УДК 662.8

ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ВЫДЕЛЕНИЯ ЛИГНИНА В ПРОЦЕССЕ ПОЛУЧЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА (ПЕЛЛЕТ)

Алтынова Асем Ериковна1, Саркенов Берик Бейсенович2
1Карагандинский Государственный технический университет, Казахстан, бакалавр, магистрант специальности «Материаловедения и технологии новых материалов»
2Карагандинский Государственный технический университет, Казахстан, кандидат технических наук, заведующий кафедры «Металлургии, материаловедения и нанотехнологии»

Аннотация
Данная статья об исследовании количественных показателей выделения лигнина в соломе в процессе получения твердого топлива (пеллет) в особенности при прессовании(гранулировании). По данным экспериментальной работы степень выделения лигнина зависит от параметров помола и температуры.

Ключевые слова: Гидропресс 50., гранулирование, лигнин, прессование, солома


INVESTIGATION OF QUANTITATIVE SEPARATION OF LIGNIN IN THE PREPARATION OF SOLID FUELS (PELLETS)

Altynova Assem Erikovna1, Sarkenov Berwick Beysenovich2
1Karaganda State Technical University, Kazakhstan, bachelors, masters specialization "Materials science and technology of new materials"
2Karaganda State Technical University, Kazakhstan, Ph.D., Head of Department "Metallurgy, Material Science and Nanotechnology"

Abstract
This article is about the study of quantitative indicators separation of lignin in the straw in the process of preparing a solid fuel (pellets) in particular during pressing (granulation). According to the experimental work lignin precipitation ratio depends on the temperature and the grinding parameters.

Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Алтынова А.Е., Саркенов Б.Б. Исследование количественных показателей выделения лигнина в процессе получения твердого топлива (пеллет) // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/02/47406 (дата обращения: 20.11.2016).

Солома как сырье имеет определенные особенности по сравнению с древесиной , это  относительно низкое содержание целлюлозы, лигнина и, соответственно, повышенные концентрации гемицеллюлоз, золы и воска в сырье. Пшеничная солома содержит 32 % целлюлозы, 18 % лигнина, 23 % пентозанов, 14 % гексозных гемицеллюлоз, 5,9 % растворимых в спирто-бензоле и 8,2 % золы.

Лигнин от латинского lignum – дерево,  – сложный (сетчатый) ароматический природный  полимер  входящий  в состав наземных растений, продукт биосинтеза. После целлюлозы, -  лигнин самый распространенный полимер  на земле, играющий важную роль в природном круговороте углерода.

В соломе лигнин расположен в клеточных стенках и межклеточном пространстве растений и скрепляет целлюлозные волокна.

Вместе с гемицеллюлозами он определяет механическую прочность стволов и стеблей. Лигнин обеспечивает герметичность  клеточных стенок ( для воды и питательных  веществ) и благодаря содержащимся в нем  красителям определяет цвет одревесневевшей ткани.

При лабораторных условиях выделили лигнин из соломы спиртовым раствором едкого натра. 100 г мелконарезанной соломы обливают холодным спиртовым раствором едкого натра (20 г NaOH растворяют в 400 мл воды, к раствору прибавляют 600 мл 96%-ного спирта). Лигнин растворяется гемицеллюлозы при этом остаются нерастворенными. Такой способ позволяет сразу получить лигнин свободным от гемицеллюлоз.

В качестве объектов исследования использовали солому пшеницы урожая 2013 г. Солому просеивали на сите для удаления мелких механических включений (песок, камни). Солому сортировали для удаления оставшихся колосьев, листьев и прочих примесей. Отсортированное сырье кондиционировали на воздухе до равновесного воздушно-сухого состояния, упаковывали для хранения.

Микроскопические исследования исходного сырья в виде соломы и показали, что ткани растительного сырья состоят в основном из клеток прозенхимного характера разной длины, имеющих волокнистую структуру (рисунок 1).

Солома пшеницы овса имеет гладкие и узкие волокна типа либриформа. Для соломы овса также характерно наличие большого количества сосудов. 

Рисунок 1. Анатомические элементы соломы

Определение химического состава (таблица 1) соломы показало, что солома пшеницы характеризуется малым количеством лигнина, экстрактивных и минеральных веществ.

Таблица 1. Химический состав растительного сырья

Компоненты, % Солома пшеницы
Холоцеллюлоза 72,7 ± 0,5
Целлюлоза 47,0 ± 0,5
Лигнин (ГОСТ 11960) 18,0 ± 0,5
Вещества, растворимые:

– в спиртобензольной смеси

2,3 ± 0,2
– в воде 4,0 ± 0,2
Минеральные вещества 3,0 ± 0,5

Высокое содержание в соломе свидетельствует о целесообразности использования такого сырья для переработки.

