稻秸稈生物質(zhì)成型燃料物理特性的研究

李慶達(dá) ，于海明 ，張偉 ，胡軍 ，王黎明 ，汪春 ，孫勇

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院）

水稻植質(zhì)缽育秧盤(pán)是黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)研制的以稻草秸稈為原料配以固體膠黏劑及其他特殊物質(zhì)的缽育秧盤(pán)[1]。此種秧盤(pán)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：在土壤中能夠降解；秧苗栽植時(shí)無(wú)需分離秧盤(pán)；可實(shí)現(xiàn)秸稈還田；使水稻生產(chǎn)綠色環(huán)保。水稻植質(zhì)缽育秧盤(pán)的研制有利于實(shí)現(xiàn)秧盤(pán)制造的產(chǎn)業(yè)化、育秧生產(chǎn)的工廠(chǎng)化、秧苗供應(yīng)的社會(huì)化、作物栽培的標(biāo)準(zhǔn)化以及水稻生產(chǎn)的機(jī)械化[2]。蒸汽烘干植質(zhì)缽育秧盤(pán)可以使秧盤(pán)本身的各方面性能達(dá)到較優(yōu)水平。蒸汽烘干是指蒸汽與被烘干物料直接接觸而去除水分的干燥方式[3]。

植質(zhì)缽育秧盤(pán)的蒸汽烘干過(guò)程中，需要消耗大量能源燃料，但傳統(tǒng)的化石能源對(duì)環(huán)境會(huì)造成巨大的危害，且成本較高。為實(shí)現(xiàn)水稻植質(zhì)缽育技術(shù)的順利推廣，加快生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)利用，課題組系統(tǒng)研究了生物質(zhì)燃料的壓縮成型技術(shù)。試驗(yàn)主要研究了稻秸稈的含水率和原料粒徑對(duì)稻秸稈成型燃料物理特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料與試驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)原料

稻草和稻殼。

1.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

電子天平（YP102型）梅特勒-托利多儀器有限公司；鼓風(fēng)十燥箱（DGG-9070型）上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；數(shù)顯式電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（WDW型）濟(jì)南凱銳機(jī)械設(shè)備有限公司；萬(wàn)能粉碎機(jī)（WF型）翔飛粉體工程機(jī)械有限公司；螺旋式擠壓秸稈燃料成型機(jī)（宇龍機(jī)械有限公司）。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)利用螺旋式擠壓成型機(jī)，改變?cè)系暮屎土?，得出不同條件下的成型燃料，對(duì)它們進(jìn)行物理特性的試驗(yàn)研究，為降低成型燃料包裝、運(yùn)輸和貯存成本，保證成型燃料進(jìn)入鍋爐時(shí)的必要物理性狀或成型燃料的進(jìn)一步碳化加工，提供理論依據(jù)和基礎(chǔ)資料。

1.2.1 試驗(yàn)工藝流程

試驗(yàn)采用螺旋擠壓式成型機(jī)，其特點(diǎn)是成型燃料的密度大，表面質(zhì)量好，效率高。生物質(zhì)固化成型的工藝過(guò)程如下：原料→預(yù)處理（削片或粉碎）→干燥→加熱→成型。

1.2.2 樣品物理特性的測(cè)試

樣品的質(zhì)量m和體積V的比值就是成型燃料的松弛密度ρ，樣品的質(zhì)量直接用電子天平稱(chēng)出，測(cè)得樣品的直徑和長(zhǎng)度直接計(jì)算出體積。目前對(duì)于生物質(zhì)成型燃料的抗?jié)B水性沒(méi)有統(tǒng)一測(cè)試方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)以樣品在保持完整形態(tài)時(shí)間作為抗?jié)B水性的技術(shù)指標(biāo)，將成型樣品放入20℃水面下50 mm，連續(xù)觀(guān)察形態(tài)直至完全剝落分解為止。成型燃料抗跌碎性的測(cè)試參照煤的抗碎強(qiáng)度測(cè)定方法（GB／T15459-1995），將長(zhǎng)度為60 mm的樣品，從2 m高處自由落下到堅(jiān)硬的地板上，然后將落下的燃料棒中大于25 mm的料棒再次落下，共落下3次，以破碎后大于25 mm的燃料棒占原燃料棒的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，表示燃料棒的抗跌碎強(qiáng)度[4]。

1.2.3 試驗(yàn)參數(shù)的選擇

試樣的含水率參照黑龍江大慶地區(qū)氣干平衡含水率，選取不同的含水率數(shù)值。稻草的含水率分別選取4.50%，5.20%，7.03%，9.11%，11.58%。稻殼的含水率分別選取6.60%，7.35%，9.77%，11.21%，13.40%。原料的粒徑分為三種：（1）所有原料85%以上粉碎顆粒的粒度在0～15 mm；（2）所有原料85%以上粉碎顆粒的粒度在15～25 mm；（3）所有原料85%以上粉碎顆粒的粒度在25～35 mm。成型溫度均統(tǒng)一選為200℃。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 原料的含水率對(duì)成型燃料物理特性的影響

