Li Wei Zhen 1,2,3Jiang Yang 1,2,3, Yin hermosa1,2,3
(Guangzhou Instituto de Investigación de Energía de la Academia China de Ciencias, Guangzhou 510640, China; 2. Instituto de Laboratorio de Energía Renovable, Guangzhou 510640, China; 3. clave de laboratorio de la provincia de Guangdong, la nueva energía y la investigación de las energías renovables y el desarrollo y las aplicaciones, Guangzhou 510640)
Resumen: la biomasa de briquetas por una limpia y renovable, etc., desarrollado en los últimos años, también estudió el mecanismo de formación del papel intensificado describe la unión entre 'puente sólido' partículas modo, las propiedades de transición térmicos de la lignina durante el moldeo. y la unión y la condición, el papel de componentes de alimentación, parámetros de moldeo, etc., afectan a la técnica propuesta de moldeo de compuestos, las propiedades de transición térmica de las materias primas, y el tipo de lignina de la estructura, la estructura de la condición construida de 'puente sólido' y morfología, y grupos funcionales Las reglas cambiantes del enlace químico deberían ser la dirección principal de la investigación sobre el mecanismo de formación y proporcionar una referencia para la investigación adicional sobre el mecanismo de formación de biomasa.
0 Prólogo
tecnología de moldeo biomasa es una de la utilización eficaz de la tecnología de la biomasa, se refiere a una cierta temperatura y presión, los diversos tipos de dispersantes, los residuos no forestales forma predeterminada hecha por el procesamiento de una forma, más densa La tecnología de varios productos de combustible [1]Durante el proceso de moldeo, las partículas sufren reorganización, deformación mecánica, reología plástica y aumento de densidad. La calidad del combustible también se ve afectada por la composición química de la materia prima y los parámetros de formación externos. [2], El mecanismo de formación de partículas, y desarrollo de la fuerza en relación con la figura 1. Este mecanismo introduce proceso de moldeo y condiciones, las partículas de manera encuadernados, el papel de la unión de la lignina y componentes de la alimentación de otros parámetros de moldeo, las futuras direcciones de investigación propuesto, la biomasa con Referencia
1 proceso de moldeo
Proceso de moldeo, de acuerdo con la deformación de las materias primas, se puede dividir en cuatro etapas [3-5], Como se muestra en la Figura 2. una fase en masa con el fin de superar la brecha entre la materia prima principal, el aire de alimentación se excluye, en cierta medida, la presión y la deformación es lineal, aumento de la presión en un incremento más pequeño se puede obtener mayor deformación. b es una etapa de transición, aumenta la presión, las partículas más grandes rotas en partículas pequeñas, y se deforma elásticamente de partícula dominante vacío interno que se llena, la presión y la deformación exponencial. c es la fase de compresión, la materia prima se deforma plásticamente principalmente partículas rotura o deformación se produce en la barbotina: dirección del esfuerzo principal vertical, partículas suficientemente estirada, por forma de cerca de acoplamiento; dirección paralela a la tensión principal, la partícula más fino, estrechamente ajuste en contra de la forma básica del combustible, la presión y la materia prima relacionada se deforma plásticamente. d es la etapa de transición, se produce el material plástico y la deformación viscoelástica elástica, la deformación elástica principal, la relajación de la tensión de la materia prima y los fenómenos de fluencia, la presión se reducirá significativamente.
Combinación de 2 partículas
KALIYAN y así sucesivamente [6]La unión entre las partículas de briqueta se resumen manera, dos teorías propuestas: ① entre la partícula lo suficientemente cerca, por proceso de moldeo atractivo de unión, o entre las partículas debido a la fuerza de atracción electrostática generada por la fricción interna, las partículas pueden estar unidos el uno al otro. cuando la distancia entre las partículas es menos de 0.1μm, la principal atracción entre las partículas es de unión van der Hua Licheng. ② entre partículas unidas por 'un sólido puente' estructura.