Основными операциями получения топливных пеллет являются: сортировка сырья, проходит через магнитный сепаратор и уловитель камней, его сушка, измельчение, обработка водой или паром для получения однородной массы формовочной влажности, прессование, охлаждение свежеотформованных пеллет. Это основные операций в технологии получения пеллет. Стоит отметить что при при процессе гранулировании отмечаем выделение лигнина. Формование топливных пеллет происходит методом экструзии при продавливании материала через калибрующие отверстия матрицы. Создается прессующее давление на отверстия матрицы диаметром 30-50мм.

Высокое давление прессования вызывает нагрев пеллет. Горячие гранулы (t до 154°С) на выходе из пресса очень непрочны и легко разрушаются даже при слабом сжатии.

Во время охлаждения связующее вещество гранул – лигнин полимеризуется и пеллеты приобретают необходимую прочность. Выход природного клеящего вещества – лигнина, который содержится в растениях и придает топливным пеллетам необходимую прочность, напрямую зависит от тонкости помола. Поэтому при измельчении степень дробления должен составлять примерно от 10 мкр.

Для наблюдения выделения лигнина в пеллете исследуем поверхностный слой на оптическом микроскопе. Пеллет получен в следующих условиях:

1)      Степень измельчения соломы до 0,5-1см.;

2)      Грануломерический состав – неоднородный;

3)      Влажность-10%;

4)      Перед подачей не увлажнялась;

5)      Температура прессования –  107 -154°С;

6)      Давление до 240 Бар;

7)      Оборудование для прессования Гидропресс 50.

Микроструктура пеллета показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Микроструктура пеллета

Визуальная оценка поверхности показывает что неоднородное сырье влияет на плотность пеллета. Наблюдается поры и трещины что влияет на качество пеллета.

Более детально показана на рисунке 3.

Рисунок 2. Микроструктура пеллета

Появление трещин указывает на недостаточность увлажнения или же перегрев при прессовании. Наблюдается недостаточность сцепления частиц пеллета. Количество лигнина определяем путем химического анализа, расщепления измельченной соломы.

По наблюдениям экспериментальной работы выделяем следующие определяющие качества пеллет:

1)      Однородность измельченной соломы (однородный гранулометрический состав);

2)      Тонкость помола от 10мкр;

3)      Влажность 10%;

4)      Увлажнение перед прессованием;

5)      Температура прессования 154 °С;

6)      Время держания 3-4 мин;

7)      Давление до 240 Бар;

8)      Диаметр 30-50мм (В нашем случае на Гидропрессе 50 калибрующие матрицы 30, 50мм );

9)      Масса 6-10 гр. (В зависимости определяется длина пеллета, оптимальный составляет до 6 мм).

В заключении можно отметить что от выделения лигнина зависит механические свойства получаемого твердого топлива. Для наблюдения этого процесса необходим химический анализ готового продукта. В настоящем опыте произведен химический анализ сырья-соломы, что позволило выполнить дальнейшие исследования в виде структурного анализы готового продукта.


Библиографический список
  1. Claudia Juliana Gomez Diaz Understanding Biomass Pyrolysis Kinetics : Improved Modeling Based on Comprehensive Thermokinetic Analysis // Thesis Departament d’Enginyeria Quimica Escola Tecnica Superior d’Enginyeria Industrial de Barcelona Universitat Politecnica de Catalunya, 2006. – p. 106.
  2. DoKyoung Lee. Composition of Herbaceous Biomass Feedstocks / DoKyoung Lee., Vance N. Owens., Arvid Boe., Peter Jeranyam // North Central Sun Grant Center South Dakota State University Box 2140C Brookings, SD 57007 June 2007. – p. 16.
  3. Исследование процесса термоокислительного пиролиза биомассы в плотном слое / Губинский М. В., Кремнева Е. В., Шишко Ю. В., Усенко А. Ю. // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов национальной металлургической академии Украины. – Днепропетровск : Пороги, 2007. – С. 283-291.
  4. Исследование термического разложение биомассы в режиме фильтрационного горения / Кремнева Е. В., Губинский М. В., Шевченко Г. Л., Адаменко Д. С., Шишко Ю. В. // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов национальной металлургической академии Украины. – Днепропетровск : Пороги, 2009. – С.283-291.


Все статьи автора «Алтынова Асем Ериковна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация