檸條固體燃料壓縮成型及物理特性的試驗(yàn)研究

張靜,郭玉明,李曉斌

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

由于生物質(zhì)原料的高含水率、不規(guī)則的形狀和尺寸、低容積密度，使其很難加工、運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和利用。將這些生物質(zhì)原料加工成顆粒狀、塊狀后，其密度大幅度提高，減少了運(yùn)輸、儲(chǔ)藏的成本。因?yàn)橛辛私y(tǒng)一的形狀和尺寸，這些固體燃料更容易使用標(biāo)準(zhǔn)的加工和儲(chǔ)藏設(shè)施進(jìn)行處理[1]。

生物質(zhì)材料的種類(lèi)和成分不同，特別是壓縮方式和壓縮條件對(duì)其成型燃料的品質(zhì)特性有很大影響。在生物質(zhì)成型燃料的各種品質(zhì)特性中，除燃燒特性外，成型燃料的物理特性是最重要的品質(zhì)特性，它直接決定了成型燃料的使用要求、運(yùn)輸要求和貯藏條件。良好的物理特性能夠降低成型燃料包裝、運(yùn)輸和貯存成本，能夠保證成型燃料進(jìn)入鍋爐時(shí)的必要物理性狀。密度和耐久性是衡量成型塊物理品質(zhì)特性的兩個(gè)重要指標(biāo)[2,3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)生物質(zhì)固體成型進(jìn)行的研究主要是針對(duì)草本植物、喬木植物及農(nóng)業(yè)廢棄物的研究，而對(duì)目前在我國(guó)黃河流域及“三北”地區(qū)有著廣泛分布并具有較大開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的檸條未見(jiàn)研究。平茬收獲的3年內(nèi)檸條青枝稈可加工為營(yíng)養(yǎng)價(jià)值很高的飼料，但多年生的檸條木質(zhì)化營(yíng)養(yǎng)缺失不易進(jìn)行飼草轉(zhuǎn)化利用，對(duì)其進(jìn)行固體成型燃料加工是很好的綜合利用技術(shù)途徑。針對(duì)上述情況，本文以檸條為研究對(duì)象，以原料含水率和顆粒度及成型工藝參數(shù)壓力和溫度為研究因素，利用SAS軟件對(duì)各因素與燃料物理特性密度和耐久性之間的關(guān)系進(jìn)行了單因素分析，對(duì)各因素與密度和耐久性的關(guān)系進(jìn)行擬合，得出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，并對(duì)各因素影響的顯著性進(jìn)行了方差分析，為壓縮設(shè)備的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及加工工藝的合理選擇提供依據(jù)或參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 原料準(zhǔn)備

試驗(yàn)原料采用山西省定襄市8年生以上檸條，原料于2011年秋天收割后于室外放置半年使其自然干燥，之后在實(shí)驗(yàn)室放置2個(gè)月。

將檸條原料在精工9F50-50雙粉碎型粉碎機(jī)上進(jìn)行粉碎之后，分別應(yīng)用不同篩孔(0.16、0.63、1.25、2.5、5.0 mm)的篩子對(duì)原料進(jìn)行篩選，得到了相應(yīng)大小的顆粒。具體的粒度分布為：<0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2.5、2.5～5.0 mm。另選用經(jīng)揉絲工藝加工的原料與粉碎原料進(jìn)行比較。為了將原料含水率調(diào)整至不同水平，首先將原料放在干燥溫度設(shè)定為105℃的烘箱中干燥72 h以上直至其完全干燥，用噴霧瓶將一定量的水均勻噴在原料中并均勻攪拌以使水分均勻分布，之后將調(diào)整好含水率的原料儲(chǔ)存在密閉的自封塑料袋中于5℃環(huán)境下保存，以防止水分蒸發(fā)。

1.2 壓縮成型試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用一套單軸、內(nèi)徑為40 mm的不銹鋼活塞套筒壓縮裝置在不同成型條件下對(duì)檸條原料進(jìn)行壓縮成型，所有壓縮過(guò)程未添加任何粘結(jié)劑。模具外部包一層陶瓷加熱圈，加熱到設(shè)定溫度后，將按預(yù)定條件處理好的原料加滿(mǎn)，壓縮裝置在WAW-300型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(最大載荷30噸)驅(qū)動(dòng)下，以0.5 MPa·s-1的速度對(duì)原料進(jìn)行擠壓，直至設(shè)定壓力，保壓20 s后撤除壓力以防止材料回彈，再將壓縮裝置底部的螺栓擰開(kāi)，把底座移開(kāi)，從上方將壓塊擠出。