Alimentar a algunos de las sustancias o aditivos, debido a la reacción química, la cristalización o solidificación cuando el contacto entre las partículas difundidas juntos para formar un reticulado para formar una estructura 'puente sólido', como el modo principal entre partículas unidas. Kaliyan otros estudios han demostrado que el maíz La lignina, los carbohidratos, el almidón, la proteína y la grasa en la paja y el pasto varilla se ablandan o se deforman, formando una estructura de "puente sólido". KONG et al. [7]El estudio confirmó que la adición de fibras de envoltura de desechos durante la formación del serrín crea una estructura de "puente sólido" con una mejor durabilidad mecánica.
KONG y así sucesivamente [8]El estudio adicional de la paja, tallos, hojas, caucho, nylon cuatro tipos de fibra de trigo que forman la adición de arroz serrín, que se muestra en la Figura 3, se encontró paja de arroz, hojas, para mejorar la calidad física de las partículas de caucho juegan un papel catalítico como paja de arroz, hojas y goma aserrín pertenecen material hidrófilo, entre las partículas pueden ser enredadas eficazmente entre sí para formar un 'puente sólido' estructura. paja de trigo, material hidrófobo género de nylon, para mejorar la calidad del efecto negativo de las partículas.
3 efecto de unión de lignina
3.1 características de transición térmica
La biomasa es un polímero natural, su transición propiedades térmicas se refiere a la temperatura de transición vítrea (Tg) y la temperatura de la temperatura de transición vítrea de fusión se refiere a una temperatura de reblandecimiento de polímero del estado de vidrio a una transición de estado plástico. Por el polímero diferente peso molecular y estructura de la cadena larga de la composición de monómero, de transición vítrea se produce dentro de un intervalo de temperatura, una característica importante de la temperatura de fusión del polímero se refiere a un polímero. la temperatura de transición térmica de la propiedades de sólido a líquido de cambio de la lignina jugar un papel crítico durante la temperatura de moldeo por debajo del estado de transición de vidrio, puesto que la cohesión y el enlace covalente formado por enlaces secundarios, exhiben mayor resistencia mecánica, un mayor módulo de elasticidad ;. a una temperatura por encima del estado de transición vítrea, rotación lignina molecular resto o desplazamiento se está convirtiendo en un movimiento de expansión térmica de las moléculas, aumento de la movilidad, una mayor viscosidad [9]La temperatura de transición vítrea de la lignina depende de su fuente y está relacionada con el tipo, el contenido de humedad y el proceso de extracción. [10-11]STELTE et al [12]Los estudios indican que hay más grupo acetilo, un grupo metoxi y una pequeña cantidad de fenólico estructura hidroxilo estructura de madera dura lignina, una temperatura de transición vítrea de menos de madera blanda [12]STELTE et al [13]Después del estudio del vidrio paja temperatura trigo trigo transición de la partícula conformada. El contenido de humedad de 8%, paja de trigo, y se extrajo con temperatura de transición vítrea de paja hexano eran 53 ℃ y 63 ℃, la temperatura de transición vítrea los siguientes (30 ℃) anterior (100 deg.] C) en comparación con la densidad de partículas baja y la fuerza, una extensión axial más grande.
KALIYAN y así sucesivamente [14]Determinación de la temperatura de transición vítrea del rastrojo de maíz y switchgrass bajo el agua diferente usando calorimetría diferencial de barrido (DSC), resultados que se muestran en la Tabla 1, se encontró que el agua para aumentar la temperatura de transición vítrea se reducirá, ya que la humedad puede actuar como un agente plástico, lignina - Los enlaces de lignina-hidrógeno entre las moléculas de lignina se reemplazan por enlaces de lignina-agua [15]Por DSC, la calorimetría diferencial de barrido de modulación de temperatura (TMDSC), método termomecánico (TMA) y reómetro (por Reología) se ensayó tres industrias temperatura de transición vítrea de la lignina. Cuando se utiliza DSC probado directamente programa de temperatura de la muestra, una curva de DSC es amplio pico endotérmico que ocurren debido a la evaporación del agua, lo que resulta en grandes errores, que se muestran en la Figura 4. en consecuencia, la muestra debe ser precalentado para evaporar la humedad mientras que la eliminación de precalentamiento historia Mientras que el componente de lignina es más sensible a la temperatura, la temperatura del tratamiento de precalentamiento alcanzó 120 ℃ provocará la descomposición térmica, lo que provocará cambios estructurales [16]. Se pondrá fin a la temperatura del tratamiento de precalentamiento se realiza a 90 ℃, los resultados tal como se muestra en la Tabla 2 se encontró en comparación con la lignina original y metanol componente insoluble (MI), metanol lignina soluble (MS) contiene menos de condensación Estructura, con una temperatura de transición vítrea inferior.
