臺灣博碩士論文加值系統

本研究之目的在於將廢棄物回收製成生質燃料以達生物量之最終利用，期待以不同之針、闊葉樹與其廢棄物製造木質顆粒燃料，並分析其製造變因與性質，以達資源再生與能源化的效果，故本文使用柳杉、銀合歡進行造粒，另為瞭解木質廢棄物做為顆粒之最適條件，選用各種類之原料如邊皮廢材、廢棄木屑與製漿污泥作為原料因子，並以邊皮廢材混合柳杉、銀合歡、製漿污泥來觀察其造粒製成率與顆粒性質。另以銀合歡做為原料並添加麵粉製造粒徑30 mm之顆粒燃料，進而了解其製造方式與性質。造粒前所有原料皆測量其含水率、酸鹼值、細長比、容積密度。此結果顯示，未處理之原料含水率介於27.8～361.7 %；原料之pH值介於4.9～7.8之間；細長比介於49.2～92.6；容積密度介於218～359 kg/m3。另將經過尺寸分析後之原料進行平模造粒機造粒，其結果顯示單一種類最佳產率為86.1 % (PS)，混合種類最佳產率為81.1 %(PSB)；造粒後之顆粒經過細長比、氣乾與絕乾比重、含水率、容積密度、熱值與灰分試驗與進行熱重損失分析，並以市售顆粒作為對照，結果顯示：各試驗條件所得之最佳長徑比皆高於市售顆粒之長徑比；顆粒之密度與含水率條件設定有關，除製漿污泥外，其餘皆低於商用顆粒之絕乾密度；顆粒之容積密度介於263.2～767.2 kg/m3；熱值介於3237～4569 cal/g；灰分介於0.32～27.3 %；大部分顆粒之熱裂解多發生在270～550 ℃之間，空氣條件下之焦炭殘留量介於0.36～26.0 %。

In order to achieve the end-use of wood-based residues, the purpose of this study is to manufacture biomass pelletized fuels from residues. The Cryptomeria japonica (sugi) and Leucaena leucocephala (white popinac) have been used for making pellet. Furthermore, we use several raw materials such as bark residue, wood residue and pulping sludge as the factor of raw material to understand the best conditions of pelletization. In order to examine the properties of pellet, the sugi, white popinac and pulping sludge have been used for making pellet through mixing bark residue. In addition, in order to understand manufacturing method, the 30mm pellet has been made from white popinac with adding wheat flour. All of raw materials have been tested the moisture content, pH value, the slenderness ratio and bulk density before pelletization. The results showed that the moisture content of untreated raw material ranged from 27.8% to 361.7%. The pH value of raw material ranged from 4.9 to 7.8. The slenderness ratio of raw material ranged from 49.2 to 92.6. The bulk density of raw material ranged from 218 kg/m3 to 359 kg/m3. The flat die pellet mill has been used after finishing size distribution analysis. The results showed that the best yield of single raw material is 86.1% for PS and the best yield of mixing raw material is 81.1% for PSB. The length-diameter ratio, air-dry density, oven-dry density, moisture content, bulk density, heating value, ash content, and TGA analysis have been conducted and commercial pellet has been used as control. The results are as following: The best length-diameter ratio of pellet from each test condition is higher than the length-diameter ratio of commercial pellet. The density of pellet related to moisture content control. Beside the pulping sludge pellet, the oven-dry density of all of the pellet is lower than commercial pellet. The bulk density of pellets ranged from 263.2 kg/m3 to 767.2 kg/m3. The heating value of pellets ranged from 3237 cal/g to 4569 cal/g. The ash content of pellets ranged from 0.32% to 27.3%. The Pyrolysis of most of pellet occurred between 270~550℃. The char residue content from TGA-DTG analysis in air conditions ranged 0.36% to 26.0%.

