木屑顆粒燃料冷態(tài)壓縮成型參數(shù)試驗(yàn)研究*

馬愛(ài)純，陳宗威，歐儉平，魏永春

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

木屑顆粒燃料冷態(tài)壓縮成型參數(shù)試驗(yàn)研究*

馬愛(ài)純，陳宗威?，歐儉平，魏永春

（中南大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083）

對(duì)杉木屑進(jìn)行不同成型直徑、含水率及壓縮速度條件下的冷態(tài)壓縮成型試驗(yàn)，分析多個(gè)影響因素對(duì)木屑成型試樣的松弛密度、抗壓強(qiáng)度及比能耗的影響。通過(guò)單因素影響試驗(yàn)分析表明，在含水率為16%和成型直徑為10～12 mm時(shí)能獲得較好的成型參數(shù)，壓縮速度為40 mm/min時(shí)，可獲得較大的松弛密度和抗壓強(qiáng)度，但比能耗相對(duì)較大。通過(guò)設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，運(yùn)用多指標(biāo)綜合加權(quán)評(píng)分法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，權(quán)重系數(shù)綜合考慮松弛密度、抗壓強(qiáng)度和比能耗的重要與次要程度，結(jié)果表明：木屑最佳成型因素水平組合為成型直徑10 mm、含水率16%、壓縮速度40 mm/min，此時(shí)木屑試樣松弛密度、抗壓強(qiáng)度和比能耗分別為0.91 g/cm3、315 N和30.20 J/g，綜合加權(quán)評(píng)分值最高。

杉木屑；壓縮成型；松弛密度；抗壓強(qiáng)度；比能耗；正交試驗(yàn)

0 引 言

生物質(zhì)成型燃料具有體積小，密度大，儲(chǔ)運(yùn)方便，燃燒持續(xù)穩(wěn)定、周期長(zhǎng)、燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。生物質(zhì)成型燃料多種多樣，其中木屑成型燃料屬于應(yīng)用較廣的生物質(zhì)成型燃料之一。成型技術(shù)按成型工藝主要分為冷壓成型、熱壓成型和碳化成型，其中冷壓成型是生物質(zhì)能重要的利用技術(shù)之一，也是其他利用方式的基礎(chǔ)[2]。由于影響生物質(zhì)成型效果的因素繁多，如何選取最佳成型條件對(duì)生物質(zhì)成型效果至關(guān)重要，對(duì)此，各國(guó)學(xué)者們開展了大量的研究[3-13]。董磊等[9]對(duì)影響木屑成型的主要因素（含水率）進(jìn)行了分析和試驗(yàn)，并通過(guò)成型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最佳含水率為0.15～0.18。胡建軍等[2]對(duì)秸稈顆粒進(jìn)行了成型試驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)壓縮速度取值40 mm/min可達(dá)到最佳成型參數(shù)。國(guó)內(nèi)外研究主要集中于木屑原料粒度大小、含水率、壓力大小、壓縮速度等對(duì)成型松弛密度、抗壓性、抗跌碎性、抗?jié)B水性等的影響，對(duì)于生物質(zhì)成型時(shí)比能耗研究較少。生物質(zhì)成型燃料的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)包括能源成本、加工費(fèi)用、銷售收入等方面，比能耗是指生物質(zhì)壓縮成型時(shí)能耗的大?。茨芎臄?shù)值與質(zhì)量之比），影響著經(jīng)濟(jì)指標(biāo)中的加工費(fèi)用環(huán)節(jié)，是評(píng)價(jià)生物質(zhì)壓縮成型成本的重要指標(biāo)之一。本文加入成型比能耗作為評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，選取成型直徑、含水率及壓縮速度作為影響參數(shù)，研究其對(duì)杉木屑的松弛密度、抗壓強(qiáng)度及比能耗的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

采用FN101-2型鼓風(fēng)干燥箱（控溫范圍0℃～300℃，連續(xù)可調(diào)）將木屑原料加熱至103 ± 2℃進(jìn)行烘干，計(jì)算出初始含水率，然后運(yùn)用干燥箱和小噴壺將含水率調(diào)配至12%、16%、18%三個(gè)水平，分別用密封袋封存好備用。加壓設(shè)備為CSS-88100型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，液壓驅(qū)動(dòng)，壓縮速度可調(diào)，試驗(yàn)機(jī)連接計(jì)算機(jī)設(shè)備，可自動(dòng)采集壓力、位移等參數(shù)。其余設(shè)備包括：直徑為10 mm、12 mm、14 mm的成型模具；BL-2200H型電子稱，最小讀數(shù)為0.01 g；游標(biāo)卡尺，精度為0.01 mm。壓縮試驗(yàn)裝置圖和示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 壓縮試驗(yàn)裝置圖Fig. 1 Equipment of compression experiment

