模擬利用太陽能預(yù)處理玉米秸稈壓縮成型試驗

鄭勝+王佳欣++張同開

摘要：為了降低玉米秸稈在熱壓成型工藝的熱能輸入及成型過程中的壓縮能耗，首先檢測了太陽聚光板焦點(diǎn)溫度的波動范圍，然后分析了在類似波動溫度下秸稈的分解行為，最后采用模擬利用太陽能替代傳統(tǒng)玉米秸稈熱壓成型工藝的熱源，以之預(yù)處理軟化秸稈，對比壓縮成型的能耗變化。結(jié)果表明，太陽能聚光板聚光焦點(diǎn)溫度速率的波動基本維持在±15 ℃/min左右，且該工藝僅適宜于晴天或多云天氣條件下進(jìn)行。模擬利用太陽能熱解秸稈的熱重曲線整體與恒定升溫速率下的趨勢相同，起始熱解溫度也維持在260～280 ℃，且秸稈熱解的動力學(xué)參數(shù)也符合傳統(tǒng)生物質(zhì)熱解動力學(xué)的一般分析情況。為了避免秸稈受熱分解，利用太陽能預(yù)處理秸稈溫度范圍為0～250 ℃。經(jīng)模擬太陽能預(yù)處理后的玉米秸稈壓縮比能耗為24.015 J/g，與未預(yù)處理的秸稈樣品相比必能耗降低1.194 J/g。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；壓縮成型；太陽能；預(yù)處理；熱解溫度；動力學(xué)參數(shù)；能耗

中圖分類號： TK6文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0261-03

中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)作物秸稈資源豐富，具有潛在的開發(fā)與應(yīng)用前景[1]。但秸稈大多以傳統(tǒng)方式低效直燃或燒荒，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染等問題[2]。生物質(zhì)成型技術(shù)可將低品位的生物質(zhì)轉(zhuǎn)換為高品位的、易存儲與運(yùn)輸?shù)?、體積密度較大的、熱效率高的生物質(zhì)固體燃料[3]。成型后的生物質(zhì)燃料能量密度與中值煤相當(dāng)[4]。目前，生物質(zhì)成型技術(shù)已得到一定的發(fā)展與推廣，國內(nèi)外學(xué)者對小麥秸稈、玉米秸稈等生物質(zhì)成型技術(shù)開展了大量的研究工作[5-6]，但是在成型過程中普遍存在設(shè)備使用壽命短、耗能高、成本高等問題，難以規(guī)模化應(yīng)用[7-8]。研究比較熱門的秸稈熱壓成型工藝可以降低成型壓力，減少機(jī)械摩擦對成型設(shè)備的磨損，保證較好的成型塊品質(zhì)，但熱壓成型工藝需要大量的熱能輸入，間接增加了成型成本[9-10]。由于太陽能資源具有巨大、廣泛、長久、無成本等特點(diǎn)[11]，若能將太陽能作為秸稈熱壓預(yù)處理（太陽能預(yù)處理軟化秸稈）的熱源，將大幅度降低生物質(zhì)成型技術(shù)的成本。本試驗旨在研究模擬利用太陽能替代傳統(tǒng)秸稈熱壓成型工藝的熱源，預(yù)處理軟化玉米秸稈后壓縮成型，以達(dá)到降低玉米秸稈在成型過程中的壓縮比能耗的目的。

1材料與方法

1.1原料

原料選用吉林省吉林市郊區(qū)成熟的玉米秸稈，平均株高約2 m，上下平均直徑約2.5 cm，經(jīng)去葉、去根處理后，自然風(fēng)干至含水率為9.14%，利用F120型粉碎機(jī)（北京市永光明醫(yī)療儀器廠）將秸稈一部分粉碎并篩分至粒徑為15 mm以下的樣品，密封保存?zhèn)溆?，用于秸稈壓縮成型試驗；另一部分粉碎并篩分至粉末狀樣品，置于鼓風(fēng)干燥箱，在105 ℃下干燥 12 h，密封保存?zhèn)溆?，用于秸稈熱解試驗?/p>

1.2設(shè)備

設(shè)備主要選用TES-1310型數(shù)字溫度計，杭州豐華儀表廠；ZCT-B型綜合熱分析儀上，北京精儀高科有限公司；KDM型數(shù)顯恒溫加熱套，杭州豐華儀表廠；WDW-100型萬能試驗機(jī)，長春科新試驗儀器有限公司。同時配備一內(nèi)徑為 16 mm 的壓縮成型模具，成型模具見圖1。

1.3方法

在室外的空曠地搭建直徑為1.5 m的太陽能聚光板，利用數(shù)字溫度計測量太陽能聚光板測量桿上測量點(diǎn)的焦斑溫度。分別在晴天、多云、陰天天氣條件下，在不同時刻實(shí)時監(jiān)控聚光焦斑的溫度。測量時間從太陽光強(qiáng)度充足的11：00至15：00止，測量時間間隔為30 min，測量后計算聚光焦點(diǎn)的溫度波動范圍。

