劉 洋，劉德軍，高 巍，宮元娟，王瑞麗，白雪衛(wèi),秦軍偉

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 工程學院，沈陽 110866)

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玉米秸稈絲化壓縮臨界成型條件試驗

劉 洋，劉德軍，高 巍，宮元娟，王瑞麗，白雪衛(wèi),秦軍偉

(沈陽農(nóng)業(yè)大學 工程學院，沈陽 110866)

因玉米秸稈絲化壓縮成型不同于一般物料的粉碎制粒和壓縮打捆，因此通過自制壓縮成型模具和計算機控制的電子萬能試驗機對絲化后的秸稈物料進行壓縮成型試驗，研究了不同物料尺寸、不同含水率及不同壓縮方式對絲化后玉米秸稈成型塊松弛比的影響。研究結(jié)果表明：考慮到用途和功率消耗因素，玉米秸稈絲化壓縮成型的最佳含水率應(yīng)控制在10%～20%范圍內(nèi)，使用多頻快速壓縮(壓縮速度500mm/min,連續(xù)壓縮5～8次)，玉米秸稈絲化壓縮成型的最小壓力為6.22MPa，否則要應(yīng)用更大的壓力才能成型。該試驗對壓縮工藝的優(yōu)化、壓縮設(shè)備的研制和壓縮成型后產(chǎn)品的特性研究具有重要參考意義。

玉米秸稈；絲化；壓縮成型；松弛比

0 引言

玉米秸稈資源的重要性及其開發(fā)利用已引起國內(nèi)外的高度重視，然而制約秸稈充分有效利用的一個重要因素就是其質(zhì)地疏松、容積密度小、儲存和運輸過程占用空間大及成本高的問題[1-7 ]。通過機械壓縮的方式，將粉碎后的玉米秸稈制成形狀規(guī)則的顆?；蛘卟輭K，可使其密度提高9～12倍，能有效降低運輸和貯藏成本，便于秸稈進入市場流通[8]。深入研究玉米秸稈粉碎制粒及壓縮打捆加工工藝和方法、完善壓縮理論、優(yōu)化和改進壓縮裝置及設(shè)備等方面的研究一直是重要研究課題，對玉米秸稈產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實指導意義[1-2,5-7,9-11]。玉米秸稈絲化加工后用于牲畜飼料是我國目前對玉米秸稈飼料化利用的一種主要加工形式，但對其絲化后的壓縮成型研究鮮有報道[1,7]。

本文對絲化玉米秸稈壓縮成型的臨界條件進行試驗研究，以便為玉米秸稈絲化壓縮成型的可能性、相應(yīng)壓縮設(shè)備的功率匹配及壓縮成型原理等研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用玉米秸稈來源于沈陽農(nóng)業(yè)大學土地與環(huán)境學院試驗基地，玉米品種為東丹80，收集于2014年12月份，平均含水率8%左右。為了獲得玉米秸稈的不同水分含量，將材料用噴霧器噴水，然后室溫23℃下儲存24h后以備使用。隨著時間和含水率的變化，分別確定試驗時含水率分別為29.8%、22.8%、16.5%、8.2%。采用由大沈農(nóng)牧業(yè)科技推廣中心研制的“9WJS —20多功能微型秸稈絲化機”對玉米秸稈進行絲化加工，該機可通過更換篩片和出料口的位置來改變秸稈絲化的粗細程度。為了進一步探討秸稈絲化質(zhì)量對成型塊質(zhì)量的影響，試驗對絲化后的玉米秸稈采取過篩和人工揀選相結(jié)合的方式進行了篩選，獲得粗細比較均勻的3種物料類型：①絲化長度小于30mm，寬度小于3mm；②長度30～60mm，寬度3～6mm；③長度大于60mm，寬度大于6mm。壓成塊的物料如圖1所示。

1.2 試驗設(shè)備

成型塊壓縮采用濟南試金集團有限公司生產(chǎn)的型號WDW-200微機控制電子式萬能試驗機，最大壓縮力200kN，壓縮速度范圍為1、2、5、10、20、50、100、200mm/min至500mm/min。玉米秸稈絲化壓塊成型模具采用六缸發(fā)動機汽缸套自制而成，壓縮盤直徑和高度分別為128mm和294mm。試驗中，含水率的測定采用深圳市冠亞電子科技有限公司生產(chǎn)的、型號為SFY-60的遠紅外快速水分測定儀。