圖2 壓縮試驗(yàn)示意圖Fig. 2 Diagram of compression experiment

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí)，將預(yù)先配備好含水率的木屑加入到模具中，用壓桿搗實(shí)，放入到壓力機(jī)下進(jìn)行壓縮，根據(jù)調(diào)試，試驗(yàn)壓縮位移和壓力的范圍分別為44～47.5 mm和15～30 kN時(shí)能保證木屑較好成型。試驗(yàn)開始時(shí)將數(shù)據(jù)設(shè)定好，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)停止試驗(yàn)，保持3～5 min后將壓縮好的木屑成型試樣取出，試驗(yàn)成型模具和成型試樣如圖3所示。將成型好的成型試樣自然風(fēng)干24 h，然后在壓力機(jī)上進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，得出抗壓曲線。每組試驗(yàn)重復(fù)5次，結(jié)果取平均值。

圖3 試驗(yàn)?zāi)＞吲c成型試樣Fig. 3 The test mold and molded samples

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定

試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)有松弛密度、抗壓強(qiáng)度和比能耗。首先將自然風(fēng)干24 h后的成型試樣測(cè)量其質(zhì)量及體積算出松弛密度，計(jì)算公式如式（1）。

式中，ρ為松弛密度，g/cm3；m為成型試樣質(zhì)量，g；d為成型直徑，cm；L為成型試樣長(zhǎng)度，cm。然后在抗壓試驗(yàn)中選取成型試樣破碎時(shí)的壓力值作為抗壓強(qiáng)度（P，N）指標(biāo)。最后，運(yùn)用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)各壓縮成型曲線進(jìn)行擬合，擬合出壓縮位移（x，m）與壓縮壓力（F，kN）的關(guān)系函數(shù)，積分求出對(duì)應(yīng)能耗大小，求出每次試驗(yàn)的比能耗（E，J/g），其計(jì)算公式如式（2）所示。

2 單因素影響試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)方案

將成型直徑、含水率及壓縮速度作為試驗(yàn)因素，分別記為A、B、C，各因素取三個(gè)水平，選取成型直徑10 mm、含水率16%、壓縮速度20 mm/min為基準(zhǔn)值進(jìn)行單因素影響試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Test program

2.2 含水率的影響試驗(yàn)

不同含水率壓縮成型時(shí)壓力和位移的關(guān)系曲線和對(duì)應(yīng)的抗壓試驗(yàn)曲線分別如圖4和圖5所示。圖中10-12-20表示成型直徑為10 mm，含水率為12%，壓縮速度為20 mm/min，其余表示類似。由圖4壓縮成型曲線可知，不同條件下木屑成型曲線基本類似。當(dāng)壓縮位移為0～30 mm時(shí)，壓力幾乎無(wú)明顯變化，且接近于0（圖略），此為松散階段，當(dāng)壓縮量大于30 mm時(shí)，隨著壓縮位移的增大壓力呈指數(shù)型增長(zhǎng)，此為過(guò)渡階段，壓力增長(zhǎng)逐漸明顯。在壓緊階段，物料開始發(fā)生塑性變形，粒子間更加緊密接觸互相嚙合，此時(shí)微小的壓縮量即需很大的壓力。由圖還可看出，含水率越高達(dá)到相同壓縮位移時(shí)所需壓力越大，在壓緊階段尤為明顯，說(shuō)明此時(shí)過(guò)高的含水已經(jīng)成為粒子間相互結(jié)合的阻礙，試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)當(dāng)含水率為20%時(shí)，木屑難以成型或成型后極易松散。

從圖5抗壓曲線可知，隨著壓力的增加壓縮位移逐漸增加，達(dá)到某個(gè)極限壓力時(shí)，試樣破碎，此時(shí)壓力略有減小，隨后較小的壓力增加能導(dǎo)致較大的壓縮位移。10-12-20和10-16-20成型試樣在壓力分別約為190 N和220 N時(shí)發(fā)生破碎，10-18-20抗壓曲線圖中成型試樣破碎點(diǎn)不明顯，根據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)得知發(fā)生破碎瞬間的壓力值為160 N。

圖4 不同含水率時(shí)壓縮成型曲線Fig. 4 Compression molding curve with different moisture contents

圖5 不同含水率時(shí)抗壓曲線Fig. 5 Compression curve with different moisture contents

通過(guò)對(duì)曲線的擬合，發(fā)現(xiàn)壓縮成型時(shí)壓力和位移關(guān)系曲線符合指數(shù)規(guī)律，其表達(dá)式為：