3.2 efecto de enlace de lignina
Proceso de moldeo, la lignina de la transición térmica del papel de la vinculación y la solidificación y el llenado, es el principal componente de la propia biomasa del papel de la vinculación [17-18]En el momento de 70 ~ 110 ℃, lignina comienza a ablandarse, que tiene una cierta viscosidad, a 200 ~ 300 ℃, presentado en un estado fundido, la viscosidad aumenta. En este momento, bajo presión, la celulosa materia prima, hemicelulosa A través de las moléculas se atraen entre sí y enrollando molduras de unión[19-20].
3.3 estructura de lignina
STELTE y así sucesivamente [9]Que, en particular contenido de madera y lignina serrín duro hidroxilo fenólico hidroxilo ricos fácil de formar enlaces de hidrógeno, y la promoción de la formación de enlace, el aumento de la resistencia mecánica de las partículas. Eucalyptus o menos (según la base de datos Renewable Energy Laboratory EE.UU., eucalipto serrín que contiene 26,91% ~ 28,16% de lignina, duro serrín 23,87% ~ 28,55% que contiene lignina), pero la alta energía real de formación de virutas de madera de eucalipto, después de formar la baja densidad y la fuerza. esto es probablemente porque la lignina de eucalipto virutas de madera lila Unidad estructural base, lignina de madera dura a la unidad estructural a base de madera de guayaco [21], El índice de unión de la lignina de la unidad estructural a base de lignina es inferior a la unidad estructural a base de madera de guayaco, el efecto de formación es bastante diferente[13].
4 composición química sin procesar
La biomasa tiene una estructura compleja, que incluye celulosa, hemicelulosa y lignina, así como extractos y cenizas [22-23]Los diferentes componentes en el proceso de moldeo tienen un papel diferente, que se muestra en la Figura 5. Diferentes tipos de composición de biomasa y estructura de diferente dificultad de moldeo y el efecto es bastante diferente[24].
4.1 Celulosa
La celulosa es un beta-1,4 enlaces glicosídicos enlaces cientos D-glucosa a miles de formación de polímero lineal altamente ordenada, es la unidad repetitiva mínima de celobiosa (C 6H10O5)nEn las células vegetales, la celulosa forma microfibrillas cristalinas que están rodeadas por fibras amorfas que tienen regiones cristalinas y no cristalinas [25]La estructura cristalina de celulosa y rica en enlace de hidrógeno tal que no puede ser moldeado como un aglutinante, pero puede ser más flexible después del calentamiento. Conectado por enlace de hidrógeno a partir de papel filamentos similares 'barras de refuerzo' en el combustible, combustible se convierte en 'esqueleto'. se encontró Jiangen Chen et '26' para estudiar las propiedades de un único moldeo polvo de celulosa para aumentar el contenido de agua dentro de un rango determinado, presión y temperatura, las partículas pueden mejorar la calidad, el contenido de humedad de 14% a 29%, una presión de 3 ~ 4kN, la mejor temperatura de moldeo es 100 ℃.
