國(guó)槐、海棠和向日葵農(nóng)林廢棄物熱壓成型工藝優(yōu)化

張穎男，張 靜，鄭德聰，吳 鍇，張秀全，楊 瑞

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

0 引言

近年來，能源問題一直受到廣大關(guān)注。化石燃料不可再生，生物質(zhì)能源成本低、數(shù)量龐大、可循環(huán)再生且燃燒產(chǎn)物中氮氧化物和硫氧化物等環(huán)境污染物相對(duì)較少，可有效緩解大氣污染問題[1]。開發(fā)利用生物質(zhì)能源來代替或減少化石能源的消耗是一條可行之路[2]。林木廢棄物作為一種可再生清潔能源，來源廣泛，但本身體積大、密度低、占地面積大，相對(duì)運(yùn)輸困難，若加工成體積小密度大的生物質(zhì)燃料，則可變廢為寶[3-5]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)檸條、玉米秸稈和杉木等農(nóng)林廢棄物固體燃料的壓縮成型進(jìn)行大量的研究，但仍有大量的生物質(zhì)資源有待開發(fā)利用[6-9]。該文以山西省2018年秋季收獲的國(guó)槐、海棠園林修剪廢棄物和向日葵秸稈為原料，研究顆粒度、含水率、溫度和壓力對(duì)3種物料熱壓成型的影響規(guī)律，采用Taguchi法對(duì)其成型工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，為農(nóng)林廢棄物能源化利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用儀器設(shè)備主要包括數(shù)顯立式油壓千斤頂(測(cè)力范圍0～200 kN)，加熱設(shè)備(由陶瓷加熱圈和溫控箱組成，溫控箱精度為0.1 ℃)，以及9F 50-50型粉碎機(jī)。其他試驗(yàn)器材包括DL91150型游標(biāo)卡尺(量程0～150 mm，分度值0.01 mm)，SY101-2型鼓風(fēng)干燥箱(分度值1 ℃)，以及CP1502型分析天平(分度值0.01 g)。

1.2試驗(yàn)方法

將國(guó)槐、海棠和向日葵秸稈物料在粉碎機(jī)中粉碎，用不同粒徑篩孔的篩子進(jìn)行篩分，分別得到0～0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2.50和2.50～5.00 mm 5個(gè)粒徑范圍的粉末。將物料粉末放置入鼓風(fēng)干燥箱中，在105 ℃的環(huán)境下放置72 h使其充分干燥。根據(jù)試驗(yàn)需要，將適量水均勻噴于原料中攪拌均勻，以獲得不同含水率的原料。

1.3成型試驗(yàn)

試驗(yàn)采用內(nèi)徑為40 mm的不銹鋼單軸圓柱形的壓縮模具，如圖1所示，成型過程不加任何添加劑[10]。在套筒外加置陶瓷加熱套筒，以控制不同成型溫度。先將一定量物料放置于套筒內(nèi)，并打開加熱套筒，用溫度探頭測(cè)量到達(dá)指定溫度后，用油壓千斤頂進(jìn)行施壓，到達(dá)設(shè)定壓力后進(jìn)行3 min的保壓操作，之后對(duì)模具施壓將成型壓塊擠出。然后將成型壓塊放置于密封良好的密封袋中進(jìn)行保存。

1.4Taguchi法

Taguchi法由日本學(xué)者田口玄一提出，是一種通過少數(shù)試驗(yàn)便能指出最佳化趨勢(shì)的試驗(yàn)方法[11]。

該方法用SN(信噪比)來衡量物料塊品質(zhì)特性，有望大特性(其品質(zhì)特性越大效果越好)、望小特性(其品質(zhì)特性越小效果越好)和望目特性(品質(zhì)特征值是一定值)3種類型計(jì)算[12]。對(duì)于生物質(zhì)固體燃料而言，密度越大越能保證其運(yùn)輸、儲(chǔ)藏與燃燒的品質(zhì)，故采用望大特性，其LTB(SN)如式(1)計(jì)算。

(1)

式中yi——第i個(gè)品質(zhì)特性(壓塊密度)

n——試驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)

比效應(yīng)值(M)水平=i因素=I，即I因素水平SN(信噪比)的平均值如式(2)計(jì)算。

(2)

式中nIi——因素I在水平i中出現(xiàn)的總次數(shù)

j——信噪比的出現(xiàn)順序

各因素對(duì)成型效果(壓塊密度)的貢獻(xiàn)率，運(yùn)用SAS對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，可得出各因素對(duì)密度的貢獻(xiàn)率，如式(3)所示[11]。

(3)