1.3 壓塊物理特性

壓塊的密度和耐久性均在壓縮成型1周后進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)值采用5個(gè)樣本，取其平均值。

1.3.1 密度

用千分尺測(cè)量壓塊的直徑和高度，電子天平測(cè)量其質(zhì)量，精度為0.01 g。根據(jù)質(zhì)量和體積的比值計(jì)算出壓塊的密度(公式(1))，此體積包含壓塊孔隙。

(1)

式中，De-壓塊的密度/g·cm-3；m-壓塊的質(zhì)量/g；d-壓塊的直徑/cm；l-壓塊的高度/cm。

1.3.2 耐久性

根據(jù)歐盟技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)CEN/TS 15210-2，壓塊耐久性即耐磨性采用防塵滾筒裝置(圖1)測(cè)量。檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)速度固定在21 r·min-1保持5 min，即保證總的旋轉(zhuǎn)次數(shù)為105轉(zhuǎn)。耐久性用檢測(cè)前后壓塊的質(zhì)量比再乘以100來(lái)表示。圖1為壓塊耐久性測(cè)量裝置。

圖1 壓塊耐久性測(cè)量裝置Fig.1 The durability tester of briquette

1.4 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析

本研究應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)SAS軟件將溫度、含水率、壓力和顆粒度對(duì)檸條壓塊燃料密度和耐久性的影響進(jìn)行了單變量分析和擬合，得出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，并對(duì)各因素影響的顯著性進(jìn)行了方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度對(duì)壓塊密度和耐久性的影響

升高溫度可以促進(jìn)生物質(zhì)原料固有粘結(jié)劑的激活及顆粒的塑性變形，而塑性變形對(duì)于顆粒間形成永久性粘結(jié)是非常重要的[1]。原料溫度可以通過(guò)直接和間接的方式升高，直接加熱包括顆粒間摩擦，流化床加熱和蒸汽調(diào)節(jié)。間接加熱包括以熱傳導(dǎo)為主的加熱系統(tǒng)例如電阻加熱器和熱油循環(huán)熱交換器[4]。

由圖2可以看出，顆粒度<0.63 mm的原料，在含水率為8%、10 MPa的成型條件下，在50～110℃，壓塊密度隨著溫度的升高而增加，到110℃達(dá)到第一個(gè)最高值0.986 g·cm-3，之后開(kāi)始下降，到150℃降到0.931 g·cm-3之后隨著溫度的升高又開(kāi)始增加，直至230℃時(shí)達(dá)到最高值1.026 g·cm-3。

依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將溫度(T)與壓塊密度(De)、耐久性(Du)的測(cè)量值經(jīng)非線性擬合后，分別得到：

(R2=0.9706)

(2)

(R2=0.9997)

(3)

方差分析表明(表1、表2)，溫度對(duì)壓塊密度、耐久性有顯著和極顯著影響，顯著性檢驗(yàn)概率分別為P =0.005<0.05和P <.0001。

表1 自變量對(duì)密度影響方差分析結(jié)果

表2 自變量對(duì)耐久性影響方差分析結(jié)果

2.2 含水率對(duì)壓塊密度和耐久性的影響

水分在成型過(guò)程中起到了粘結(jié)劑和潤(rùn)滑劑的作用，可以通過(guò)增加顆粒間的接觸面積促進(jìn)分子間范德華力的形成[4]。同時(shí)，還有助于生物質(zhì)中諸如淀粉、糖分、磷酸鈉、鉀鹽等水溶性化合物的固化[5]。

由圖3可見(jiàn)，含水率在5%～15%變化時(shí)，壓塊密度在0.889～1.129 g·cm-3之間變化，含水率為8%時(shí)達(dá)到最大值1.129 g·cm-3,在5%～8%，密度在1.098 g·cm-3以上，8%～15%，隨含水率的增加而減小，在含水率增加到30%時(shí)，降到0.597 g·cm-3。

含水率為9%時(shí)壓塊耐久性達(dá)到最大值98.98%，8%時(shí)為98.14%，其變化趨勢(shì)與密度一致，在含水率增加到30%時(shí)，降到60.76%。超過(guò)30%后，由于大量水蒸氣聚集在模具內(nèi)部，形成較大壓力，有原料從模具縫隙中快速?lài)姵觯斐伞胺排凇爆F(xiàn)象，不能成型。

