55% de lignina), mas o consumo real de energia de chips de eucalipto era alto ea densidade e intensidade eram baixas após a formação, provavelmente porque a lignina de eucalipto Unidade estrutural de base, lignina de madeira dura para unidade estrutural à base de madeira Guaiac [21]O índice de ligação de lignina da unidade estrutural à base de lignina é menor do que a unidade estrutural baseada em madeira guaiac, o efeito de formação é bastante diferente[13].
4 composição química bruta
A biomassa possui uma estrutura complexa, incluindo celulose, hemicelulose e lignina, bem como extrativos e cinzas [22-23]. Os diferentes componentes no processo de moldagem têm um papel diferente, mostrado na Figura 5. Diferentes tipos de composição e estrutura de biomassa de diferentes dificuldades de moldagem e o efeito é bastante diferente[24].
4.1 Celulose
A celulose é um polímero de macromolécula linear altamente ordenado formado por ligações glicosídicas β-1,4 que ligam centenas a milhares de D-glicose. A unidade de repetição mais pequena é a celobiosa (C 6H10O5)nNas células vegetais, a celulose forma microfibrilhas cristalinas que são cercadas por fibras amorfas que possuem regiões cristalinas e não cristalinas [25]A estrutura de cristal de celulose e a ligação de hidrogênio rica não podem ser usadas como aglutinantes na formação, mas tornar-se-ão mais suaves após o aquecimento. Os filamentos conectados por ligação de hidrogênio desempenham um papel semelhante de "vergalhão" no combustível, Torne-se um "esqueleto" do combustível. "Jiang et al. [26] estudaram as propriedades do pó de celulose sozinho e descobriram que o aumento do teor, pressão e temperatura da água dentro de uma determinada faixa aumentou a qualidade da partícula com um teor de água de 14% -29% e uma pressão de 3 ~ 4kN, a melhor temperatura de moldagem é de 100 ℃.
4.2 Hemicelulose
A hemicelulose é um polissacarídeo polimerizado a partir de diferentes tipos de monossacarídeos, a cadeia polimérica é amorfa e existe cadeia curta. Na madeira dura, o esqueleto hemicelulose da unidade de xilose por β-1, 4 glicosídeos Bond, a cadeia é constituída por ligações glicosídicas β-1,2 e ligações de ácido 4-O-metil glucurônico. A composição do esqueleto de hemicelulose da cortiça contém menos acetilo, mas estão conectadas ao principal Corrente de cadeia lateral de arabinofuranose. O processo de moldagem, sob o efeito combinado de pressão e hidrólise de hemicelulose, pode ser degradado para a lignina, desempenhar um papel de aglutinante.
4.3 Lignina
A lignina é um tipo de composto aromático com estrutura de rede de polifenol tridimensional formada por polimerização de monómero de fenilpropano de guaiacyl, lilac e p-hydroxybenzene, que tem conteúdo diferente dos três monómeros.
Cortiça em unidades estruturais baseadas em madeira de mais guaiac, unidades estruturais de madeira dura para lilás. O conteúdo de lignina na moldagem foi estudado [27]VANDAM et al [28]Descobriu que a temperatura acima de 140 ℃ pode aumentar a força de ligação à lignina, CASTELLANO e assim por diante [29]Descobriu que os componentes de matérias-primas são os principais fatores que afetam a qualidade das partículas, alto conteúdo de lignina, baixo teor de extrato de partículas moldadas de matérias-primas com melhor qualidade física; LEHTIKANGAS'30 'encontrado para casca fresca e armazenada, Serradura, matérias-primas para resíduos de colheita, partículas com alto conteúdo de lignina têm melhor durabilidade, HOLM, etc. [31]Quanto maior o teor de lignina, melhor será a ligação interna das partículas. Quanto maior a temperatura, quanto maior a temperatura de transição do vidro, maior a resistência mecânica das partículas. No entanto, BRADFIELD et al. [32]A Lignina é considerada como uma força interna pobre do material viscoso, dentro de uma certa variedade de estrutura cristalina de polímeros de madeira desempenham um papel na união, mas seu conteúdo excede o valor crítico, acumulação excessiva de material adesivo entre os cristais, reduzindo Força e Durabilidade das Granulas; WILSON [33]Verificou-se que a relação entre o teor de lignina e a durabilidade dos grãos não era óbvia para madeira dura e madeira macia.
