檸條固體燃料抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度的研究

吳鍇,張靜,武翠卿

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

林木作為一種清潔能源，不僅蓄積量和可利用量大，能量密度高，而且品種豐富。隨著能源需求壓力加大和林木質(zhì)能源顯著優(yōu)勢(shì)的逐漸突出，國(guó)內(nèi)外對(duì)林木再生能源的利用研究越來(lái)越多[1]。

檸條是抗旱性很好的一種灌木，可起到防沙、固沙、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用，在山西省雁門關(guān)畜牧生態(tài)區(qū)及陜西、內(nèi)蒙、甘肅等干旱地區(qū)大面積種植。多年生檸條木質(zhì)化營(yíng)養(yǎng)缺失不易進(jìn)行飼草轉(zhuǎn)化利用，但可作為固體成型燃料的優(yōu)質(zhì)原料。

在生物質(zhì)固體成型燃料的各種品質(zhì)特性中，除燃燒特性外，其物理特性是最重要的，它直接決定成型燃料的使用要求、運(yùn)輸要求和貯藏條件[2～4]。燃料需要能夠承受在加工、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和燃燒過(guò)程中的破壞載荷，能夠抵抗在傳送帶上傳輸、包裝、傾倒過(guò)程中的跌落，還應(yīng)能夠承受在短途傳輸或長(zhǎng)途搬運(yùn)過(guò)程中的摩擦，保證成型燃料進(jìn)入鍋爐時(shí)的必要物理性狀[5～7]。在過(guò)去的幾十年里,研究人員已經(jīng)確定的重要物理性能有產(chǎn)品密度、抗壓強(qiáng)度、抗破碎性、抗沖擊性、耐磨性、抗剪強(qiáng)度等，本文對(duì)成型燃料的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原料準(zhǔn)備

本試驗(yàn)原料采用八年生以上檸條，于2012年4月取自山西省定襄市，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。按照歐盟標(biāo)準(zhǔn)CEN/TS 14774-3，將1 g原料放在干燥溫度定為105℃的烘箱中干燥，第一次干燥時(shí)間為4 h，取出后稱量樣品的重量，記錄下數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行第二次干燥，直至被稱量樣品的重量不再變化即達(dá)到恒重，記錄最終重量，計(jì)算得出原料自然含水率為7.94% (w.b.)。

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。具體的粒度分布如下：<0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2.5、2.5～5.0 mm。另外選用經(jīng)揉絲工藝加工的原料與粉碎原料進(jìn)行比較。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用四因素五水平進(jìn)行回歸試驗(yàn)分析，回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素和水平見(jiàn)表1。將自制的單軸、內(nèi)徑為40 mm的不銹鋼活塞圓筒壓縮裝置在WAW-300型萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(最大載荷30噸)上加載，圓筒外部包一層陶瓷加熱圈，加熱到設(shè)定溫度后，將按預(yù)定條件處理好的檸條原料加滿，活塞在試驗(yàn)機(jī)的帶動(dòng)下，以0.05 MPa·s-1的速度對(duì)原料進(jìn)行擠壓，直至設(shè)定壓力，保壓10 s后撤除壓力以防止材料回彈，最終成型的檸條固體燃料為直徑約40 mm，長(zhǎng)度根據(jù)不同的初始條件有所不同的壓塊。壓縮過(guò)程未添加任何粘結(jié)劑。成型后的壓塊儲(chǔ)存于自封袋中在室溫下(約25℃)保存。

1.3 壓塊物理性能檢測(cè)

壓塊的抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度均在壓縮成型1周后進(jìn)行測(cè)量，5次重復(fù)，取平均值。

1.3.1 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度又稱作抗破碎性或硬度，此試驗(yàn)?zāi)M了燃料在箱子或倉(cāng)庫(kù)內(nèi)儲(chǔ)存時(shí)上層試樣施加在下層的重力或在螺旋輸送帶上被擠壓破碎時(shí)所承受的壓應(yīng)力，是顆?；驂簤K在開(kāi)裂或破碎前所能承受的最大載荷[8]。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素及水平

