劉正光，張靜,吳鍇,張秀全

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

成型參數(shù)對(duì)玉米秸稈固體燃料成型效果的影響

劉正光，張靜*,吳鍇,張秀全

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

[目的]為了給秸稈類固體燃料壓縮設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。[方法]以玉米秸稈為原材料進(jìn)行熱壓成型試驗(yàn)，采用單因素和正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)并結(jié)合方差分析方法，研究了含水率、溫度和壓力對(duì)固體燃料成型效果(密度、耐久性和抗跌碎性)的影響。[結(jié)果]含水率、溫度和壓力會(huì)顯著影響玉米秸稈固體燃料的密度，P值達(dá)到0.009 58、0.049 71和0.012 63，而耐久性和抗跌碎性始終保持較高水平。[結(jié)論]當(dāng)玉米秸稈含水率為8%～12%、溫度為130 ℃～150 ℃、壓力約為130 MPa時(shí)，最有利于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的玉米秸稈固體燃料。

成型參數(shù)； 玉米秸稈； 固體燃料； 生物質(zhì)； 熱壓成型

環(huán)境污染及其危害備受人們關(guān)注。其中，燃燒化石能源是破壞環(huán)境的重要原因之一，因?yàn)榛茉醋鳛槿剂显谕苿?dòng)社會(huì)進(jìn)步的同時(shí)也釋放出多種有毒物質(zhì)，如氮氧化物和硫氧化物等[1]。因此，研發(fā)清潔新能源迫在眉睫。在諸多清潔新能源中，生物質(zhì)能作為一種可再生能源，既可以解決能源問(wèn)題，又可以為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的秸稈等廢棄物找到新的處理方式，間接地減少環(huán)境污染。但生物質(zhì)原料含水率高、形狀不規(guī)則、容積密度低，很難加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和利用[2]。目前，生物質(zhì)作為能源的主要方式是把生物質(zhì)原料進(jìn)行熱壓成型，增大燃料密度，方便運(yùn)輸儲(chǔ)藏。在壓縮過(guò)程中，不同的溫度、壓力和含水率對(duì)成型效果有重要影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于生物質(zhì)固體成型燃料的壓縮工藝進(jìn)行了一些研究。Thee等[3]研究了高粱秸稈、玉米秸稈、小麥秸稈和大須芒草成型的顆粒生物質(zhì)燃料的物理特性，分析了含水率、碾磨機(jī)篩孔尺寸和模具厚度對(duì)容積密度、顆粒密度和耐久性的影響。Fasina和Sokhansanj[4]分析了濕度對(duì)苜蓿顆粒燃料耐久性的影響，發(fā)現(xiàn)顆粒耐久性首先隨吸濕量增長(zhǎng)而增加，在吸濕量達(dá)3%～5%之后達(dá)到最大值，隨后降低。Zhou等[5～7]研究證明了顆粒度增長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致玉米秸稈、小麥秸稈及柳枝稷固體燃料的密度下降。國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)壓力、原料含水率、種類等進(jìn)行了研究分析，獲得壓塊密度與壓力的函數(shù)關(guān)系式，找出了成型的最佳壓力和含水率范圍，并驗(yàn)證了壓塊的燃燒性能[8,9]。

本次試驗(yàn)以山西省太谷縣2015年秋收玉米秸稈作為生物質(zhì)原料，研究含水率、溫度和壓力對(duì)成型效果的影響，既可以為秸稈類生物質(zhì)能源生產(chǎn)提供一定的數(shù)據(jù)積累和理論依據(jù)，也可以為玉米秸稈后期利用提供一定的參考。

1 材料及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次成型試驗(yàn)所用的主要設(shè)備有：WAW-300型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)，該設(shè)備的測(cè)力范圍0～300 kN，調(diào)速范圍0.5～50 mm/min。加熱設(shè)備主要由陶瓷加熱圈、熱電偶及溫控箱組成，精度為1 ℃。粉碎機(jī)采用9F50-50雙粉碎型粉碎機(jī)。其他試驗(yàn)器材有SY101-2型鼓風(fēng)干燥箱、DL91150型游標(biāo)卡尺(量程：0～150 mm，分度值：0.01 mm)和CP1502型分析天平(分度值：0.01 g)。