4.4 Amido
O amido é um polímero de D-glicose dividido em amilopectina ramificada e amilopectina sem ramificação, insolúvel em água à temperatura ambiente, a formação de pasta de amido sob a ação de certa temperatura, umidade, pressão e tempo de compressão (Irreversível), desempenhar o papel de aglutinante e lubrificante '34', o que ajudará o combustível descarregado do molde. Há dois mecanismos de gelatinização de amido: ① sob a ação de umidade e temperatura, a estrutura de cristal é danificada; ② no assunto No processo de prensagem, os grãos de amido são quebrados por corte e extrusão, quanto maior o grau de gelatinização de amido, mais evidente o efeito de ligação e maior a resistência mecânica do combustível[35].
4,5 proteínas
Sob certas condições de temperatura e umidade, a proteína na matéria-prima será desnaturada e as proteínas, gorduras, amido e similares serão transformadas em novas substâncias, o que ajudará a melhorar a coesão protéica. De acordo com BRIGGS et al [36]Pesquisa, aumentar o teor de proteína das matérias-primas, melhorar a durabilidade mecânica dos produtos e a proteína não desnatada pode melhorar a qualidade física do produto mais do que a proteína desnaturada. [37]Considera-se que a matéria-prima contém proteína natural suficiente para melhorar a sua função como aglutinante.30 SOKHANSANJ et al descobriram que o maior teor de amido e proteína da matéria-prima do que a matéria-prima única de celulose preparada a durabilidade mecânica é melhor, O teor de umidade ideal para matérias-primas contendo apenas celulose é de 8% a 12%, enquanto que para o amido e matérias-primas ricas em proteínas, o teor de umidade ideal é de até 20%. A proteína extraída de soja, trigo, centeio e cevada Formando um papel na promoção da extração de proteínas do milho pelo contrário [39]O efeito de promoção da proteína e do amido na formação foi estudado. Considera-se que a proteína bruta é melhor do que a proteína desnaturada para promover a formação. Em comparação com o amido adicionado, a proteína bruta pode promover a formação melhor do que o amido cru ou o amido gelatinizado.
4.6 gordura
A gordura na matéria-prima atua principalmente como um lubrificante no processo de formação e uma pequena quantidade de gordura promove a formação porque a gordura natural na parede celular é espremida durante o processo de compressão para atuar como uma "ponte sólida" para melhorar a durabilidade. A gordura bloqueia a ligação entre as partículas porque a gordura é distribuída entre as partículas e a sua hidrofobicidade pode inibir a ligação de outros componentes solúveis em água (como lignina, amido, proteínas, etc.) e reduzir a força de ligação entre as partículas [30]CAVALCANTI'40 'foi utilizado para estudar as propriedades de ligação de amido, proteína e gordura em 13 matérias-primas. Os resultados mostraram que o teor de gordura foi superior a 6,5%, a durabilidade de CAVALCANTI'40' foi fraca, o que foi desfavorável para melhorar o efeito de ligação do amido e da proteína.
5 parâmetros de formação
Pressão 5.1
A pressão é uma condição necessária para a formação, sob determinada pressão, a matéria-prima pode ser comprimida e formada. Dentro de uma certa faixa de pressão inicial, a pressão e a densidade do produto são basicamente uma relação linear. Excedendo a faixa de pressão, a pressão ea densidade do produto são exponenciais, A pressão atinge um certo valor, a densidade do produto aumenta com a pressão não é óbvia [41]Wu Kai e assim por diante [42]Verificou-se que o torque do modo toroidal tem uma relação exponencial com a proporção de Poisson do material no equipamento de moldagem do anel e a relação de compressão do modo exagerado também possui uma relação exponencial com o torque. [43]O estudo descobriu que a relação exponencial da pressão com o comprimento da partícula, o aumento da temperatura pode reduzir a pressão requerida.
5.2 umidade
A umidade é um parâmetro importante a ser controlado no processo de formação [17]Os resultados mostram que a água pode reduzir a temperatura de transição do vidro e promover a formação da estrutura da "ponte sólida" para aumentar a área de contato entre as partículas. A água é um aglutinante e lubrificante natural, uma certa quantidade de água pode formar uma película fina entre as partículas, aumentar Grande área de contato entre as partículas e a força de interação (força de Van der Waals), o filme também pode reduzir o atrito entre as matérias-primas e as partículas de mofo e matéria-prima, reduzindo o consumo de energia[44-45].
No entanto, muita água reduzirá a qualidade do produto, porque muita água não pode ser absorvida pelas partículas e anexada à superfície, de modo que as partículas não são fáceis de comprimir diferentes matérias-primas necessárias para o melhor conteúdo de umidade não é a mesma "46", maior ou menor que O melhor valor, a qualidade do produto será reduzida. LI e assim por diante [47]Casca, serradura, briquetes de alfafa e descobriu que o melhor teor de umidade de cerca de 8%.
