基于固定密度的煙稈顆粒壓縮特性研究

符德龍，孟 輝，張富貴2，，張 龍2，，陳 雪

(1.貴州省煙草公司畢節(jié)市公司，貴州 畢節(jié) 551700；2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學(xué)現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025)

0 引言

煙草是我國最重要的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)作物之一，其種植面積和產(chǎn)量均居世界首位，煙草種植及其產(chǎn)品加工在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著十分重要的作用[1]。我國煙草資源分布廣泛，河南、山東、云南、甘肅、貴州、湖南六省是我國重要的烤煙產(chǎn)地。其中云南、貴州、河南和湖南省的種植面積最大、產(chǎn)量最高[2]。作為煙草種植生產(chǎn)大國，我國每年煙草種植面積達(dá)1 500萬畝，生產(chǎn)煙葉450～500萬噸，產(chǎn)生的煙稈資源可達(dá)290多萬噸[3]。煙稈作為煙葉收獲后的主要副產(chǎn)品，是一種寶貴的可再生生物質(zhì)資源[2]，在生產(chǎn)生活中有著十分重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。比如煙稈可用于制備生物質(zhì)燃料，也可用于制備乙醇，或是生產(chǎn)沼氣；煙稈也可用于制取有機(jī)肥，其中含有N、K、P等各種礦物元素，以及較高的纖維素和木質(zhì)素，可作為土壤腐殖質(zhì)的重要來源；煙稈也可用于制備活性炭，也可用于提取煙堿、果膠、蛋白質(zhì)等；煙稈也可用于制造纖維板和造紙[2]；同時(shí)，煙稈也可用于食用菌的培養(yǎng)基質(zhì)，替代常規(guī)的棉籽殼、稻草材料[4-11]。由此可以看出，煙稈資源的應(yīng)用前景十分廣泛[2]，其潛力價(jià)值巨大。

但通過對(duì)煙稈材料的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)組成分析發(fā)現(xiàn)，由于煙稈本身材質(zhì)較為松散中空且容積密度小，且在存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中需占用較大的空間，造成煙稈收儲(chǔ)運(yùn)成本增加，嚴(yán)重制約煙稈的資源化利用。為此，在工程上通常采用先粉碎后壓縮的方式來解決[2]。通過查閱大量秸稈壓縮成型文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用壓縮設(shè)備對(duì)秸稈壓縮預(yù)處理時(shí)，壓縮塊的壓縮特性是受粉碎顆粒粒度大小、喂入量、壓縮速度、含水率、壓縮頻率以及振動(dòng)等多種因素的影響，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外許多學(xué)者的試驗(yàn)對(duì)象多為牧草、小麥、玉米、棉稈等物料[2]，對(duì)煙稈物料的壓縮試驗(yàn)尚未在文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)[12-18]，煙稈物料的壓縮特性尚需試驗(yàn)分析和研究來確定。

本課題組在綜合分析了影響煙稈壓縮成型的各種因素后，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有壓縮試驗(yàn)設(shè)備，自行設(shè)計(jì)煙稈壓縮模具，針對(duì)煙稈顆粒粒度大小、喂入量和成型壓力三個(gè)試驗(yàn)因素進(jìn)行了壓縮特性試驗(yàn)研究[2]，并最終確定當(dāng)煙稈顆粒的壓縮密度為500 kg/m3時(shí)，壓縮成型效果較好，基本達(dá)到客戶要求，且能夠滿足儲(chǔ)運(yùn)條件[2]。為保證煙稈顆粒壓縮成型設(shè)備設(shè)計(jì)的參數(shù)合理性，為此，基于壓縮密度500 kg/m3下針對(duì)煙稈顆粒的喂入量與成型壓力之間的關(guān)系，進(jìn)行了煙稈顆粒的壓縮特性試驗(yàn)，探究分析在壓縮密度為500 kg/m3時(shí)，喂入量和成型壓力對(duì)煙稈顆粒壓縮成型及成型塊品質(zhì)規(guī)律的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本試驗(yàn)煙稈均采自貴州省畢節(jié)市威寧縣煙草植煙地，經(jīng)自然風(fēng)干后，含水率保持在30%左右[19-20]。之后采用河南一科重工生產(chǎn)的9Z-5.0型鍘草機(jī)粉碎，煙稈顆粒長度在0-30 mm之間，最后將粉碎好的試驗(yàn)材料密封于黑色塑料袋內(nèi)并置于陰涼處，以備試驗(yàn)使用。

壓縮試驗(yàn)采用鄭州鑫和機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的DLB-100型硫化機(jī)(如圖1所示)，工作臺(tái)的面積大小為600 mm×600 mm，柱塞直徑300 mm，柱塞行程500 mm，工作壓力100 T；壓力表采用宜興市雙華儀表有限公司生產(chǎn)的電接點(diǎn)壓力表，該壓力表可通過紅色指針調(diào)節(jié)上限壓力大小，以此控制調(diào)整試驗(yàn)中壓力的范圍；計(jì)時(shí)器采用欣靈電氣股份公司生產(chǎn)的HHS11(JS11S)型數(shù)顯時(shí)間繼電器，可用于設(shè)置保壓時(shí)間[2]。

試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的鋼制方形模具，主要包括模具成型腔和壓縮推板兩部分組成，通過查找文獻(xiàn)[19]資料和結(jié)合目前已有壓縮打包機(jī)現(xiàn)有截面尺寸，成型腔內(nèi)截面尺寸取300 mm×300 mm，高度為300 mm，壁厚20 mm，具體實(shí)物如圖2所示[20]。