式中ρF——貢獻(xiàn)率， %

F——不同因素

SSF——總平方和

DOFF——各因素自由度

VEr——誤差方差

1.5試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)研究顆粒度、含水率、成型溫度和壓力4因素對(duì)國(guó)槐、海棠園林廢棄物和向日葵秸稈固體燃料的影響，各變量選取3個(gè)水平，按照正交表共進(jìn)行9組試驗(yàn)。由于密度是衡量生物質(zhì)固體燃料物理特性的常規(guī)測(cè)量值，反應(yīng)了固體燃料品質(zhì)的優(yōu)劣，研究?jī)H以密度作為固體燃料物理性能指標(biāo)[13]。

固體燃料壓塊為規(guī)則圓柱形且顆粒分布均勻，故其密度的計(jì)算采用質(zhì)量體積公式，如式(4)所示。每個(gè)樣品均測(cè)量3次取平均值。

(4)

式中De——壓塊密度，gcm3

d——壓塊直徑，cm

l——厚度，cm

M——壓塊質(zhì)量，g

2 結(jié)果與分析

2.1單因素試驗(yàn)分析

試驗(yàn)研究顆粒度、含水率、成型溫度和壓力因素對(duì)國(guó)槐、海棠和向日葵秸稈物料固體燃料密度的影響規(guī)律。國(guó)槐、海棠以顆粒度0.63～1.25 mm、含水率6%、溫度90 ℃和壓力90 MPa為條件，向日葵以顆粒度0.63～1.25 mm、含水率10%、溫度150 ℃和壓力90 MPa為固定條件，分別以顆粒度、含水率、溫度和壓力4因素為變量，其他3個(gè)因素不變，觀察密度變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～5所示。

圖2為顆粒度對(duì)密度的影響，觀察圖2可以得出，隨著顆粒度的增大，密度大致呈下降趨勢(shì)，顆粒度過小能耗增大且不宜成型，故物料最佳顆粒度的范圍為0.16～2.50 mm[14]。

圖3為含水率對(duì)密度的影響，觀察圖3可以得出，含水率過高或過低成型效果不佳，故國(guó)槐、海棠含水率在4%～8%，向日葵含水率在4%～10%，密度較高且相對(duì)穩(wěn)定[15]。

圖4為溫度對(duì)密度的影響，觀察圖4可以得出，在達(dá)到碳化溫度之前，密度隨溫度的升高逐漸增大，結(jié)合能耗考慮，國(guó)槐、向日葵最佳成型溫度為70～130 ℃，海棠最佳成型溫度為90～130 ℃[7]。

圖5為壓力對(duì)密度的影響，觀察圖5可以得出，國(guó)槐、海棠成型密度隨壓力的升高逐漸增大，最佳成型壓力為70～110 MPa，向日葵成型密度和壓力呈倒U曲線，故其最佳成型壓力為50～110 MPa[16]。

2.2Taguchi法優(yōu)化

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，取各因素中密度最優(yōu)參數(shù)，進(jìn)行Taguchi法優(yōu)化，結(jié)果如表1所示。

2.2.1最優(yōu)條件

表1為國(guó)槐、海棠和向日葵正交試驗(yàn)結(jié)果及信噪比，顆粒度、含水率、成型溫度和壓力4因素均根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果選取3個(gè)密度最佳水平，表中的Y1、Y2和Y3均為在密度均值上下選取，且與密度均值最為接近的3個(gè)數(shù)據(jù)，之后運(yùn)用式(1)計(jì)算出信噪比。圖6為國(guó)槐、海棠和向日葵正交試驗(yàn)成型壓塊，編號(hào)與表1中物料序號(hào)一一對(duì)應(yīng)，1、2和3壓塊顆粒度相同為0.16～0.63 mm，4、5和6壓塊為0.63～1.25 mm，7、8和9壓塊為1.25～2.50 mm，觀察可得，成型效果與信噪比基本一致，7、8和9壓塊相比1～6壓塊平整，大粒徑通過機(jī)械互鎖使其粘結(jié)程度更高。國(guó)槐、海棠的3、6和9壓塊出現(xiàn)輕微裂縫，是由于選取含水率略高所致；國(guó)槐、海棠和向日葵的1、5和9壓塊成型效果不佳，是由于成型壓力70和60 MPa過低造成的，高壓可以使物料中粘結(jié)成分從粒子中擠出，且大小粒子相互交錯(cuò)，成型效果越好。國(guó)槐、海棠的3、5和8壓塊及向日葵的2、4和9壓塊成型效果良好，其成型溫度為130 ℃和140 ℃，高溫使物料中木質(zhì)素等天然粘合物分子運(yùn)動(dòng)加劇，粘合效果更好。觀察表1可得，國(guó)槐的9組試驗(yàn)中，第7組的信噪比最大，為1.00；海棠的9組試驗(yàn)中，第7組的信噪比最大，為0.84；向日葵的9組試驗(yàn)中，第4組的信噪比最大，為0.32。