1.3 試驗方法

圖1 3種秸稈絲條壓縮成型塊

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米秸稈絲化質(zhì)量對成型塊效果的影響

3種類型的玉米秸稈絲化物料壓縮成型試驗表明：對于某一確定的壓縮成型條件，第1種和第2種物料壓縮成型效果都比較好，不但壓縮密實，48h后只出現(xiàn)輕微松弛，松弛比在1.2左右；而第3種物料壓縮松散，48h后松散嚴重。3種類型的物料在某一確定的最大壓縮力下的壓縮成型松弛比如圖2所示。

圖2 絲化玉米秸稈大小和形狀對成型塊松弛比的影響

圖2表明：在相同的壓力下，隨著絲化物料尺寸的增大，松弛比也隨之增加；類型③的成型塊松散比較嚴重，單次壓縮壓力6.22MPa制成的成型塊松弛比為1.79；而在相同壓力下，類型①的松弛比是1.41。對于某一種物料，隨著最大壓縮力的增加，其成型塊的松弛比有微小的下降趨勢。結(jié)果表明：在6.22MPa壓力下，第1種和第2種物料都有比較好的成型效果，其松弛比在1.5以下；而要使第3種物料的成型塊松弛比達到1.5以下，則需要至少12.4MPa的壓縮力。考慮到絲化后的玉米秸稈主要用于家畜飼料，松弛比在1.5以下都是可接受的范圍，太硬的成型塊不利于牲畜的飼喂。另外，絲化后的玉米秸稈絲條尺寸過小，不但生產(chǎn)率降低，也不利于動物的食用。所以，建議絲化后的秸稈絲條只要在6mm以下、粗細均勻即可。相關(guān)的研究表明：生物質(zhì)微粒的大小對生物質(zhì)顆粒的耐久性具有重要影響，微粒越小，耐久性越高，并且與大的微粒相比，較小微粒可以吸收更多水分[15-16]。考慮到牲畜的適口性和機器摩擦消耗的功率，樣品類型②比較適合做牲畜飼料。

2.2 秸稈含水率對成型塊質(zhì)量的影響

在研究影響生物質(zhì)致密化和耐久性因素試驗中，外國專家Kaliyan和Morey經(jīng)過分析研究得出：隨著含水率的增加，生物質(zhì)的強度和耐用性都會增加，直到達到最佳的含水量。苜蓿干草最佳的含水量為10%～23% ，苜蓿顆粒最佳含水量為8%～9%，小麥秸稈的最佳含水量為10%～15%，玉米秸稈壓縮的最佳含水量為10%～20%[15]。當絲化玉米秸稈類型②被單獨以50mm/min的速度壓縮時，不同含水率和最大壓力下的成型塊松弛比的曲線關(guān)系如圖3所示。

圖3 松弛比、最大壓力和含水率之間的曲線關(guān)系

and moisture content

由圖3可以看出：當含水率是8.2%時，使用最大壓力100kN (7.78MPa)壓縮時成型塊才會成型，并且3次試驗經(jīng)過48h后得到的平均松弛比為1.32；而當壓縮力低至80kN(6.22MPa)時，得到的成型塊放置不久后便會松散。這說明，絲化的玉米秸稈在自然干燥的狀態(tài)(7.8%～9%(WB)的水分含量)下，成型的最小壓力是7.78MPa。隨著壓力的增加，當達到180kN(14MPa)時，成型塊最佳的松弛比是1.12。當含水量增加到16.3%(WB)時，仍然用80kN作為最大壓力壓縮時，絲化的玉米秸稈可以成型，其平均松弛比為1.36；并且與最大壓力為180kN相比，平均松弛比只有微小的變化(1.31)。這表明，樣品含水率在這個范圍內(nèi)具有更好的壓縮性，可以獲得耐久性非常好的成型塊。所以，要獲得更好的成型塊且用較少的壓力，絲化的玉米秸稈含水率應(yīng)控制在10%～20%。當含水率大于20%時(在此試驗中，含水率22.9%)，成型塊松弛比較大；當最大壓力增加到180kN(14MPa)時，獲得的成型塊松弛比為1.52，成型困難；當絲化玉米秸稈的含水率達到29.7%時，壓縮的過程中部分水分被擠壓出去，更難以成型。