1.2 原料準(zhǔn)備

將玉米秸稈粉碎后，挑選絲狀秸稈(以下簡(jiǎn)稱揉絲)作為原材料。為控制不同含水率，把揉絲放鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，設(shè)置溫度為105 ℃，干燥72 h以上，使其完全干燥，再量取定量的水，用注射器噴灑在原料上并混合均勻。最后放入密封袋于5 ℃環(huán)境中保存，防止水分蒸發(fā)。

1.3 成型試驗(yàn)

把定量的原料放入不銹鋼壓縮模具內(nèi)，模具的參數(shù)分別為：高300 mm，內(nèi)徑40 mm。設(shè)置萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的壓縮速率為0.5 MPa/s，進(jìn)行壓縮，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，為防止材料回彈，保持壓縮狀態(tài)10 s后卸載。為考察不同溫度對(duì)成型效果的影響，模具外圍可添加陶瓷加熱圈。

1.4 固體燃料物理性能的測(cè)定

為了評(píng)價(jià)固體燃料成型的效果，試驗(yàn)僅從密度、耐久性以及抗跌碎性3個(gè)方面進(jìn)行研究。

1.4.1 密度

用游標(biāo)卡尺測(cè)量成型后玉米秸稈固體燃料的厚度和直徑，用天平測(cè)其質(zhì)量，每個(gè)固體燃料都測(cè)3次求平均值。最后根據(jù)質(zhì)量—體積公式計(jì)算固體燃料的密度。

(1)

式中，De、m、d、l分別為固體燃料的密度/g·cm-3、質(zhì)量/g、直徑/cm和高度/cm。

1.4.2 耐久性

耐久性是衡量固體燃料耐運(yùn)輸、儲(chǔ)藏的重要指標(biāo)。根據(jù)歐盟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CEN/TS 15210-2[10]，試驗(yàn)的耐久性采用防塵滾筒裝置(圖1)進(jìn)行測(cè)量。滾筒的內(nèi)徑和深度都是598 mm，兩側(cè)各有一個(gè)尺寸為 200 mm×598 mm的擋板。為檢測(cè)玉米秸稈固體燃料的耐久性，試驗(yàn)設(shè)置滾筒的轉(zhuǎn)速為21 r·min-1，持續(xù)5 min。最后根據(jù)下式計(jì)算耐久性。

(2)

式中，Du為耐久性/%；m1為磨損后燃料質(zhì)量/g；m為磨損前燃料質(zhì)量/g。

圖1 耐久性測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 The diagram of durability testing device

1.4.3 抗跌碎性

玉米秸稈固體燃料的抗跌碎性指固體燃料從高處跌落后剩余質(zhì)量與跌落前總質(zhì)量之比。該指標(biāo)主要用于衡量運(yùn)輸過(guò)程中的質(zhì)量損失。首先測(cè)量每個(gè)固體燃料的質(zhì)量，然后使固體燃料從2 m處無(wú)初速度跌落，之后再次測(cè)量剩余質(zhì)量。最后根據(jù)下式計(jì)算抗跌碎性。

(3)

式中：Ds為抗跌碎性；m2為跌落后的質(zhì)量/g；m0為跌落前的質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

分別通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)確定最佳含水率、溫度和壓力。

2.1 含水率的影響

試驗(yàn)控制溫度為90 ℃，壓力為90 MPa，含水率分別為：6%、8%、10%、12%、16%、20%、24%、30%。本次試驗(yàn)?zāi)康氖欠治龊蕦?duì)固體燃料的密度、耐久性和抗破碎性的影響，確定固體燃料成型時(shí)的最佳含水率范圍，最后進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。

從含水率對(duì)成型效果的影響(圖2和表1)可以看出，當(dāng)含水率小于10%時(shí)，固體燃料成型效果良好。這是因?yàn)樯镔|(zhì)顆粒間的水分受到外界壓力時(shí)，能夠與果膠質(zhì)或糖類混合形成膠體，從而起到粘結(jié)劑的作用[11]。含水率在12%～20%時(shí)，成型效果逐漸變差，底部也逐漸有水分滲出，這種現(xiàn)象是由于添加的水分超過(guò)了固體燃料的吸收能力，過(guò)多的水分在材料周圍形成一層水膜，阻礙了材料分子的相互逼近，減弱了具有黏結(jié)作用的范德華力。另外，水膜還具有潤(rùn)滑作用，顆粒會(huì)由于過(guò)分潤(rùn)滑而無(wú)法契合[12]。同時(shí)，過(guò)多的水分也會(huì)使顆粒間的固體橋無(wú)法及時(shí)形成[13]，從而導(dǎo)致固體燃料出現(xiàn)掉渣及蓬松現(xiàn)象。當(dāng)含水率達(dá)到30%時(shí)，在壓縮過(guò)程中會(huì)因水蒸氣無(wú)法順利排出而產(chǎn)生爆鳴聲，此時(shí)壓縮難以成型[14]。