1.3.2 抗剪強(qiáng)度

壓塊剪切裝置如圖1，剪切邊實(shí)際長(zhǎng)度為38.2 mm，為雙邊剪切，計(jì)算公式為：

(1)

式中：τ-抗剪強(qiáng)度/MPa；A-壓塊面積/m2；Fx-壓塊承受最大破壞力/N；38.2-剪切有效長(zhǎng)度/mm。

圖1 檸條壓塊剪切裝置Fig.1 Shearing apparatus of briquettes

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2和圖2可以看出，顆粒度為2.5～5.0 mm的檸條原料其抗壓強(qiáng)度最高，而且均高于相同條件下0.16～0.63 mm原料，而<0.16 mm原料(T23)的抗壓強(qiáng)度是最低的，僅為62.12 MPa。

表2 回歸試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同顆粒間以及相同顆粒間(圖2a)，抗壓強(qiáng)度的變化是不相同的，這充分說(shuō)明了這兩個(gè)性能除了受顆粒度和壓力的極其顯著影響外(p<0.0001)，還受到了各因素相互作用項(xiàng)的影響。

圖2 各因素對(duì)壓塊物理性能的影響Fig.2 Effects of factors on physical properties注：a.試樣T1～T16的抗壓強(qiáng)度; b.試樣T17～T25的抗壓強(qiáng)度; c.試樣T1～T16的抗剪強(qiáng)度; d.試樣T17～T25的抗剪強(qiáng)度Note:a.compressive strength of T1～T16; b.compressive strength of T17～T25; c.shear strength of T1～T16; d.shear strength of T17～T25

由圖2可知，0.16～0.63 mm原料的抗剪強(qiáng)度在所有原料最高，而且均高于相同條件下2.5～5.0 mm原料，這與抗壓強(qiáng)度恰恰相反。除了試樣T10之外，<0.16 mm原料(T23)的抗剪強(qiáng)度是最低的。壓塊燃料抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的變化趨勢(shì)是不一致的，這充分說(shuō)明了這兩個(gè)性能除了受顆粒度和壓力的極其顯著影響外(p<0.0001)，還受到了各因素相互作用項(xiàng)的影響。

2.2 多因素試驗(yàn)結(jié)果分析

用SAS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和方差分析，結(jié)果見(jiàn)表3、表4。由表3可見(jiàn)，顆粒度(S)、壓力(P)對(duì)燃料抗壓強(qiáng)度有極顯著影響。顆粒度與壓力(S×P)、顆粒度、含水率與溫度(S×M×T)、顆粒度、含水率、壓力與溫度(S×M×P×T)的互作對(duì)燃料抗壓強(qiáng)度有顯著影響(以上所有項(xiàng)的P<.0001)。結(jié)果表明，顆粒度(S)、壓力(P)及其在相互作用下對(duì)燃料抗壓強(qiáng)度有顯著影響，含水率(M)與溫度(T)對(duì)燃料抗壓強(qiáng)度有影響(P<0.005)，只有在與其他兩個(gè)因素相互作用下才會(huì)對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。其他因素的互作對(duì)其均無(wú)顯著影響，例如顆粒度和溫度(S×T)，即使顆粒度改變，如果溫度不變，燃料抗壓強(qiáng)度也不會(huì)顯著改變。

由表4可見(jiàn)，顆粒度(S)、壓力(P)對(duì)燃料抗剪強(qiáng)度有極顯著影響。壓力與溫度(P×T)、顆粒度、含水率與壓力(S×M×P)、含水率、壓力與溫度(M×P×T)的互作對(duì)燃料抗剪強(qiáng)度有顯著影響(以上所有項(xiàng)P<.0001)。顆粒度(S)、壓力(P)對(duì)燃料抗剪強(qiáng)度有顯著影響，含水率(M)與溫度(T)對(duì)燃料抗剪強(qiáng)度有影響(P<0.005)，只有在與其他兩個(gè)因素相互用下才會(huì)對(duì)抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。其他因素的互作對(duì)其互作對(duì)燃料抗剪強(qiáng)度有顯著影響(以上所有項(xiàng)P<.0001)。結(jié)果表明，顆粒度(S)、壓力(P)對(duì)燃料抗剪強(qiáng)度有顯著影響，含水率(M)與溫度(T)對(duì)燃料抗剪強(qiáng)度有影響(其P<0.005)，只有在與其他兩個(gè)因素相互用下才會(huì)對(duì)抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。其他因素的互作對(duì)其均無(wú)顯著影響，例如顆粒度和溫度(S×T)，即使顆粒度改變，如果溫度不變，燃料抗剪強(qiáng)度也不會(huì)顯著改變。