將裝有5 mg左右秸稈樣品的坩堝置于綜合熱分析儀上，根據(jù)聚光焦點(diǎn)的溫度波動范圍數(shù)據(jù)，利用程序設(shè)定模擬太陽能不恒定的升溫速率，以高純N2為載氣，載氣流量 50 mL/min，使秸稈樣品在氮?dú)夥諊幸圆缓愣ǖ纳郎厮俾蕪氖覝厣林付囟?，隨著溫度的升高，樣品的質(zhì)量發(fā)生變化，記錄下熱重（TG）曲線。分析秸稈在不恒定升溫速率下的失重情況及熱力學(xué)數(shù)據(jù)，并與恒定升溫速率下的熱解情況相對比，得出利用太陽能預(yù)處理秸稈的溫度范圍。

利用數(shù)顯恒溫電熱套模擬太陽能作為熱源預(yù)處理軟化秸稈的溫度波動，根據(jù)壓縮成型模具的尺寸，稱取1.5 g左右在不同預(yù)處理條件下的秸稈樣品并裝入模具中，利用萬能試驗機(jī)將秸稈以20 mm/min的壓縮速度壓縮到一定的壓力下成型，計算秸稈在壓縮過程中的壓縮比能耗，比較得出最佳軟化效果下的預(yù)處理條件。

比能耗E[12]是指生產(chǎn)單位質(zhì)量的秸稈成型塊所消耗的能量（J/g）。計算公式如下：

E=∫0lFdS1m×10-3。

式中：S為壓縮位移，mm；F為壓縮試驗力，N；m為秸稈質(zhì)量，g；l為壓縮總位移，mm。

2結(jié)果與分析

2.1太陽能聚光板焦點(diǎn)溫度測量

在晴天、多云、陰天天氣條件下，利用數(shù)字溫度計測量太陽能聚光板聚光焦點(diǎn)的溫度，結(jié)果見表1。

通過多組平行試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在晴天條件下，太陽能聚光板的聚光焦點(diǎn)溫度有較小波動，速率波動范圍在±5 ℃/min左右；多云條件下，太陽能聚光板的聚光焦點(diǎn)溫度有較大波動，速率波動范圍在±15 ℃/min左右；陰天條件下，太陽能聚光板的聚光效果較差，不作為試驗條件考慮。

綜合多種天氣條件考慮，該工藝適用于晴天或多云天氣條件。太陽能聚光焦點(diǎn)溫度速率的波動范圍基本維持在 ±15 ℃/min 左右。

2.2模擬利用太陽能熱解秸稈的TG分析

將裝有5 mg左右秸稈樣品的坩堝置于綜合熱分析儀上，根據(jù)程序設(shè)定氣體流速、升溫速率、終止溫度等參數(shù)，分別將秸稈樣品以5、10、15 ℃/min的升溫速率從室溫升至500 ℃并記錄下TG曲線，不同升溫速率下秸稈的熱重曲線見圖2。

利用綜合熱分析儀程序設(shè)定模擬太陽能的升溫條件，分別將秸稈樣品以如下升溫速率：第1組，15 ℃/min→200 ℃/min、5 ℃/min→300 ℃/min、15 ℃/min→500 ℃/min；第2組，15 ℃/min→200 ℃/min、10 ℃/min→300 ℃/min、15 ℃/min→500 ℃/min；第3組，15 ℃/min→200 ℃/min、15 ℃/min→3 000 ℃/min、5 ℃/min→500 ℃/min。

從室溫升至500 ℃并記錄下熱重曲線，不同升溫條件下秸稈的熱重曲線見圖3。

結(jié)果顯示，秸稈在不同升溫速率下，隨著升溫速率的提高，試樣的失重曲線向高溫區(qū)移動，起始熱解溫度在260～280 ℃。而模擬利用太陽能熱解秸稈，秸稈的失重曲線整體與恒定升溫速率下的趨勢相同，且起始熱解溫度也基本維持在260～280 ℃。若利用太陽能預(yù)處理秸稈，須保證秸稈的預(yù)處理溫度維持在250 ℃以下，避免秸稈過熱發(fā)生分解。所以，利用太陽能預(yù)處理秸稈的溫度范圍應(yīng)保持在0～250 ℃。

秸稈熱解的反應(yīng)級數(shù)通常近似為一級，即n=1。由n=1時的反應(yīng)式知，ln-ln（1-a）1T2與11T呈線性關(guān)系，將ln-ln（1-a）1T2對11T作圖，將其擬合成一條直線，斜率為 -E1R，截距為lnAR1Eβ，可以求出反應(yīng)活化能E、指前因子A。秸稈在不同升溫速率及升溫條件下的熱解動力學(xué)參數(shù)見表2。