圖2 含水率對(duì)成型效果的影響Fig.2 Molding effect of corn straw with different moisture content

表1 玉米秸稈固體燃料的密度、耐久性和抗跌碎性隨含水率變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 1 Experimental data of density, durability and shatter resistance of corn stalk solid fuel changed with moisture content

編號(hào)Number含水率/%Moisturecontent密度/g·cm-3Density耐久性/%Durability抗跌碎性/%Shatterresistance現(xiàn)象描述Phenomenondescription16096598809960良好2809999209940良好31009999109910良好41209497509990一般516071967010000底部不均勻62006696709950底部掉渣且有少量水分724067942010000底部松散且有較多水分83007081709930成型差且底部水分較多

含水率對(duì)成型品質(zhì)的影響趨勢(shì)如圖3所示。固體燃料的密度呈反“S”形變化。當(dāng)含水率為8%和10%時(shí)，密度達(dá)到最大值0.99 g·cm-3，當(dāng)含水率為20%時(shí)達(dá)到最小值0.66 g·cm-3。固體燃料的耐久性隨含水率增加而降低，而抗跌碎性隨含水率增加而緩慢增加，且都保持在99.1%以上。

圖3 含水率對(duì)密度、耐久性和抗跌碎性的影響Fig.3 Effect of moisture content on density, durability and shatter resistance

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)利用SAS軟件進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到以下多項(xiàng)式：

De=8.77W2-4.69W+1.30

(4)

(R2=0.844 2，P=0.009 58)

Du=-4.67W2+1.06W+0.93

(5)

(R2=0.728 5，P=0.000 987)

Ds=-0.30W2-0.11W+0.99

(6)

(R2=0.2622，P=0.588 08)

式中，De為密度；Du為耐久性；W為含水率；Ds為抗跌碎性。

因此，當(dāng)含水率為8%～12%時(shí)，固體燃料的密度、耐久性和抗跌碎性都達(dá)到較理想的水平，進(jìn)行熱壓成型效果最好。

2.2 溫度的影響

試驗(yàn)的含水率設(shè)為8%，壓力為90 MPa，溫度分別為50 ℃、70 ℃、90 ℃、110 ℃、130 ℃、150 ℃、170 ℃和190 ℃。本節(jié)研究溫度對(duì)固體燃料的密

度、耐久性和抗破碎性的影響，確定固體燃料成型的最佳溫度范圍，最后進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4和表2所示。由圖4可知，所有溫度條件下成型良好。當(dāng)溫度為110 ℃時(shí)，固體燃料周圍開(kāi)始有少量碎屑；溫度達(dá)到170 ℃時(shí)，固體燃料底部開(kāi)始碳化，而且在壓縮過(guò)程中有白煙從模具上方冒出。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，焦灼碳化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，并使模具的柱塞難以拔出。這是由于固體燃料碳化冒出的煙是由未完全燃燒的碳顆粒組成，當(dāng)壓縮完成時(shí)模具內(nèi)壁上留有大量碳顆粒而阻塞柱塞拔出。

圖4 溫度對(duì)成型效果的影響Fig.4 Effect of temperature on molding effect

表2 玉米秸稈固體燃料的密度、耐久性和抗跌碎性隨溫度變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 溫度對(duì)壓塊密度、耐久性和抗跌碎性的影響Fig.5 Effect of temperature on density, durability and shatter resistance

溫度對(duì)成型效果的影響趨勢(shì)從圖5中可以看出，固體燃料的密度隨溫度增加出現(xiàn)先增后減現(xiàn)象，在150 ℃達(dá)到極值1.15 g·cm-3。固體燃料的耐久性呈波浪式緩慢上升，這是由于隨著溫度升高，原料中木質(zhì)素等天然粘結(jié)劑的分子鏈和鏈段的運(yùn)動(dòng)加劇，當(dāng)溫度升高到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上時(shí)，整個(gè)分子鏈開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，宏觀表現(xiàn)為原料出現(xiàn)黏流性，并發(fā)生塑性變形[15，16]。另外，高溫時(shí)原料中淀粉水解膨脹，晶體結(jié)構(gòu)破裂引起淀粉糊化，同時(shí)蛋白質(zhì)變性發(fā)揮其粘結(jié)劑的功效[17]，因此，粘結(jié)效果和耐久性顯著提高。固體燃料的抗跌碎性在各種溫度下變化不大。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SAS進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到多項(xiàng)式為：

