不同粒徑模具的顆粒燃料成型特性研究

朱家寶++周立岱

摘要：指出了隨著可再生能源的開(kāi)發(fā)利用越來(lái)越受到人們的關(guān)注，生物質(zhì)能作為地球上唯一能夠固定碳的清潔性能源而逐漸被世界各國(guó)所重視。生物質(zhì)能是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大能源，約占全球總能源消耗的14%。將玉米秸稈粉碎然后壓制成粒徑不同的顆粒燃料，既解決了大氣污染問(wèn)題，又提高了能源利用率。為此，進(jìn)行了在不同溫度壓制成不同的顆粒燃料的實(shí)驗(yàn)，測(cè)定了其密度、吸水性、硬度、熱值等特性，以確定最佳的粒徑及溫度。研究表明： 粒徑為6 mm溫度為110℃時(shí)條件最佳，此時(shí)的顆粒燃料硬度最大，易保存、易運(yùn)輸、不易破碎，同時(shí)硬度也最大，而且消耗的能量也最小。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)能；溫度；粒徑；密度

中圖分類號(hào)：TQ35

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：16749944（2017）16002903

1引言

世界重要資源短缺引發(fā)全球?qū)焖侔l(fā)展中國(guó)家的普遍關(guān)注，找到資源需求的合理方法是中國(guó)經(jīng)濟(jì)和諧增長(zhǎng)的唯一選擇，是中國(guó)與世界各國(guó)和諧互動(dòng)的先決條件。人們?cè)絹?lái)越依賴石油、天然氣、煤炭等不可再生能源，不可再生能源價(jià)格飆升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球上蘊(yùn)藏可開(kāi)發(fā)利用煤和石油等將分別在200年、40年內(nèi)耗竭，天然氣也只能用40年左右[1]。

生物質(zhì)是指有機(jī)物中除化石燃料外的所有來(lái)源于動(dòng)植物并能再生的物質(zhì)，因此，它是地球上一個(gè)巨大的能源庫(kù)[2]。據(jù)估算[3]，地球上的綠色植物儲(chǔ)存的總能量大約相當(dāng)于8×1012t標(biāo)煤，比目前地殼內(nèi)已知可供開(kāi)采的煤炭總儲(chǔ)量還多11倍。地球上綠色植物一年固定的太陽(yáng)能大約為3×1021 J，相當(dāng)于人類目前年消耗能量的6～10倍[4]。并且生物質(zhì)能對(duì)環(huán)境更友好，其儲(chǔ)量大，燃燒容易、污染少，有害成分低，更具特色的是生物質(zhì)能燃料燃燒所釋放出的CO2大體上相當(dāng)于其生長(zhǎng)時(shí)通過(guò)光合作用所吸收的CO2，所以燃用生物質(zhì)能時(shí)CO2的排放量可以認(rèn)為是零，特別是在廣大農(nóng)村和經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)，生物質(zhì)能的應(yīng)用仍占有很大的比例[5]。

2材料與方法

2.1實(shí)驗(yàn)儀器

鼓風(fēng)干燥箱、電子天平、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、恒溫恒濕培養(yǎng)箱、溫度控制儀、游標(biāo)卡尺、粉碎機(jī)、全自動(dòng)量熱儀。

2.2實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)原料含水率為7%左右的秸稈。

2.3實(shí)驗(yàn)方法

2.3.1顆粒壓制

在125 MPa壓強(qiáng)下分別在70℃和110℃壓制粒徑為6 mm、8 mm、10 mm的顆粒燃料。

2.3.2能量損耗

通過(guò)壓力傳感器，得到壓制棒壓力和位移的關(guān)系曲線圖，通過(guò)曲線圖的積分可計(jì)算出成型顆粒的能耗。其公式如下：

W=∑ni=1Fi×Si （1）

式（1）中：W為擠壓能耗或推動(dòng)能耗，J/g；

F為壓力，N；

S為位移，m。

2.3.3顆粒密度的測(cè)定

用游標(biāo)卡尺測(cè)出顆粒的長(zhǎng)L，粒徑D，計(jì)算顆粒的密度，密度公式如下：

v=4mπD2L（2）

式（2）中：m為顆粒質(zhì)量（g）；

V為顆粒體積（mm3）；

L為顆粒長(zhǎng)度（mm）；

D為顆粒直徑（mm）。

2.3.4顆粒硬度的測(cè)定

將顆粒放在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上，以1 mm/min的速度垂直向下移動(dòng)，并對(duì)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓力和位移進(jìn)行記錄，根據(jù)peng等人得出的公式[6]：