4.2 Hemicelulosa
La hemicelulosa se polimeriza a partir de diferentes tipos de cuerpo monosacárido hecha de un polisacárido, que la cadena de polímero tiene la forma de una forma amorfa, y de cadena corta presente en unidades de xilosa de madera dura hemicelulosa de cadena principal a través de β-1,4 glicósido enlace juntos, unidos por beta enlaces 1,2-glicosídicos de cadena ramificada, y un grupo metilo 4-O- que consiste en ácido glucurónico. acetil menos backbone hemicelulosa contenida corcho, pero conectado a la principal cadena lateral arabinofuranosil en la cadena. en el proceso de moldeo, la presión en la hidrólisis común de hemicelulosa y lignina degradación puede jugar un papel de aglutinante.
4.3 Lignina
La lignina es diferente de la guayacil, grupo lila de monómeros fenilpropanoides obtenido por polimerización de compuesto aromático hidroxi que tiene una estructura tridimensional de la red de material polifenólico tres contenido de monómero diferente.
grupo blanda a una unidad estructural guayacol basado, madera dura siringil a las principales unidades estructurales. Afectar el contenido de lignina de cierta investigación se ha formado [27]VANDAM et al [28]Se encontró que la temperatura por encima de 140 ℃ puede aumentar la fuerza de unión de lignina; CASTELLANO y así sucesivamente [29]Se encontró que el factor clave es los componentes de partida de la calidad de las partículas, de alto contenido de lignina, se formó contenido extractivos bajo de partículas después de la material que tiene la mejor calidad física; LEHTIKANGAS'30 encontrado en la corteza para fresco y después del almacenamiento, aserrín, residuos de la tala materias primas, de alto contenido de lignina de las partículas tienen buena durabilidad; HOLM en otro [31]Que cuanto mayor es el contenido de lignina, mejor obligado dentro de las partículas, una temperatura mayor que la temperatura de transición vítrea, el aumento de la resistencia mecánica de las partículas, y similares, pero BRADFIELD [32]La lignina se considera pobre resistencia interna de la sustancia similar al pegamento dentro de cierto rango puede jugar un papel en la unión entre la estructura cristalina del polímero de la madera, pero el contenido del mismo excede el valor crítico, el exceso de sustancia similar al pegamento depositado entre los cristales, se reduce Resistencia y durabilidad de gránulos; WILSON [33]Encontrado que la relación entre la madera dura y de madera blanda durabilidad, el contenido de lignina y de partículas obvia.
4.4 Almidón
D- El almidón es un polímero de glucosa, con una ramificación en la amilopectina y la amilosa sin ramificación, insoluble en agua a temperatura ambiente. En el proceso de moldeo, a una cierta temperatura, la humedad, la presión, y la acción de compresión vez que se produce pasta de almidón fenómeno (irreversible), funciona como un lubricante y aglutinante '34', el combustible se descarga desde el molde facilita almidón gelatinizado, hay dos mecanismos :. ① bajo el efecto de la humedad y la temperatura, la estructura cristalina de dañado; ② receptora En el proceso de prensado, los granos de almidón se rompen por cizallamiento y extrusión, cuanto mayor es el grado de gelatinización del almidón, más obvio es el efecto de unión, y mayor es la resistencia mecánica del combustible.[35].
4.5 proteína
A una cierta temperatura y humedad acondicionado, la materia prima exhibirá proteína desnaturalización, proteína, grasa y el almidón se transforma en un nuevo material, ayudan a mejorar la unión de la proteína. El BRIGGS et [36]Investigar, aumentar el contenido de proteína de las materias primas, puede mejorar la durabilidad mecánica de los productos, y la proteína no desnaturalizada puede mejorar la calidad física del producto más que la proteína desnaturalizada. [37]Cuando el material de partida que contiene suficiente proteína nativa, su efecto se puede mejorar como aglutinante. SOKHANSANJ como '38' encontró almidón en bruto y mayor contenido de proteína que la celulosa contiene solamente las materias primas para obtener una mejor durabilidad mecánica del producto, para el agua óptimo de alimentación contiene sólo la celulosa es 8% a 12% más alto contenido de almidón y de proteína de la materia prima de alimentación, que puede alcanzar 20% de la humedad óptima, extraído de la soja, el trigo, el centeno y cebada y otros pares de proteínas Formar un papel en promover la extracción de proteína del maíz por el contrario [39]Estudiado el papel catalítico de la moldura de proteína y almidón, que la proteína cruda de la proteína desnaturalizada es más propicio para el moldeo, en comparación con el almidón añadido, ya sea almidón crudo o almidón gelatinizado, el papel de proteína cruda en la promoción mejor.