表2所示為國(guó)槐、海棠和向日葵比效應(yīng)值，其中的A、B、C和D分別表示顆粒度、含水率、溫度和壓力，由表2可得出國(guó)槐4個(gè)因素在3種水平下SN比效應(yīng)最大值分別為0.33(顆粒度0.63～1.25 mm)、0.66(含水率5%)、0.43(溫度130 ℃)和0.51(壓力100 MPa)，并以此組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，所得結(jié)果的信噪比為1.23，大于第7組的信噪比1.00。海棠的比效應(yīng)最大值分別為0.18(顆粒度0.63～1.25 mm)、0.37(含水率5%)、-0.01(溫度130 ℃)和0.15(壓力100 MPa)，并以此組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，所得結(jié)果的信噪比為0.91，大于第7組的信噪比0.84。向日葵比效應(yīng)最大值分別為-0.54(顆粒度0.16～0.63 mm)、0.02(含水率6%)、-0.30(溫度140 ℃)和-0.11(壓力120 MPa)，并以此組合進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，所得結(jié)果的信噪比為0.87，大于第4組的信噪比0.32。由此得出國(guó)槐、海棠固體燃料成型的最優(yōu)條件：顆粒度0.63～1.25 mm，含水率5%，溫度130 ℃，壓力100 MPa；向日葵固體燃料成型的最優(yōu)條件：顆粒度0.16～0.63 mm，含水率6%，溫度140 ℃，壓力120 MPa。

2.2.2各因素百分比貢獻(xiàn)率

對(duì)各因素水平下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)借助SAS軟件進(jìn)行方差分析，得出各因素對(duì)成型效果即密度大小的貢獻(xiàn)率，結(jié)果如表3所示。

表中A、B、C和D分別表示顆粒度、含水率、溫度和壓力，分析方差結(jié)果可知：除顆粒度對(duì)國(guó)槐固體燃料密度不顯著外(可能是試驗(yàn)誤差所致)，其余因素對(duì)國(guó)槐、海棠和向日葵固體成型密度均有極顯著影響。觀察各因素對(duì)成型效果即密度大小的貢獻(xiàn)率，可知含水率對(duì)國(guó)槐、海棠和向日葵固體成型密度的貢獻(xiàn)率分別為69.06%、69.15%和53.72%，遠(yuǎn)高于其他因素的貢獻(xiàn)率；壓力(18.42%、11.99%和33.27%)次之；國(guó)槐、向日葵溫度(7.54%、9.47%)較顆粒度(0.67%、2.01%)貢獻(xiàn)率高，海棠溫度(2.67%)較顆粒度(12.13%)貢獻(xiàn)率低；誤差對(duì)國(guó)槐、海棠和向日葵固體成型密度的影響較小，為4.31%、4.06%和1.53%。

表2 比效應(yīng)值

表3 方差分析

3 結(jié)論

對(duì)國(guó)槐、海棠園林廢棄物和向日葵秸稈固體燃料的熱壓成型工藝進(jìn)行研究，分析顆粒度、含水率、溫度和壓力對(duì)成型效果的影響，結(jié)論如下。

(1)國(guó)槐原料在含水率為4%～8%，溫度70～130 ℃，壓力為90～110 MPa，顆粒度0.16～1.25 mm的條件下成型密度可達(dá)到1.0 gcm3以上，成型效果較好。海棠原料在含水率4%～8%，溫度90～130 ℃，壓力90～110 MPa，顆粒度0.16～2.50 mm的條件下成型密度均在0.977 gcm3之上，成型效果良好。向日葵原料在含水率4%～10%，溫度90～150 ℃，壓力70～110 MPa，顆粒度0.16～1.25 mm的條件下成型密度較高且穩(wěn)定。

(2)國(guó)槐、海棠固體燃料成型的最優(yōu)條件：顆粒度0.63～1.25 mm，含水率5%，溫度130 ℃，壓力100 MPa，密度達(dá)到最高值1.153和1.111 gcm3。向日葵固體燃料成型的最優(yōu)條件：顆粒度0.16～0.63 mm，含水率6%，溫度140 ℃，壓力120 MPa，密度達(dá)到最高值1.108 gcm3。在各自最優(yōu)條件下，國(guó)槐壓塊密度高于海棠和向日葵壓塊密度，向日葵壓塊密度最低。根據(jù)方差分析，國(guó)槐、海棠和向日葵物料的顆粒度、含水率、溫度和壓力對(duì)固體燃料的成型均有顯著效果，且各因素對(duì)成型效果的影響率，含水率對(duì)國(guó)槐、海棠和向日葵固體成型密度的貢獻(xiàn)率分別為69.06%、69.15%和53.72%，遠(yuǎn)高于其他因素的貢獻(xiàn)率；壓力(18.42%、11.99%和33.27%)次之；國(guó)槐、向日葵溫度(7.54%、9.47%)較顆粒度(0.67%、2.01%)貢獻(xiàn)率高，海棠溫度(2.67%)較顆粒度(12.13%)貢獻(xiàn)率低。