將含水率(M)與壓塊密度(De)、耐久性(Du)的測(cè)量值經(jīng)非線性擬合，分別得到多項(xiàng)式函數(shù)：

De= 0.000052166M2-0.024300442M+

1.272519725

(R2=0.9661)

(4)

Du= -0.087214826M2+1.69987223M+

88.99454614

(R2=0.9832)

(5)

方差分析表明(表1、表2)，含水率對(duì)壓塊密度、耐久性影響極顯著，顯著性檢驗(yàn)概率均為P<.0001。

圖2 溫度對(duì)壓塊密度、耐久性的影響及擬合曲線(S<0.63 mm,M=8%w.b.,P=10 Mpa)Fig.2 Influence of temperature on the density and durability and the fitted curves

圖3 含水率對(duì)壓塊密度、耐久性的影響及擬合曲線(S<0.63 mm，T=90℃，P=90 MPa)Fig.3 Influence of moisture content on the density and durability and the fitted curves

2.3 壓力對(duì)壓塊密度和耐久性的影響

在高壓下，生物質(zhì)中的天然粘結(jié)成分例如淀粉、蛋白質(zhì)和木質(zhì)素會(huì)從粒子內(nèi)被擠出，從而促進(jìn)顆粒間的粘結(jié)[1]。由圖4可見(jiàn)，顆粒度<0.63 mm的原料，在含水率為8%(w.b.)，90℃時(shí)，壓塊密度隨著壓力的增加而增大，而壓塊耐久性從10 MPa時(shí)的95.69%增大到90 MPa時(shí)的98.14%之后，隨著壓力的增加其耐久性的變化不明顯，直至180 MPa時(shí)的98.26%。因此，從節(jié)約能源的角度考慮，在90 MPa的成型壓力下加工的檸條壓塊燃料，其密度和耐久性均較理想。

依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將壓力(P)與壓塊密度(De)、耐久性(Du)的測(cè)量值經(jīng)非線性擬合后，分別得到多項(xiàng)式函數(shù)：

(R2=0.9699)

(6)

(R2=0.9752)

(7)

方差分析表明(表1、表2)，壓力對(duì)壓塊密度、耐久性影響的顯著性檢驗(yàn)概率分別為P<.0001和P=0.0724>0.05，可見(jiàn)壓力對(duì)壓塊的密度的影響極顯著，對(duì)壓塊的耐久性影響不顯著。

圖4 壓力對(duì)壓塊密度、耐久性的影響及擬合曲線(S<0.63 mm，M=8% w.b.，T=90℃) Fig.4 Influence of pressure and particle on the density and durability and the fitted curves

2.4 顆粒度對(duì)壓塊密度和耐久性的影響

顆粒度是影響生物質(zhì)燃料耐久性的一個(gè)重要因素。通常，顆粒越細(xì)小，其耐久性越高。 成型過(guò)程中，細(xì)小顆粒比大顆粒會(huì)吸收更多的水分，因此，也能承受更高程度的負(fù)荷[1]。

壓塊的密度隨著顆粒度的增大而逐漸減小，<0.16 mm的粉碎原料其密度最高，為1.186 g·cm-3。但耐久性與密度變化趨勢(shì)不一致，經(jīng)粉碎加工的<0.63 mm及揉絲原料，其耐久性達(dá)到最高值98.14%。

因顆粒度沒(méi)有確定的值，是在一定范圍內(nèi)進(jìn)行加工的，所以無(wú)法將顆粒度與密度和耐久性之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，故未在圖中列出。對(duì)其分別進(jìn)行方差分析，結(jié)果(表1、表2)表明，顆粒度對(duì)壓塊密度、耐久性影響極顯著，顯著性檢驗(yàn)概率均為P<.0001。

4 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)室條件下研究了檸條固體成型燃料的成型過(guò)程，分析了檸條原料的性能(顆粒度、含水率)及主要成型參數(shù)(壓力、溫度)對(duì)成型效果的影響。結(jié)果表明，壓力、顆粒度、含水率對(duì)燃料密度的影響極其顯著，溫度、含水率和顆粒度對(duì)耐久性的影響極其顯著。檸條原料含水率在5%～13%，成型溫度和壓力分別在80～150℃、60～110 MPa條件下即可成型優(yōu)質(zhì)的檸條壓塊燃料。在此條件下，檸條揉絲原料也可成型優(yōu)質(zhì)的塊狀燃料，可節(jié)約成本。可作為壓縮設(shè)備的設(shè)計(jì)、優(yōu)化及加工工藝的合理選擇的依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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