表3 因變量對(duì)壓塊抗壓強(qiáng)度影響的方差分析結(jié)果

表4 因變量對(duì)壓塊抗剪強(qiáng)度影響的方差分析結(jié)果

2.3 回歸分析

利用回歸分析法，建立了各變量與響應(yīng)函數(shù)之間的多元線性回歸數(shù)學(xué)模型，如式(2)。

y=b0+bsS+b2M+b3P+b4T+b5SM+

b6SP+b7ST+b8MP+b9MT+

b10PT+b11SMP+b12SMT+

b13MPT+b14SPT+b15SMPT+

b16S2+b17M2+b18P2+b19T2

(2)

其中，y-響應(yīng)函數(shù)；S-顆粒度/mm；M-含水率/%；P-成型壓力/MPa；T-溫度/℃。

將式中各因素的回歸系數(shù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化分?jǐn)?shù)后， 直接比較得出該項(xiàng)對(duì)響應(yīng)函數(shù)的影響值。表5僅列出所有對(duì)函數(shù)影響極其顯著項(xiàng)(P<0.0001)。結(jié)果表明，顆粒度和含水率是壓塊抗壓強(qiáng)度的主要影響因素，其回歸系數(shù)分別為2.56和0.44，壓塊燃料的抗壓強(qiáng)度隨著顆粒度和含水率的增大而增大，此模型決定系數(shù)R2=0.88。抗剪強(qiáng)度主要影響因素依次為顆粒度、含水率，其回歸系數(shù)分別為3.31和0.78，說(shuō)明抗剪強(qiáng)度隨著顆粒度和含水率的升高而增大，溫度和壓力及其他相互作用項(xiàng)和二次項(xiàng)對(duì)其有顯著影響卻是次要的，此模型決定系數(shù)R2=0.74。對(duì)壓塊抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度影響的主次順序依次為顆粒度、含水率，溫度和壓力為邊際影響因素。

表5回歸模型中各回歸系數(shù)值

Table5 Summary of the regression coefficient in the regression model

響應(yīng)函數(shù)Response抗壓強(qiáng)度Compression strength抗剪強(qiáng)度Shear strength常數(shù)-3.49-2.68S2.563.31M0.440.78P0.070.03T0.08-0.09S×P0.02-P×T--0.05S×M×P--0.05S×M×T0.04-M×P×T--0.05S2-0.02-0.28P20.04-0.05M20.03-0.06T20.04-0.05R20.880.74

注：“-”代表其值大于0.0001。

Note:"-"represent terms whose P value are more than 0.0001.

3 結(jié)論

通過(guò)分析檸條原料的初始條件(顆粒度、含水率)及主要成型參數(shù)(壓力、溫度)對(duì)固體燃料壓塊抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的影響，得到結(jié)論：

(1)較大顆粒度、較高含水率(以此順序)是增大檸條壓塊燃料抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度的重要因素。溫度和壓力與燃料的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度相關(guān)性較小。

(2)顆粒越細(xì)小，燃料的塑性及強(qiáng)度會(huì)越差，要保證檸條壓塊燃料在運(yùn)輸儲(chǔ)存過(guò)程中具有足夠的強(qiáng)度而保持完整，檸條原料顆粒度不宜過(guò)小，含水率在8%～14%為宜，從節(jié)能和低成本角度考慮，成型溫度至少為80℃，最高不能超過(guò)150℃，壓力在60～110 MPa即可。

以此條件加工的檸條壓塊燃料具有較高抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，可以抵抗在運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中經(jīng)受的載荷，但檸條原料在成型加工時(shí)的初始條件及成型參數(shù)還要綜合考慮燃料的其他物理性能才能最終確定。

參 考 文 獻(xiàn)

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