2.1.1 含水率對(duì)成型燃料松弛密度的影響

原料的含水率是生物質(zhì)燃料致密過(guò)程中需要嚴(yán)格控制的一個(gè)重要參數(shù)，含水率過(guò)高或過(guò)低時(shí)，都影響其松弛密度。不同的試樣，其纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量不同，在熱壓成型時(shí)對(duì)含水率的要求也不同。

表1 稻草和稻殼的含水率對(duì)松弛密度的影響Table 1 Effect of different moisture content on relax density

表1為稻草和稻殼的含水率對(duì)成型燃料松弛密度的影響。由表1可知，成型燃料的松弛密度與原料的含水率關(guān)系密切。稻草的含水率低于7.03%時(shí)，含水率越大成型燃料的松弛密度越大，含水率大于7.03%時(shí)含水率越大，松弛密度越小，峰值密度為1.21 g·cm-3。稻殼成型燃料的松弛密度表現(xiàn)出同樣的變化規(guī)律。

這主要是因?yàn)楫?dāng)原料的含水率較小時(shí)，雖然也能壓制成燃料棒，但燃料棒表面碳化嚴(yán)重，放置一段時(shí)間后，由于燃料棒含水率較低，導(dǎo)致燃料棒吸濕空氣中的水分，導(dǎo)致脹裂變形，密度降低。但當(dāng)?shù)静莺偷練さ暮史謩e大于7.03 g·cm-3和9.07 g·cm-3時(shí)，由于含水率較高，加熱成型時(shí)原料中的水分被快速汽化，水蒸氣不能及時(shí)排除，造成燃料棒出模時(shí)脹裂，表面粗糙，松弛密度同樣較低。

2.1.2 含水率對(duì)成型燃料抗?jié)B水性的影響

生物成型燃料的抗?jié)B水性是評(píng)價(jià)其耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)。生物質(zhì)成型燃料的耐久性直接影響生物質(zhì)燃料的包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存性能。抗?jié)B水性反映生物質(zhì)成型燃料的滲水能力，決定生物質(zhì)成型燃貯存性能。

圖1為含水率對(duì)稻草成型燃料抗?jié)B水性的影響，圖2為含水率對(duì)稻殼成型燃料抗?jié)B水性的影響。由圖1、圖2可知，抗?jié)B水時(shí)間與原料的含水率存在著一定的規(guī)律性，并且兩種物質(zhì)表現(xiàn)出相同的規(guī)律性，即當(dāng)含水率較低時(shí)，成型燃料的抗?jié)B水性較差，含水率為4.50%的稻草成型燃料的抗?jié)B水時(shí)間僅為4 h，含水率為6.60%的稻殼成型燃料抗?jié)B水時(shí)間僅為6 h。隨著含水率的提高，兩種成型燃料的抗?jié)B水能力逐漸增強(qiáng)，而后又隨著含水率的增強(qiáng)逐漸降低。稻草成型燃料和稻殼成型燃料的峰值含水率分別為7.03%和7.35%，相應(yīng)的抗?jié)B水時(shí)間分別為24 h和20 h。綜上可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，稻草和稻殼的最佳含水率區(qū)間分別為6.50%～7.80%和6.80%～8.50%。

圖1 含水率對(duì)稻草成型燃料抗?jié)B水性的影響Fig.1 Effect of different moisture content of straw briquetting on water resistance

圖2 含水率對(duì)稻殼成型燃料抗?jié)B水性的影響Fig.2 Effect of different moisture content of rice husk briquetting on water resistance

2.1.3 含水率對(duì)成型燃料抗跌碎性的影響

生物成型燃料的抗跌碎性也是評(píng)價(jià)其耐久性的一個(gè)重要指標(biāo)，抗跌碎性主要反映生物質(zhì)成型燃料在搬運(yùn)過(guò)程中承受一定的跌落和翻滾碰撞時(shí)抗破碎的能力，反映生物質(zhì)成型燃料在實(shí)際條件下的運(yùn)輸要求。

圖3 含水率對(duì)稻草成型燃料抗跌碎性的影響Fig.3 Effect of different moisture content of straw briquetting on shatter resistance

圖4 含水率對(duì)稻殼成型燃料抗跌碎性的影響Fig.4 Effect of different moisture content of rice husk briquetting on shatter resistance

圖3為含水率對(duì)稻草成型燃料抗跌碎性的影響，圖4為含水率對(duì)稻殼成型燃料抗跌碎性的影響。圖3和圖4展現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，即對(duì)于具有良好的松弛密度的成型燃料棒，相應(yīng)的抗跌碎性都很強(qiáng)，大部分成型燃料的抗跌碎性都大于95%。稻草成型燃料的抗跌碎性為91%～96%，稻殼成型燃料的抗跌碎性為92%～96.8%。