目錄
摘要-----------------------------------------------------------------------------------I
Abstract ----------------------------------------------------------------------------III
目錄----------------------------------------------------------------------------------V
圖表目次---------------------------------------------------------------------------VI
壹、 前言---------------------------------------------------------------------------1
一、 研究源起-------------------------------------------------------------1
二、 研究動機與目的----------------------------------------------------3
三、 研究流程-------------------------------------------------------------5
貳、 文獻回顧---------------------------------------------------------------------7
一、 全球生質能源之發展----------------------------------------------7
二、 森林資源運用於生物質能源之發展--------------------------12
三、 木質壓縮燃料成型技術-----------------------------------------26
四、 木質顆粒性質之評估--------------------------------------------33
参、 材料與方法-----------------------------------------------------------------26
一、 材料-----------------------------------------------------------------42
二、 方法-----------------------------------------------------------------48
肆、結果與討論-------------------------------------------------------------------60
一、 原料基本性質-----------------------------------------------------60
二、 造粒製程之評估--------------------------------------------------64
三、 顆粒燃料性質之評估-------------------------------------------100
伍、結論---------------------------------------------------------------------------134
陸、參考文獻---------------------------------------------------------------------139
圖目次
圖1木質顆粒燃料製造之研究流程
Fig. 1 Research diagram of wood pellets fuels manufacturing-------------6
圖2 1985年已開發國家之能源使用分配率
Fig. 2 The energy utility ratio of developed countries in 1985-------------8
圖3 1985年開發中國家之能源使用分配率
Fig. 3 The energy utility ratio of developing countries in 1985------------8
圖4 1985年全球能源之使用分配率
Fig. 4 The global energy utility ratio in 1985---------------------------------8
圖5 2002年全球能源之使用分配率
Fig. 5 The global energy utility ratio in 2002---------------------------------8
圖6 1980～2030年主要能源需求成長率之預測
Fig. 6 The growth forecast of principal energy demand during 1980～2030----------------------------------------------------------------------------------8
圖7生物質能轉換技術與範疇
Fig.7 The conversion technology and scope of biomass energy----------9
圖8 林業生物精煉與多目標利用示意圖
Fig.8 The diagram of forestry bio-refinery and multiple use-------------16
圖9台灣建築廢棄物之分配率
Fig. 9 The composition ratio of building residues in Taiwan--------------23
圖10美國建築廢棄物之分配率
Fig. 10 The composition ratio of building residues in USA----------------23
圖11 巨大廢棄物之回收再利用流程
Fig. 11 The processes of recycling from large wastes------------------------25

圖12環模造粒機
Fig. 12 The ring-die pellet mill--------------------------------------------------31
圖13 平模造粒機
Fig. 13 The flat-die pellet mill---------------------------------------------------31
圖14 改良式固定床氣化系統示意圖
Fig. 14 The diagram of gasification from reformed fixed bed--------------39
圖15 氣化之操作步驟
Fig 15. The operation steps of gasification------------------------------------40
圖16 顆粒之容積密度
Fig. 16 The bulk density of pellets--------------------------------------------124
圖17 顆粒之高位熱值
Fig. 17 The higher heating value of pellets----------------------------------127
圖18顆粒之灰分
Fig. 18 The ash content of pellet----------------------------------------------128
圖19 空氣條件下之柳杉顆粒TGA-DTG曲線
Fig. 19 The TGA-DTG curves of sugi pellet in air atmosphere-----------130
圖20 空氣條件下之銀合歡顆粒TGA-DTG曲線
Fig. 20 The TGA-DTG curves of white popinac pellet in air atmosphere------------------------------------------------------------------------130
圖21 空氣條件下之邊皮廢材顆粒TGA-DTG曲線
Fig. 21 The TGA-DTG curves of bark residue pellet in air atmosphere -------------------------------------------------------------------------------------131
圖22 空氣條件下之廢棄木屑顆粒TGA-DTG曲線
Fig. 22 The TGA-DTG curves of wood residue pellet in air atmosphere -------------------------------------------------------------------------------------131
圖23 空氣條件下之製漿污泥顆粒TGA-DTG曲線
Fig. 23 The TGA-DTG curves of pulping sludge pellet in air atmosphere -------------------------------------------------------------------------------------132
圖24 空氣條件下之市售顆粒TGA-DTG曲線
Fig. 24 The TGA-DTG curves of commercial pellet in air atmosphere -------------------------------------------------------------------------------------132