4.6 grasa
materia prima de grasa durante el moldeo principalmente actuar como lubricantes, para promover la pequeña cantidad de moldeo de grasa, debido a que la pared celular se extruye en proceso de compresión grasas natural, también sirven como "un sólido puente 'para mejorar la durabilidad. Sin embargo, demasiado unión grasa hinder entre las partículas, puesto que las partículas de grasa situados en el medio, que pueden suprimir el efecto de unión hidrófoba de otros componentes solubles en agua (por ejemplo, lignina, almidón, proteína, etc.), reduciendo la fuerza de unión entre las partículas [30]. Se estudiaron CAVALCANTI'40 'almidón, proteínas y grasas en las características adhesivas de los 13 tipos de materias primas, los resultados muestran que el contenido de grasa de más de 6,5%, la durabilidad de los productos es pobre, no ayudan a mejorar el efecto de unión de almidón y proteína.
5 parámetros de formación
Presión 5.1
presión de moldeo es una condición necesaria, se somete a una cierta presión, la materia prima puede ser moldeada por compresión en un cierto rango de presión inicial, la presión y la densidad de la relación sustancialmente lineal entre el producto, más allá de la gama de presión, y la densidad del producto de forma exponencial, La presión alcanza un cierto valor, la densidad del producto aumenta con la presión no es obvia [41]Wu Kai y así sucesivamente [42]El estudio encontró que en el moldeo del dispositivo de anillo, el molde de anillo y el par de material de exponencial coeficiente de Poisson, mientras que el molde de anillo y la relación de compresión de torque es exponencial. STELTE etc. [43]El estudio encontró que la relación exponencial de la presión con la longitud de la partícula, el aumento de la temperatura puede reducir la presión requerida.
5.2 humedad
La humedad es un parámetro importante a controlar en el proceso de formación [17]Los resultados mostraron que el agua puede disminuir la temperatura de transición vítrea y la promoción de la estructura 'puente sólido' se forma, el área de contacto entre las partículas. El agua es un aglomerante natural y un lubricante, una cantidad de la humedad pueden formar una película fina entre las partículas, por gran área de contacto entre las partículas y la fuerza de interacción (fuerzas de van der Waals), la película también puede reducir la fricción entre el material y el molde y entre las partículas de material, reducir el consumo de energía[44-45].
Pero el exceso de humedad reducirá la calidad del producto, porque el exceso de agua no puede ser absorbido partículas unidas a la superficie, las partículas fácilmente compactado. Diferentes contenidos de humedad óptimo de la materia prima no es necesario el mismo como '46', más o menos de El mejor valor, la calidad del producto se reducirá. LI y así sucesivamente [47]Briquetas de corteza, aserrín, alfalfa y encontraron que el mejor contenido de humedad es de aproximadamente 8%.
MANI [44]Se señala que el contenido de humedad óptimo de las materias primas de fibra es del 8% ~ 12%. OBEMBERGER et al. [48]Los estudios han demostrado que el contenido de humedad de la paja de arroz es el producto de mejor calidad. Jiang Yang, etc. '24' para estudiar la relación entre tallos de maíz, paja de soja, cañas y otros contenidos de humedad y densidad de 8% a 12%, que el contenido de humedad del 12% ~ 18% es más apropiado.