結(jié)果顯示，在不同升溫條件下，秸稈的熱解反應(yīng)活化能（E）和頻率因子（A）存在差異。其中，在恒定的升溫速率條件下，升溫速率越大，反應(yīng)活化能就越高。而當(dāng)升溫速率不恒定的條件下，即模擬太陽能熱解秸稈的情況下，秸稈熱解的動力學(xué)參數(shù)也符合一般生物質(zhì)熱解動力學(xué)分析。

2.4恒溫加熱預(yù)處理軟化秸稈壓縮成型試驗

利用數(shù)顯恒溫加熱套在50、100、150 ℃下分別以0.5、1.0、1.5、2.0 h加熱密封在容器內(nèi)的秸稈樣品，利用萬能試驗機(jī)將樣品壓縮到1萬的壓力下成型。玉米秸稈的壓縮比能耗見圖4。

從圖4可以看出，通過對秸稈加熱預(yù)處理，隨著加熱溫度與加熱時間的增加，秸稈的壓縮比能耗與未預(yù)處理過的秸稈樣品相比有一定的降低。但隨著加熱時間的進(jìn)一步增加，秸稈的壓縮比能耗有所提高，從整體來看，加熱溫度為150 ℃時、秸稈的壓縮比能耗降低的效果更為顯著。其中當(dāng)加熱溫度為150 ℃，加熱時間為1 h時，秸稈的壓縮比能耗為 22.612 J/g，比未預(yù)處理過的秸稈樣品降低2.597 J/g。

2.5模擬利用太陽能預(yù)處理秸稈壓縮成型的試驗

依據(jù)太陽能聚光焦點(diǎn)溫度速率波動范圍（±15 ℃/min）及利用太陽能預(yù)處理秸稈的溫度范圍（0～250 ℃），利用加熱套模擬太陽能預(yù)處理秸稈的試驗條件見表3，加熱密封在容器內(nèi)的秸稈樣品后，利用萬能試驗機(jī)將樣品壓縮到1萬的壓力下成型。結(jié)果顯示，由于太陽能具有不穩(wěn)定性，所以利用加

熱套模擬太陽能預(yù)處理秸稈的加溫速率需呈現(xiàn)出不規(guī)律性。整體來看，秸稈的壓縮比能耗與未預(yù)處理過的秸稈樣品相比都有一定的降低。其中，當(dāng)加熱溫度在0～50 ℃時，加熱時間對秸稈的壓縮比能耗并沒有太大影響；當(dāng)加熱溫度在50～150 ℃時，加熱時間越長，秸稈的壓縮比能耗降低越明顯；而當(dāng)加熱溫度在150～250 ℃時，加熱時間越短，秸稈的壓縮比能耗降低越明顯。為了節(jié)約時間與成本，當(dāng)秸稈在0～50 ℃加熱預(yù)處理10 min、50～150 ℃加熱預(yù)處理20 min、150～250 ℃ 加熱預(yù)處理10 min時，秸稈的壓縮比能耗為 24.015 J/g，比未預(yù)處理的秸稈樣品降低1.194 J/g（表3）。

3結(jié)論與討論

利用數(shù)字溫度計測量太陽能聚光板上聚光焦點(diǎn)的溫度，計算得出太陽能作為熱源條件下的溫度速率波動范圍，基本維持在±15 ℃/min左右，且該工藝僅適宜于晴天或多云的天氣條件下進(jìn)行。

分別在恒定升溫速率及模擬利用太陽能作為熱源下熱解秸稈，模擬利用太陽能熱解秸稈的TG曲線整體與恒定升溫速率下趨勢相同，起始熱解溫度也維持在260～280 ℃，且秸稈熱解的動力學(xué)參數(shù)符合傳統(tǒng)生物質(zhì)熱解動力學(xué)的一般分析情況。為了避免秸稈受熱分解，利用太陽能預(yù)處理秸稈的溫度范圍應(yīng)保持在0～250 ℃。

利用加熱套預(yù)熱處理秸稈，加熱溫度和時間對秸稈的成型均有一定的影響，當(dāng)加熱溫度為150 ℃、加熱時間為1 h時，秸稈的壓縮比能耗為22.612 J/g，比未預(yù)處理過的秸稈降低2597 J/g。此外，利用加熱套模擬太陽能預(yù)處理秸稈壓縮成型，當(dāng)秸稈在0～50 ℃加熱預(yù)處理10 min、50～150 ℃加熱預(yù)處理20 min、150～250 ℃加熱預(yù)處理10 min時，秸稈的壓縮比能耗為24.015 J/g，比未預(yù)處理過的秸稈樣品降低 1.194 J/g。

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