因此，若絲化的玉米秸稈作為牲畜飼料來壓縮成型的話，含水率應(yīng)控制在10%～20%范圍內(nèi)，而這一結(jié)果與Kaliyan的研究結(jié)果一致[15]。

可見，含水率的大小不但影響著成型方式及工藝參數(shù)的選取，而且還影響成品的性能。原料含水率高或低都不能很好地成型，適量的秸稈含水率可以起到降低內(nèi)摩擦力的作用，并使復合粘結(jié)劑均勻分布于秸稈絲條表面。過高的水分含量會導致水膜過厚，使秸稈絲條之間接觸不緊，同時削弱秸稈絲條之間的粘結(jié)力，影響成品強度，成型困難[15]。

2.3 保壓時間對成型塊質(zhì)量的影響

保壓時間對秸稈絲化成型塊質(zhì)量的影響如圖4所示。圖4顯示了含水率為16.3%的絲化玉米秸稈分別用80、100、120kN,壓力壓縮并且分別保持10、30、60、90s后的成型塊松弛比。將結(jié)果進行比較，同時將成型塊的松弛比和保壓時間進行一元線性回歸分析，得到相關(guān)系數(shù)為0.514。這表明，保壓壓縮方式不但浪費時間，且保壓時間對成型塊的影響不顯著。

圖4 保壓壓縮時間對成型塊質(zhì)量的影響

2.4 壓縮方法對成型塊質(zhì)量的影響

圖5顯示出含水率為16.3%的絲化玉米秸稈分別以80、100、120、140、160、180kN壓力壓縮并且以恒定速度50mm/min分別壓5次和8次進行多頻壓縮的松弛比。為了與單次壓縮試驗方法進行比較，單次壓縮的松弛比也插入在圖5中。結(jié)果表明:在相同的壓力和含水率下，多頻壓縮與單次壓縮相比較，多頻壓縮得到的松弛比較小，變化不是特別顯著；且在一定范圍內(nèi)，多頻壓縮得到的松弛比與單次壓縮得到的松弛相近。例如，在120kN的最大壓力下，單次壓縮獲得成型塊的松弛比與壓縮5次獲得成型塊的松弛比幾乎相同。

圖5 壓縮次數(shù)對成型塊松弛比的影響

在相同的情況下(包括相同的最大壓力和相同的壓縮頻率)，比較壓縮速度對松弛比的影響如圖6所示。以相同的最大壓力80kN(6.22MPa)進行壓縮，隨著壓縮速度的增加，所得到的成型塊的松弛比逐漸降低，且壓縮的次數(shù)越多，松弛比越小。因此，成型塊的松弛比不僅僅與最大壓力有關(guān)，也與壓縮的方法有關(guān)。在相同的最大壓力下，更高的壓縮頻率和更快的壓縮速度可以得到更小的松弛比，換言之就是成型塊的成型效果更好。通過對其他的樣品進行試驗也得到了類似的試驗結(jié)果，如以200mm/min的速度對類型①含水率為8.2%的絲化玉米秸稈進行10次壓縮得到的松弛比為1.08。因此，通過使用多頻壓縮方法可以使成型塊的成型效果更好。

圖6 壓縮速度對成型塊松弛比的影響

3 結(jié)論

玉米秸稈絲化后壓縮成型試驗表明：絲化后的玉米秸稈絲條最好粗細均勻，長度在6mm以下，否則需要更大的壓縮力才能成型；太粗的秸稈絲條壓縮成型后，松弛比較大，成型困難；要使控制秸稈含水率在10%～20%的范圍內(nèi)，才能使絲化后的玉米秸稈達到更好的成型效果，使松弛比在1.2～1.5范圍內(nèi)。在相同的最大壓縮力作用下，多頻次快速壓縮對成型塊的松弛比明顯小于單次壓縮，使用多頻快速壓縮(壓縮速度500mm/min, 壓縮次數(shù)5～8次)，玉米秸稈絲化壓縮最小臨界成型壓力為6.22MPa，否則就要增大壓力才能壓縮成型?？傊?，多頻快速壓縮方式能夠使絲化后的玉米秸稈在很小的壓縮力作用下獲得更好的成型效果，而保壓壓縮方式對成型塊的松弛比影響不顯著。

[1] 范林,王春光,王洪波,等.揉碎玉米秸稈可壓縮性研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2008,39(11):76-80.