5.3 tamaño de partícula
El tamaño de partícula es también uno de los factores que afectan el moldeo, cuanto más pequeño es el tamaño de partícula, más fácilmente se comprime, mejor es la calidad del producto [49]El uniforme de tamaño de partícula, morfológicamente diversa o mayor tamaño de partícula se traducirá en la densidad del producto, la fuerza disminuye, la superficie y grietas internas. Haruna et [50]La formación de experimento para la agricultura, la materia prima de madera, que se encuentra más pequeño es el tamaño de partícula, mayor es la densidad de la partícula conformada. MANI encontró, pulverizado por un tamiz disminuye gradualmente a 3,2 mm 0,8 mm, la densidad del producto se hace más grande. De hecho, la mezclando materias primas de forma de partícula variable, mejor calidad del producto, debido a que las fibras o partículas tienen una lámina curvada y retorcida resistencia del devanado, entrelazado cuando se agregan, forman una estructura 'puente sólido' '6', mejorando así la calidad del producto[44].
5.4 Temperatura
proceso de moldeo, se puede aumentar la temperatura de la lignina de ablandamiento, desempeñar un papel en la unión, permitiendo al mismo tiempo la materia prima en sí se vuelve suave y fácil de comprimir, pero la temperatura no debe ser demasiado alta, material carbonizado de lo contrario seria, piezas de fundición falló. When the óptimas de moldeo diferentes materiales La temperatura es generalmente 80 ~ 150 ℃[51-53]. Wanggong Liang et '54' utilizando tallos de maíz características de moldeo de respuesta método superficie, encontrado la interacción entre la humedad y la temperatura, cuando la temperatura es inferior a 100 °.] C para reducir el contenido de humedad, cuando la temperatura es más alta que 100 °.] C aumentar el contenido de humedad, el consumo específico de energía se puede mantener sin cambios, la presencia de energía en el punto 100 ℃ más bajo.
6 Discusión y sugerencias
(1) composición técnica de moldeo utilizando la diferencia en las propiedades fisicoquímicas de diferentes materiales, el moldeo de las formulaciones en un determinado porcentaje, los componentes de la alimentación complementarios para lograr propiedades mejoradas de enclavamiento mecánico entre las partículas, el efecto de mejorar la moldeabilidad, una solución de materia prima única puede no cumplir con las normas eficaz requerida medios técnicos, debe ser una de las direcciones principales de la investigación futura.
(2) diferentes estudiosos utilizan diferentes métodos de investigación para diferentes originales
propiedades de transición térmica de los materiales, los resultados de investigación no son exactamente lo mismo. Por lo tanto, es necesario cambiar las propiedades térmicas de la materia prima estudio en profundidad puede proporcionar una base teórica para la producción de briquetas para mantener un intervalo de temperaturas razonable, reducir el consumo de energía.
(3) Puesto que la lignina durante el moldeo importante papel en la unión, pero sólo después de tener un papel en la transición de unión ablandamiento térmico se produce. En proceso de moldeo lignina no son exactamente la misma función, la influencia en el contenido de lignina se forma más diferentes materiales No comprensión común de los efectos de la estructura de lignina formando pequeños, por lo tanto, es necesario cambiar la base de estudiar sus propiedades térmicas sobre el impacto de diferentes materiales que forman el estudio de clasificación de su estructura y contenido, que puede ser despliegue de producción de materias primas, un conjunto razonable de parámetros de moldeo para proporcionar orientación teórica.
(4) Construcción de una configuración de 'puentes sólidos' puede mejorar significativamente la calidad del producto, pero las condiciones para su construcción y microscópica Morfología durante la construcción no es lo suficientemente profunda, la investigación en esta área puede dilucidar la unión entre las partículas y mejorar la forma La calidad del combustible indica la dirección.
(5) mejorar la calidad de briquetas es los cambios de causa raíz en el proceso de moldeo de los grupos funcionales y los enlaces químicos. La investigación actual en este aspecto no es lo suficientemente profunda comprensión del proceso de moldeo de los grupos funcionales y los enlaces químicos manera su activación y formas rotas, de más vista microscópica revela el efecto de la lignina y de unión, el mecanismo de formación de la investigación básica.
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