De=-1.24×10-5T2+4.58×10-3T+0.68

(7)

(R2=0.826，P=0.049 71)

Du=6.25×10-7T2+1.95×10-4T+0.97

(8)

(R2=0.156 1，P=0.028 8)

Ds=4.46×10-8T2-5.36×10-6T+1.00

(9)

(R2=0.091 2，P=0.038 42)

式中:De為密度；Du為耐久性；Ds為抗跌碎性，T為溫度。

為了保證較好的成型效果，溫度范圍應(yīng)該控制在130 ℃～150 ℃。溫度太低時(shí)，成型效果不理想，溫度過(guò)高即會(huì)造成固體燃料碳化，使生產(chǎn)成本增加。

2.3 壓力的影響

控制溫度為90℃，含水率為8%，壓力分別設(shè)置為30 MPa、60 MPa、90 MPa、110 MPa、120 MPa、150 MPa、180 MPa。研究壓力對(duì)固體燃料的密度、耐久性和抗破損率的影響，確定成型時(shí)的最佳壓力范圍，最后進(jìn)行多項(xiàng)式擬合。

壓力對(duì)成型燃料的影響如圖6、7和表3所示，從中可以看出固體燃料在不同壓力下成型效果良好。從圖7中可以看出，固體燃料的密度呈現(xiàn)增-減-增的趨勢(shì)，在120 MPa和150 MPa密度減小，可能是由于所選的揉絲較長(zhǎng)，材料較硬，原料間空隙較難壓縮引起的。固體燃料的耐久性從30 MPa時(shí)的98.6%快速增大到120 MPa時(shí)的99.8%，之后趨于恒定。這是由于較大的壓力可以使固體燃料內(nèi)部顆粒相互契合，間隙減小[18]，顆粒之間附著更加緊密，產(chǎn)生更大的分子間作用力。但是當(dāng)壓力達(dá)到一定程度時(shí)，固體燃料的間隙也達(dá)到極小的程度，難以壓縮。固體燃料的抗跌碎性都保持在99.7%以上的高水平。

圖6 壓力對(duì)成型效果的影響Fig.6 Effect of pressure on molding effect

圖7 壓力對(duì)壓塊密度、耐久性和抗破碎性的影響Fig.7 Effect of pressure on density, durability and shatter resistance

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)利用SAS進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到多項(xiàng)式為：

De=3.02×10-6M2+1.33×10-3M+0.81

(10)

(R2=0.372 5，P=0.012 63)

Du=5.56×10-8M2+2.11×10-4M+0.98

(11)

(R2=0.906 1，P=0.046 51)

Ds=2.38×10-8M2+3.86×10-5M+1.00

(12)

(R2=0.047 14，P=0.039 78)

式中：De為密度；Du為耐久性；Ds為抗跌碎性,M為壓力。

為了得到密度較大、成型較好、耐運(yùn)輸儲(chǔ)藏的玉米秸稈固體燃料，壓力應(yīng)控制在90 MPa左右。

表3 玉米秸稈固體燃料的密度、耐久性和抗跌碎性隨壓力變化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 基于田口方法的固體燃料工藝參數(shù)優(yōu)化

田口方法是日本的田口玄一博士在50年代所提出的一種用于尋找最佳試驗(yàn)處理、提高產(chǎn)品品質(zhì)的試驗(yàn)方法?，F(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

田口方法的兩個(gè)重要工具是正交表和信噪比。正交表是在實(shí)際經(jīng)驗(yàn)與理論認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，已經(jīng)制作好的標(biāo)準(zhǔn)化表，它是正交試驗(yàn)法的基本工具。信噪比在田口方法中用于衡量品質(zhì)特性，其值越大表示品質(zhì)越好。田口方法中的品質(zhì)特性依理想機(jī)能的不同可分為望小特性(LB，品質(zhì)特征值越小越好)、望大特性(HB，品質(zhì)特征值越大越好)與望目特性(NB，品質(zhì)特征值為一定值)[19]。