其中，a、b、c、d為試驗(yàn)系數(shù)，將擬合后的關(guān)系式代入式（2）中求出比能耗。三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值匯總?cè)绫?所示，由表可知，含水率為16%時(shí)木屑成型試樣松弛密度最大，抗壓能力最好，比能耗也最小，三個(gè)指標(biāo)均達(dá)到最優(yōu)。含水率為18%時(shí)，密度最小，抗壓能力也最差，比能耗也較高，所以含水率取值不宜超過(guò)18%，而含水率為12%時(shí)，比能耗最大，密度和抗壓能力與含水率為16%相比也略有下降。所以含水率取值在16%時(shí)成型參數(shù)最佳。

表2 不同含水率試樣成型參數(shù)Table 2 Molding parameters with different moisture content

2.3 成型直徑的影響試驗(yàn)

不同成型直徑時(shí)壓力和位移關(guān)系曲線及對(duì)應(yīng)的抗壓試驗(yàn)曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 不同成型直徑時(shí)壓縮成型曲線Fig. 6 Compression molding curve with different molding diameters

圖7 不同成型直徑時(shí)抗壓曲線Fig. 7 Compression curve with different molding diameters

由圖6可觀察到，在壓縮位移約為45 mm之前，直徑越大，獲得相同的壓縮位移所需壓力也越大，但壓縮45 mm之后，成型直徑越小的壓力隨位移變化增速越快，此時(shí)在相同的壓縮位移時(shí)直徑越小所需壓力反而越大，說(shuō)明直徑越小，木屑顆粒間緊湊的速度也越快，壓力變化增速也就越快。

圖7顯示三條曲線破碎點(diǎn)明顯。各成型試樣抗壓強(qiáng)度、松弛密度及比能耗結(jié)果如表3所示，由表3可知，抗壓能力隨著成型直徑的增大而減小，木屑成型試樣松弛密度受成型直徑的影響不大，三種成型直徑下松弛密度相差不大。而比能耗則隨著成型直徑的增大逐漸增大，所以試樣成型直徑為10～12 mm時(shí)能獲得較好的成型參數(shù)。

表3 不同成型直徑試樣成型參數(shù)Table 3 Molding parameters with different molding diameters

2.4 壓縮速度的影響試驗(yàn)

不同壓縮速度時(shí)壓力和位移關(guān)系曲線及對(duì)應(yīng)的抗壓試驗(yàn)曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 不同壓縮速度時(shí)壓縮成型曲線Fig. 8 Compression molding curve with different compression speeds

圖9 不同壓縮速度時(shí)抗壓曲線Fig. 9 Compression curve with different compression speeds

由圖8可知，過(guò)渡階段三條曲線基本重合，在壓緊階段達(dá)到相同壓縮位移時(shí)，壓縮速度為60 mm/min時(shí)所需的壓力最大，40 mm/min時(shí)最小。從圖9可知，10-16-20和10-16-40成型試樣破碎點(diǎn)明顯，而10-16-60破碎點(diǎn)不明顯。各成型試樣抗壓強(qiáng)度、松弛密度及比能耗結(jié)果如表4所示。由表4可知，木屑成型試樣在壓縮速度為40 mm/min時(shí)抗壓能力最好，松弛密度最大，但對(duì)應(yīng)的比能耗也最大。

表4 不同壓縮速度試樣成型參數(shù)Table 4 Molding parameters with different compression speed

綜上，含水率、成型直徑和壓縮速度對(duì)木屑成型試樣的松弛密度、抗壓強(qiáng)度、比能耗的影響規(guī)律較為復(fù)雜，需要進(jìn)一步分析。

3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

為找出木屑成型參數(shù)的最優(yōu)組合，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)。為確定試驗(yàn)最優(yōu)水平組合，運(yùn)用綜合加權(quán)平均法對(duì)多指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理[14]。參考北京市地方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于生物質(zhì)成型燃料的成型指標(biāo)的重要與次重要程度進(jìn)行區(qū)分[15]，確定各項(xiàng)權(quán)重為：松弛密度0.40，抗壓強(qiáng)度0.40，比能耗0.20。試驗(yàn)以評(píng)分值越大越好為準(zhǔn)則，松弛密度、抗壓強(qiáng)度的觀測(cè)值即為試驗(yàn)值，比能耗觀測(cè)值為比能耗指標(biāo)中最大值與試驗(yàn)值之差。