1.2 試驗(yàn)方案及過程

1.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過文獻(xiàn)資料和前期的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，壓縮密度是評(píng)價(jià)成型塊物理特性的重要宏觀參數(shù)，基于本課題組的前兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論，可以初步確定煙稈顆粒的壓縮密度為500 kg/m3時(shí)，其壓縮成型效果較好，基本達(dá)到客戶的要求，同時(shí)也能夠滿足煙稈的儲(chǔ)運(yùn)條件。但通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓縮密度受喂入量、成型壓力、粒度大小等多種因素影響，為此，基于壓縮密度500 kg/m3下，又對(duì)喂入量及成型壓力進(jìn)行了煙稈顆粒的壓縮成型試驗(yàn)，分析在同等壓縮密度下喂入量與成型壓力之間的關(guān)系[19]。煙稈的喂入量試驗(yàn)水平如表1。

表1 試驗(yàn)因素和水平表

1.2.2 試驗(yàn)過程

煙稈壓縮成型試驗(yàn)安排在常溫條件下進(jìn)行，試驗(yàn)材料為直接粉碎后的煙稈顆粒，其粒度大小為0～30 mm，含水率保持在30%左右，壓縮速度約為300 mm/min，柱塞提供最大壓縮力100 T。分別以喂入量1、1.5、2、2.5、3、3.5和4 kg進(jìn)行壓縮成型試驗(yàn)，當(dāng)煙稈壓縮成型達(dá)到壓縮密度500 kg/m3時(shí)，依次記錄此時(shí)的成型壓力，壓縮成型塊出模后，先將其置于通風(fēng)空曠平整處，經(jīng)36 h應(yīng)力松弛后，再測(cè)量一次壓縮塊的高度h1。煙稈顆粒壓縮試驗(yàn)時(shí)，每次都從自然蓬松狀態(tài)下開始，相同壓縮條件下，同等試驗(yàn)因素水平下試驗(yàn)重復(fù)3次，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果求平均值[2，20]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基于500 kg/m3下煙稈顆粒喂入量與成型壓力之間關(guān)系的分析

本次壓縮試驗(yàn)在保持煙稈壓縮成型密度為500 kg/m3的條件下，就喂入量和成型壓力之間的關(guān)系對(duì)煙稈進(jìn)行了壓縮成型試驗(yàn)研究[2]，試驗(yàn)后試樣如圖3所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作曲線如圖4所示，通過對(duì)曲線觀察分析發(fā)現(xiàn)，隨著喂入量的增加，壓縮塊所需的成型壓力或增或減，沒有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但是所有的成型壓力都限定于5 MPa和7 MPa之間。由此可以說明，在基于相同壓縮密度500 kg/m3下，壓縮成型壓力可能存在一個(gè)最小成型壓力5 MPa和最大成型壓力7 MPa，同時(shí)也說明了，喂入量與成型壓力之間的數(shù)學(xué)關(guān)系不顯著，兩者的關(guān)聯(lián)性較差[2]。

2.2 基于煙稈顆粒壓縮密度500 kg/m3下成型塊物理特性分析

從表2可以看出，盡管使所有壓縮塊都保持相同壓縮密度500 kg/m3和同等保壓時(shí)間下，但是隨著煙稈喂入量的不斷增加，壓縮塊的松弛密度逐漸減小，松弛比逐漸增大。這說明，喂入量的增加雖然對(duì)煙稈顆粒的成型壓力影響不明顯，但會(huì)使出模后的壓縮塊物理特性變差，使壓縮塊在出模后反彈程度增大，這將嚴(yán)重影響壓縮塊的儲(chǔ)運(yùn)。經(jīng)分析，出現(xiàn)該情況的主要原因可能是由于隨著喂入量的增加，壓力主要用于克服煙稈顆粒間的空隙，沒有形成煙稈顆粒間的持續(xù)聯(lián)接，而當(dāng)壓縮塊出模后，沒有了壓力的束縛，加之空氣中水分的潮解，使煙稈壓縮塊內(nèi)殘余應(yīng)力得到完全釋放，從而出現(xiàn)壓縮塊松弛程度增大，甚至垮塌的現(xiàn)象。基于這一問題，查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，可以通過保壓處理來消除或是減小壓縮塊內(nèi)殘余應(yīng)力，也可在壓縮過程中使用生物粘合劑提高煙稈間的粘結(jié)性，促進(jìn)壓縮塊壓縮成型，減少出模后壓縮塊的反彈，同時(shí)也可以采用打捆或是打包的方式來對(duì)壓縮塊進(jìn)行約束，同樣可以有效減小殘余應(yīng)力對(duì)壓縮塊的作用效應(yīng)[2]。

表2 基于500kg/m3下的壓縮成型塊的物理特性[2]

3 結(jié)語

本文以基于滿足成型要求的500 kg/m3壓縮密度作為試驗(yàn)條件，分析了在該密度下喂入量與成型壓力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)：

1)煙稈壓縮的成型壓力并不隨煙稈喂入量的增加而表現(xiàn)出一定的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)規(guī)律性，即喂入量與成型壓力之間的關(guān)系不顯著[2]，但成型壓力總限定在5～7 MPa之間。

2)隨煙稈喂入量的增加，壓縮塊松弛密度逐漸減小，松弛比逐漸增大，即喂入量的增加會(huì)造成壓縮塊的物理特性變差，將嚴(yán)重影響壓縮塊的儲(chǔ)運(yùn)。

3)針對(duì)壓縮塊的物理特性變差的問題，可考慮通過保壓和捆扎的方式來消除或減小壓縮塊內(nèi)的殘余的應(yīng)力，也可通過增加粘結(jié)劑提升煙稈間的粘結(jié)力。