表目次
表1生物量與炭之物化分析與高位熱值
Table. 1 The physical and chemical analysis and higher heating value of biomass and char------------------------------------------------------------------14
表2台灣地區1999年原生廢木料的流向
Table. 2 The flow of virgin wood wastes in 1999, Taiwan----------------20
表3 1999年～2009年垃圾量統計與其組成分
Table. 3 The amount and composition of wastes -----------------------------20
表4 建築廢棄物之來源
Fig. 4 The sources of building residues ---------------------------------------22
表5 各國木質顆粒燃料訂定標準
Table. 5 The national standards of wood pelletized fuel---------------------33
表6 試驗之材料種類與其來源
Table. 6 The types and sources of experimental materials-------------------47
表7木質顆粒之原料
Table. 7 The raw materials of wood pellet-------------------------------------51
表8造粒鋼模之選用
Table. 8 selections of die hole---------------------------------------------------56
表9原料之基本性質
Table. 9 The basic properties of raw materials--------------------------------62
表10原料之尺寸分布-1
Table. 10 The size distributions of raw materials-1--------------------------63
表11 原料之尺寸分布-2
Table. 11 The size distributions of raw materials-2---------------------------64


表12柳杉粗木屑以10mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 12 The result of sugi rough chip pelletization in 10mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------65
表13柳杉粗木屑以13mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 13 The result of sugi rough chip pelletization in 13mm die hole diameter--------------------------------------------------------------------------67
表14柳杉細木屑以10mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 14 The result of sugi fine chip pelletization in 10mm die hole diameter ----------------------------------------------------------------------------69
表15柳杉細木屑以13mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 15 The result of sugi fine chip pelletization in 13mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------69
表16銀合歡粗木屑以10mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 16 The result of white popinac rough chip pelletization in 10mm die hole diameter-----------------------------------------------------------------------68
表17銀合歡粗木屑以13mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 17 The result of white popinac rough chip pelletization in 13mm die hole diameter-----------------------------------------------------------------------68
表18 銀合歡細木屑以10mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 18 The result of white popinac fine chip pelletization in 10mm die hole diameter ----------------------------------------------------------------------69
表19銀合歡細木屑以13mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table 19. The result of white popinac fine chip pelletization in 13mm die hole diameter-----------------------------------------------------------------------70
表20銀合歡細木屑以30mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 20 The result of white popinac fine chip pelletization in 30mm die hole diameter-----------------------------------------------------------------------71


表21 邊皮廢材以13mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 21 The result of bark residue pelletization in 13mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------72
表22 廢棄木屑以10mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 22 The result of wood residue pelletization in 10mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------73
表23 製漿污泥以3mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 23 The result of pulping sludge pelletization in 3mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------74
表24 製漿污泥以10mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 24 The result of pulping sludge pelletization in 10mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------74
表25 製漿污泥以13mm孔徑鋼模造粒配比與出料結果
Table. 25 The result of pulping sludge pelletization in 13mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------75
表27 柳杉混合邊皮廢材之造粒配比與出料結果
Table. 27 The result of Sugi pelletization by mixing bark residue------------------------------------------------------------------------------76
表28 銀合歡混合邊皮廢材之造粒配比與出料結果
Table. 28 The result of white popinac pelletization by mixing bark residue------------------------------------------------------------------------------76
表29製漿污泥混合邊皮廢材之造粒配比與出料結果
Table. 29 The result of pulping sludge pelletization by mixing bark residue------------------------------------------------------------------------------77
表30添加麵粉之銀合歡造粒配比與出料結果
Table. 30 The result of white popinac pelletization by adding wheat flour---------------------------------------------------------------------------------78