HM=FπDh-h2D2p4-[D2p2+D·Dp2-D·h-Dp·h+h2D+Dp-2h]2 （3）

式（3）中：F為力（kN）；

D為顆粒直徑（mm）；

Dp為破碎桿直徑（mm）；

h為破碎深度（mm）。

2.3.5顆粒吸水性的測(cè)定

先將顆粒放在烘干箱中105℃、24 h后稱其質(zhì)量，在將其顆粒放入恒溫恒濕保溫箱中（溫度30℃，濕度75℃）48 h后進(jìn)行稱重，吸水后和吸水前的差值即為吸收的水分，吸水性公式如下：

w=m1-m0m0×100%（2）

式（2）中：m1為吸水后質(zhì)量（g）；

M0為烘干后質(zhì)量（g）。

2.3.6顆粒熱值的測(cè)定

在試驗(yàn)過(guò)程中，首先使用苯甲酸對(duì)儀器進(jìn)行熱容量標(biāo)定，得出儀器的熱容量然后測(cè)定試樣的發(fā)熱量。再將樣品放進(jìn)坩堝中進(jìn)行測(cè)量。

3 結(jié)果與討論

能量損耗見(jiàn)表1，其積分圖見(jiàn)圖1。

由圖1可知，溫度越高，所消耗的能量越少。

朱家寶，等：不同粒徑模具的顆粒燃料成型特性研究

環(huán)境與安全

不同溫度下顆粒燃料的密度見(jiàn)圖2。由圖2可知，溫度越高密度越大，粒徑越小，密度越大。

顆粒硬度見(jiàn)圖3。

由圖3可知，溫度越高硬度越大，粒徑越小，硬度越大。

顆粒吸水性及熱值見(jiàn)表2。由表2可知粒徑對(duì)吸水影響不大，吸水性和溫度成反比，熱值幾乎沒(méi)有變化。

4結(jié)論

（1）粒徑為6 mm溫度為70℃時(shí)能量密度為35.57 J/g，而在110℃時(shí)能量密度為31.42 J/g，粒徑為8 mm

溫度為70℃時(shí)能量密度為37.09 J/g，而在110℃時(shí)能量密度為33.74 J/g粒徑為10 mm溫度為70℃時(shí)能量密度為37.67 J/g，而在110℃時(shí)能量密度為33.97 J/g，因此溫度越高能量密度越低，在其他條件相同時(shí)溫度越高能量所需要的越少。

（2）溫度越高，顆粒密度越大，粒徑越小，顆粒密度越大。所有的顆粒密度都在0.95～1.20 g/cm3之間，所以溫度和模具的粒徑對(duì)顆粒的密度影響不大。endprint

（3）溫度越高吸水性越差，粒徑對(duì)吸水性無(wú)明顯影響.

（4）溫度越高顆粒燃料的硬度越大，模具的粒徑越小，顆粒硬度越大。模具的粒徑越大時(shí)，顆粒的粒子間作用力更小，顆粒的硬度越低。

（5）溫度和模具的粒徑對(duì)熱值無(wú)明顯影響，因?yàn)樽罡邷囟葹?10℃，不會(huì)改變顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是改變顆粒的外觀形式，所以對(duì)熱值沒(méi)有明顯影響。

（6）綜合以上特性，粒徑為6 mm、溫度為110℃時(shí)條件最佳，此時(shí)的顆粒燃料硬度最大，易保存、易運(yùn)輸，同時(shí)硬度也最大，而且消耗的能量也最小。

2017年8月綠色科技第16期

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