MANI [44]É apontado que o teor de umidade ideal das matérias-primas da fibra é de 8% a 12%. OBEMBERGER et al [48]Os resultados mostraram que, quando o teor de umidade da palha de arroz era de 8% a 12%, a qualidade do produto era a melhor. O Yang Yang e outros 24 estudaram a relação entre o teor de umidade e a densidade de palha de milho, palha de soja, junco e assim por diante e considerou o teor de umidade como 12% ~ 18% é mais apropriado.
Tamanho de partículas 5.3
O tamanho das partículas também é um dos fatores que afetam a moldagem, menor o tamanho das partículas, mais facilmente comprimido, melhor a qualidade do produto [49]O tamanho de partículas não homogêneas, as grandes diferenças na morfologia ou os tamanhos de partículas maiores levam a uma menor densidade do produto, redução da resistência e fissuras na superfície e no interior de HARUNA et al. [50]De acordo com o experimento de formação de agricultura e matérias-primas de madeira, verificou-se que quanto menor o tamanho de partícula, maior a densidade das partículas formadas. O estudo MANI descobriu que, quando o tamanho da malha triturada é gradualmente reduzido de 3,2 mm para 0,8 mm, a densidade do produto se torna maior. De fato, As matérias-primas de diferentes tamanhos são misturadas e moldadas, e a qualidade dos produtos será melhor porque as fibras ou as folhas torcidas nas partículas têm propriedades de dobragem e enrolamento e, quando estão reunidas, estão enredadas uma com a outra para formar uma estrutura de "ponte sólida" 6, de modo a melhorar a qualidade do produto[44].
5.4 Temperatura
O processo de moldagem, o aumento da temperatura podem suavizar a lignina, desempenhar um papel na união, mas também tornar o próprio material suave e fácil de comprimir, mas a temperatura não deve ser muito alta, ou a carbonização séria de matérias-primas, a falha da moldagem. A temperatura é geralmente de 80 ~ 150 ℃[51-53]Wang Gongliang e outros '54' usaram a metodologia de superfície de resposta para estudar as características de formação de talos de milho e descobriram que havia uma interação entre umidade e temperatura. Quando a temperatura era inferior a 100 ℃, o teor de umidade diminuiu. Quando a temperatura era superior a 100 ℃, O mesmo, há o menor consumo de energia em 100 ℃.
6 Discussão e Sugestões
(1) A tecnologia de compilar e formar utiliza a diferença de características físicas e químicas de diferentes matérias-primas e as ajusta de acordo com uma certa proporção para perceber a complementaridade dos componentes da matéria-prima, melhorar o desempenho de bloqueio mecânico entre partículas e melhorar o efeito de moldagem e é eficaz para resolver a matéria-prima única que não pode satisfazer os requisitos padrão Os meios técnicos devem ser uma das principais direções de pesquisa futura.
(2) diferentes estudiosos adotam métodos de pesquisa diferentes, diferentes do original
Portanto, é necessário estudar as características de transição térmica das matérias-primas em profundidade, o que pode fornecer uma base teórica para manter uma faixa de temperatura razoável para a produção de combustíveis de moldagem e reduzir o consumo de energia da produção.
(3) A Lignina desempenha o papel principal no processo de formação, mas tem o efeito de amaciar e unir apenas após a transformação térmica. O efeito da lignina no processo de formação de matéria-prima diferente não é exatamente o mesmo e a influência do teor de lignina na formação Não há uma compreensão unificada do impacto da estrutura de lignina na moldagem ainda é muito pequena, portanto, é necessário estudar suas características de transição térmica, com base em suas características estruturais e conteúdo de diferentes matérias-primas que formam a pesquisa de classificação, o que pode ser Produção de implantação de matérias-primas, formando um conjunto razoável de parâmetros para fornecer orientações teóricas.
(4) A construção da estrutura de "ponte sólida" pode, obviamente, melhorar a qualidade do produto, mas o estudo sobre suas condições de construção e características microestruturais no processo de construção ainda não é suficientemente profundo. A pesquisa neste aspecto pode esclarecer o caminho da ligação inter-partículas e melhorar A qualidade do combustível indica a direção.
(5) A razão fundamental para a melhoria da qualidade do combustível de moldagem é a mudança de grupos funcionais e ligações químicas no processo de moldagem. Atualmente, a pesquisa nesta área não é suficiente, e podemos obter uma melhor compreensão da combinação de grupos funcionais e ligações químicas e a maneira de ativação e fratura no processo de moldagem, Micro-perspectiva revela a ligação de lignina, é a base para o estudo do mecanismo de formação.
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