第g號(hào)試驗(yàn)條件綜合加權(quán)評(píng)分值Yg*按式（4）進(jìn)行計(jì)算。

式中，Wk為權(quán)重系數(shù)，（Yg）'k為第g號(hào)試驗(yàn)k項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的無(wú)量綱評(píng)分值，按式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式中，（Yg）k為第g號(hào)試驗(yàn)k項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)觀測(cè)值，（Ymax）k和（Ymin）k分別表示第k項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)中最大值和最小值。

計(jì)算得出正交試驗(yàn)結(jié)果及分析分別如表5和表6所示。

表5中列出了各因素對(duì)應(yīng)的3個(gè)水平的松弛密度、抗壓強(qiáng)度、比能耗和綜合加權(quán)評(píng)分值。表6列出了各因素的極差、影響因素主次順序及綜合加權(quán)評(píng)分值分析結(jié)果。由表6可知影響木屑成型試樣松弛密度因素主次順序?yàn)楹?、成型直徑、壓縮速度，其最優(yōu)水平為B2A1C2；影響抗壓強(qiáng)度因素主次順序?yàn)閴嚎s速度、含水率、成型直徑，其最優(yōu)水平為C2B2A1；影響比能耗因素主次順序?yàn)閴嚎s速度、含水率、成型直徑，其最優(yōu)水平為C1B2A1。由綜合加權(quán)評(píng)分值分析可知，綜合考慮三個(gè)試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，最優(yōu)組合為B2C2A1，即表5中試驗(yàn)2號(hào)，成型直徑10 mm、含水率16%、壓縮速度40 mm/min，此時(shí)木屑試樣松弛密度達(dá)到最大0.91 g/cm3，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大315 N，比能耗接近最小30.20 J/g，綜合加權(quán)評(píng)分值最高。本研究得到的最佳含水率為16%，與文獻(xiàn)[9]的最優(yōu)含水率范圍15%～18%基本一致，最佳壓縮速度40 mm/min，也與文獻(xiàn)[2]結(jié)論一致。

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of orthogonal tests

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果分析Table 6 Analysis of orthogonal tests results

4 結(jié) 論

（1）單因素影響試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，含水率為16%時(shí)成型參數(shù)最佳，成型直徑為10～12 mm時(shí)能獲得較好的成型參數(shù)，壓縮速度為40 mm/min時(shí)，可獲得非常大的松弛密度和抗壓強(qiáng)度，但比能耗相對(duì)較大。

（2）正交試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，綜合考慮松弛密度、抗壓強(qiáng)度及比能耗，運(yùn)用多指標(biāo)綜合加權(quán)評(píng)分法分析，最優(yōu)水平組合為成型直徑10 mm、含水率16%、壓縮速度40 mm/min，此時(shí)木屑試樣松弛密度為0.91 g/cm3，抗壓強(qiáng)度為315 N，比能耗為30.20 J/g，綜合加權(quán)評(píng)分值最高。

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Experimental Study on the Molding Properties of Cold Compress Molding for Sawdust Pellet Fuel

MA Ai-chun,CHEN Zong-wei,OU Jian-ping,WEI Yong-chun
(School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

A cold compression molding experiment for the sawdust of cedarwood was conducted. The influences of different molding diameter,moisture content and compression speed on the relaxation density,compressive strength and energy consumption per unit mass of the molded samples were analyzed. It shows that the three molding properties are reasonable when the moisture content is 16% and the molding diameter is 10～12 mm. When the compression speed is 40 mm/min,large relaxation density and compressive strength can be obtained,though the energy consumption per unit mass is relatively higher. An orthogonal experiment of 3 factors with 3 levels was conducted. The multi-index synthetic weighted mark method is adopted to analyze the experimental results,in which the weight coefficients are determined according to the significance. It shows that the optimal scheme is as followed: molding diameter of 10 mm,moisture content of 16% and compression speed of 40 mm/min,while the relaxation density,compressive strength and energy consumption per unit mass of the product are 0.91 g/cm3,315 N and 30.20 J/g respectively and the synthetic weighted mark is the highest.

cedarwood sawdust; compression molding; relaxation density; compressive strength; energy consumption per unit mass; orthogonal experiment

TK6；S216.2

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.002

2095-560X（2015）01-0007-07

馬愛(ài)純（1973-），女，博士，副教授，主要從事冶金、化工等領(lǐng)域的燃燒及新能源的利用研究。

2014-11-17

2014-11-26

? 通信作者：陳宗威，E-mail：939383629@qq.com

陳宗威（1989-），男，碩士研究生，從事能源利用轉(zhuǎn)化、燃燒仿真等方面的研究。