3.1 優(yōu)化方法

試驗(yàn)考察含水率、溫度和壓力對(duì)玉米秸稈固體燃料物理性狀(密度)的影響。將3個(gè)變量按照L9(43)正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表4所示。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 最優(yōu)工藝參數(shù)分析結(jié)果

試驗(yàn)按照田口方法處理得到信噪比和S/N值，如表5和表6所示。

信噪比值列于表5中，其中A表示含水率/%，B表示溫度/℃，C表示壓力/MPa，y1和y2表示2個(gè)固體燃料塊的密度/g·cm-3。由于考察的固體燃料密度越大，其物理性能越好，因此，信噪比滿足望大特征。由表5可知，第3組的信噪比在9組試驗(yàn)中最大，為0.42。表6為S/N值，從中可知A、B和C的S/N值最大的分別為-1.06(A/1)、-0.17(B/3)和-1.15(C/3)，它們代表了最佳的成型工藝參數(shù)為：含水率8%，溫度130 ℃，壓力90 MPa。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

表5 信噪比值

表6 S/N值

3.2.2 方差分析結(jié)果

通過(guò)SAS軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，可看出含水率、溫度和壓力對(duì)固體燃料成型的影響大小分別為7.31%、2.79%和72.07%，壓力影響最大。模型的決定系數(shù)R2=0.83，擬合精度較高。

表7 方差分析結(jié)果

4 結(jié)論

原料的含水率、成型工藝中的溫度和壓力都對(duì)玉米秸稈固體燃料的成型效果有顯著的影響。

(1)含水率高于12%時(shí)，固體燃料就會(huì)出現(xiàn)輕微掉渣現(xiàn)象，隨含水率增加，成型效果逐漸下降。含水率低于8%時(shí)，固體燃料的抗破碎能力有所下降，影響后期運(yùn)輸。含水率在8%～12%時(shí)，成型效果和抗外力破壞能力較好。

(2)最佳成型溫度為130 ℃～150 ℃，溫度較低時(shí)，粘結(jié)劑不能發(fā)揮最大作用，溫度過(guò)高又會(huì)使原料碳化，失去木質(zhì)素等天然粘結(jié)劑。

(3)最佳成型壓力約為90 MPa，低于90 MPa會(huì)使固體燃料內(nèi)部有較多間隙，粘結(jié)效果不好，影響耐久性；壓力過(guò)高會(huì)額外增加生產(chǎn)成本。

(4)由方差分析可知，對(duì)密度影響大小依次為壓力、含水率和溫度。玉米秸稈最佳成型工藝參數(shù)(僅考察密度)為含水率為8%，溫度為130 ℃，壓力為90 MPa。

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[19]張靜. 檸條固體燃料成型機(jī)理與物性及燃燒特性研究[D]. 太谷：山西農(nóng)業(yè)大學(xué), 2014.

(編輯：李曉斌)

Effect of molding parameters on the molding effect of corn stalk solid fuel

Liu Zhengguang, Zhang Jing*, Wu Kai, Zhang Xiuquan

(CollegeofEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

[Objective]The purpose of this study was to provide reference and basic data for the design of straw fuel compression equipment.[Methods]The experiment using corn straw as raw materials for hot forming of test was carried out to study the effect of water content, temperature and pressure on the formation of solid fuels (density, durability and resistance to fragmentation) by using single factor design and orthogonal test design.[Results]The results showed that the moisture content, temperature and pressure could significantly affect the density of corn straw solid fuel, the P value was 0.009 58, 0.049 71 and 0.0126 3, while the durability and the resistance to fragmentation were maintained at a high level.[Conclusion]When the moisture content of corn stalk is 8%-12%, the temperature is about 130 ℃-150 ℃ and the pressure is about 130 MPa, it is most advantageous to produce high quality corn stalk solid fuel.

Molding parameter， Corn straw， Solid fuel， Biomass， Hot press molding

2016-11-24

2017-01-09

劉正光(1992-)，男(漢)，河南商丘人，碩士，研究方向：生物質(zhì)能

*通信作者：張靜，副教授，碩士生導(dǎo)師,Tel:13994559976；E-mail: sxndzhangjing@163.com

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(2015ZZ06)

S216.2

A

1671-8151(2017)06-0444-08