[2] 霍麗麗,孟海波,田宜水,等.粉碎秸稈類生物質(zhì)原料物理特性試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(11):189-195.

[3] 田瀟瑜,侯振東,徐楊,等.玉米秸稈成型塊微觀結(jié)構(gòu)研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2011,42(3):105-108.

[4] 王波,李汝莘,高麗霞,等.玉米秸稈的壓縮特性及其壓力與壓縮密度的數(shù)學模型[J].農(nóng)機化研究,2005(2):160-166.

[5] 王磊,呂黃珍,燕曉輝,等.玉米秸稈捆整體性對捆扎條件的要求[J].農(nóng)機化研究,2012,34(11):171-173.

[6] 廖娜,韓魯佳,黃光群,等.含水率和壓縮頻率對秸稈開式壓縮能耗的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2001,27(S1):318-322.

[7] 烏蘭圖雅,王春光,祁少華,等.揉碎玉米秸稈螺旋輸送性能試驗分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2015,31(21):51-59.

[8] Theerattananoon K,Xu F,Wilson J,et al. Physical properties of pellets made from sorghum stalk, com stover wheat straw,and big bluestem[J].Industrial Crops and Products,2011,33(2):325-332.

[9] 孫啟新,陳書法,董玉平,等.秸稈類生物質(zhì)成型熱黏塑性本構(gòu)模型構(gòu)建[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2015,31(8):221-226.

[10] 肖宏儒,鐘成義,秦廣明,等.農(nóng)作物秸稈平模壓縮成型技術(shù)研究[J].中國農(nóng)機化,2010(1):58-62.

[11] 李汝莘,耿愛軍,趙何,等.碎玉米秸稈卷壓過程的流變行為試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2012,28(18):30-35.

[12] Adapa P,Schoenau G,Tabil L,et al.Compression of fractionated sun-cured and dehy drated alfafa chops into cubes;pressure and density model[J].Canadian Biosystems Engineering,2005,47(3):333-339.

[13] Kaliyan N,Morey R V.Densification characteristics of com cobs[J].Fuel Processing Technology,2010,91(5):559-565.

[14] Kaliyan N,Morey, R V.Constitutive model for densification of com stover and switchgrass[J].Biosystems Engineering,2009,104(1):47-63.

[15] Kaliyan N,Vance Morey R.Factors aftering strengthe and durability of densified biomass products[J].Biomass and Bioenergy,2009,33(3):337-359.

[16] Kaliyan N,Morey RV,Schmidt DR. Roll press compaction of com stover and perennial grass to increase bulk density[J].Biomass and Bioenergy,2013,55:322-330.

The Experiment of Critical Forming Condition of Corn Stalk Silk Compression

Liu Yang, Liu Dejun, Gao Wei, Gong Yuanjuan, Wang Ruili, Bai Xuewei, Qin Junwei

(College of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

Compression molding of the silken corn stalk is different from pelletizing after crushed and balling. The compressive molding experiments were performed by using the homemade mold and electronic testing machine controlled by computer, in this experiments, effects of the size of materials, moisture content and different compressive methods on the slack ratios of briquette were studied. The results shows that the suitable moisture content should be controlled in the range of 10～20%, the minimum pressure is 6.22MPa for the silken corn stalk compression molding under the multi-frequency rapid compressive method with compressive velocity of 500mm/min and 5～8times compression, otherwise, more pressure is necessary. The experiments is significant for the optimization of the compression process, the development of compression equipment and the characteristics after compression molding.

silken; corn stalk; compression molding; the slack ratios

2016-03-14

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503134)

劉 洋(1991-),男，內(nèi)蒙古興安盟人，碩士研究生，(E-mail)1064766874@qq.com。

劉德軍(1972-)，男，遼寧朝陽人，副教授，碩士生導師，(E-mail)ldjldj@126.com。

S216.2；S313

A

1003-188X(2017)04-0168-05