表31 10mm孔徑鋼模對造粒柳杉粗木屑產率之影響
Table. 31 Effects of pellet yields from rough sugi chip in 10mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------80
表32 13mm孔徑鋼模對造粒柳杉粗木屑產率之影響
Table. 32 Effects of pellet yields from rough sugi chip in 13mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------81
表33 10mm孔徑鋼模對造粒柳杉細木屑產率之影響
Table. 33 Effects of pellet yields from fine sugi chip in 10mm die hole----------------------------------------------------------------------------------82
表34 13mm孔徑鋼模對造粒柳杉細木屑產率之影響
Table. 34 Effects of pellet yields from fine sugi chip in 13mm die hole diameter ----------------------------------------------------------------------------83
表35 10mm孔徑鋼模對造粒銀合歡粗木屑產率之影響
Table. 35 Effects of pellet yields from rough white popinac chip in10mm die hole diameter------------------------------------------------------------------85
表36 13mm孔徑鋼模對造粒銀合歡粗木屑產率之影響
Table. 36 Effects of pellet yields from rough white popinac chip in13mm die hole diameter -----------------------------------------------------------------86
表37 10mm孔徑鋼模對造粒銀合歡細木屑產率之影響
Table. 37 Effects of pellet yields from fine white popinac chip in10mm die hole diameter-----------------------------------------------------------------87
表38 13mm孔徑鋼模對造粒銀合歡細木屑產率之影響
Table. 38 Effects of pellet yields from fine white popinac chip in13mm die hole diameter------------------------------------------------------------------88
表39 30mm孔徑鋼模對造粒銀合歡粗木屑產率之影響
Table. 39 Effects of pellet yields from rough white popinac chip in 30mm die hole diameter-----------------------------------------------------------------88


表4013mm孔徑鋼模對邊皮廢材造粒產率之影響
Table. 40 Effects of pellet yields from bark residue in 13mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------90
表41 10mm孔徑鋼模對廢棄木屑造粒產率之影響
Table. 41 Effects of pellet yields from wood residue in 13mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------91
表42 3mm孔徑鋼模對製漿污泥造粒產率之影響
Table. 42 Effects of pellet yields from pulping sludge in 13mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------92
表43 10mm孔徑鋼模對製漿污泥造粒產率之影響
Table. 43 Effects of pellet yields from pulping sludge in 13mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------93
表44 13mm孔徑鋼模對製漿污泥造粒產率之影響
Table. 44 Effects of pellet yields from pulping sludge in 13mm die hole diameter----------------------------------------------------------------------------94
表45 柳杉混合邊皮廢材對造粒產率之影響
Table. 45 Effects of sugi pellet yields by mixing bark residues-----96
表. 46 銀合歡混合邊皮廢材對造粒產率之影響
Table. 46 Effects of white popinac pellet yields by mixing bark residue -----------------------------------------------------------------------------97
表47 製漿污泥混合邊皮廢材對造粒產率之影響
Table. 47 Effects of pulping sludge pellet yields by mixing bark residue-----------------------------------------------------------------------------98
表48 添加麵粉對銀合歡造粒產率之影響
Table. 48 Effects of white popinac pellet yields by adding wheat flour--------------------------------------------------------------------------99
表49-1 顆粒代號表
Table. 49-1 The codes of pellet---------------------------------------------100
表49-2顆粒代號表
Table. 49-2 The codes of pellet------------------------------------------------101
表49-3 顆粒代號表
Table. 49-3 The codes of pellet------------------------------------------------102
表50添加麵粉之銀合歡細木屑以30mm鋼模造粒之顆粒代號
Table. 50 The pellet codes of white popinac by adding wheat flour in 30mm die hole-------------------------------------------------------------------102
表51 柳杉顆粒之性質
Table. 51 The properties of sugi pellet---------------------------------------105
表52銀合歡、邊皮廢材與廢棄木屑顆粒之性質
Table. 52 The pellet properties of white popinac, bark residue and wood residue-----------------------------------------------------------------------------108
表53 製漿污泥之顆粒性質
Table 53 The properties of pulping sludge pellet---------------------------111
表54 邊皮廢材混合柳杉、銀合歡與製漿污泥之顆粒性質
Table. 54 The pellet properties of Sugi, white popinac and pulping sludge by mixing bark residue----------------------------------------------------------113
表55 添加麵粉之銀合歡顆粒性質
Table. 55 The pellet properties of white popinac by adding wheat flour--------------------------------------------------------------------------------113
表56 市售顆粒之性質
Table. 56 The properties of commercial pellet ------------------------------114
表57 顆粒燃料經TGA分析所得主要裂解起始溫度及焦炭殘留量
Table. 57 Onset and char redisue from TGA of pelletized fuels-----------133

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