總體上看，稻秸稈成型燃料的抗跌碎性隨著含水率的增加而降低，下降趨勢(shì)不明顯，但當(dāng)含水率較大時(shí)，抗跌碎性下降幅度較大，稻草的含水率為11.58%時(shí)抗跌碎性?xún)H為89%，稻殼的含水率為13.40%時(shí)抗跌碎性為92%[5]。綜上所述，當(dāng)成型燃料具有較好的松弛密度時(shí)，抗跌碎性能力能夠滿(mǎn)足包裝、運(yùn)輸和使用的要求。

2.2 稻草粒徑對(duì)成型燃料物理特性的影響

2.2.1 稻草粒徑對(duì)成型燃料松弛密度的影響

由于稻殼的粒徑尺寸較小，這里只討論稻草粒徑對(duì)成型燃料物理特性的影響。選取含水率為7.03%為試驗(yàn)原料，成型溫度200℃。

表2為稻草粒徑對(duì)稻草成型燃料松弛密度的影響，由表可知原料粉碎粒徑的大小對(duì)成型燃料的松弛密度和成型效果影響較大。在可壓縮成型范圍內(nèi)，稻草成型燃料的松弛密度隨著粒徑的增大而減小。當(dāng)?shù)静萘酱笮?～15 mm時(shí)，成型燃料的松弛密度較大，成型效果較好，而當(dāng)粒徑在25～35 mm時(shí)，松弛密度下降到1.03 g·cm-3，同時(shí)成型燃料不密實(shí)，且進(jìn)料不暢。這主要是因?yàn)楫?dāng)原料的粒徑較大時(shí)，其充填特性變差，顆粒間彼此的嵌入不好。由熱壓成型原理可知，壓縮成型主要是靠木質(zhì)素的軟化和顆粒逐漸填充物料間的空隙完成，因此大粒徑的稻草成型燃料松弛密度較低[6]。試驗(yàn)表明，粒徑在0～15 mm區(qū)間內(nèi)的原料較適合進(jìn)行熱壓成型。

2.2.2 稻草粒徑對(duì)成型燃料抗?jié)B水性和抗跌碎性的影響

表2 稻草的粒徑對(duì)稻草成型燃料松弛密度的影響Table 2 Effect of size of straw on relax density

圖5 原料粒徑對(duì)稻草成型燃料抗?jié)B水性的影響Fig.5 Effect of the size of straw on water resistance

圖6 原料粒徑對(duì)稻草成型燃料抗跌碎性的影響Fig.6 Effect of size of straw on shatter resistance

圖5顯示了原料粒徑對(duì)稻草成型燃料抗?jié)B水性的影響。由圖5可知，成型燃料的抗?jié)B水時(shí)間與稻草粒徑有密切關(guān)系，隨著粒徑的增大，成型燃料的抗?jié)B水性明顯增強(qiáng)。這是因?yàn)?，?dāng)原料粒徑較大時(shí)，原料中的長(zhǎng)纖維沒(méi)有被破壞，多數(shù)纖維膠合在一起，成型燃料內(nèi)孔隙較大，當(dāng)燃料吸水膨脹時(shí)應(yīng)力相對(duì)較小，成型燃料分解時(shí)間延長(zhǎng)。圖6顯示了原子粒徑對(duì)稻草成型燃料抗跌碎性的影響。由圖6可知，稻草成型燃料的抗跌碎性隨著粒徑的增大而緩慢提高，抗跌碎性均在90%以上，稻草粒徑對(duì)成型燃料的抗跌碎性影響不顯著。

3 結(jié)論

3.1 稻秸稈的含水率與對(duì)成型燃料的松弛密度關(guān)系密切。隨著含水率的提高，兩種成型燃料的松弛密度均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，峰值所對(duì)應(yīng)的含水率分別為7.03%（稻草）和9.77%（稻殼）。

3.2 稻秸稈成型燃料的抗?jié)B水性隨著原料含水率的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，稻草和稻殼的最佳含水率區(qū)間分別為6.50%～7.80%和6.80%～8.50%。成型燃料的抗跌碎性隨著稻秸稈含水率的增加而降低，下降趨勢(shì)不明顯，但當(dāng)含水率較大時(shí)，抗跌碎性下降幅度較大。

3.3 稻草粉碎粒徑的大小對(duì)成型燃料的松弛密度和成型效果影響較大。在可壓縮成型范圍內(nèi)，稻草成型燃料的松弛密度隨著粒徑的增大而減小。試驗(yàn)表明，0～15 mm的稻草粒徑較適合進(jìn)行熱壓成型。

3.4 成型燃料的抗?jié)B水時(shí)間與稻草粒徑有密切關(guān)系，隨著粒徑的增大，成型燃料的抗?jié)B水性明顯增強(qiáng)。稻草粒徑對(duì)成型燃料的抗跌碎性影響不顯著。

［1］張欣悅.水稻植質(zhì)缽育秧盤(pán)成型工藝試驗(yàn)研究［D］.大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，2007.

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［6］盛奎川，吳杰.生物質(zhì)成型燃料的物理品質(zhì)和成型機(jī)理的研究進(jìn)展［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（2）：242-245.