超聲振動玉米秸稈成型燃料密度和松弛密度影響因素分析

馬 超，周桂霞，李文濤，楊 洋

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院,黑龍江 大慶 163319；2.堪薩斯州立大學(xué) 生物與農(nóng)業(yè)工程系，美國 堪薩斯州 曼哈頓 66502)

0 引言

農(nóng)作物秸稈通常松散程度高、堆積密度較低，給收集、運(yùn)輸、儲存和應(yīng)用帶來一定的困難，同時秸稈中的木質(zhì)素等高分子聚合物具有物理和化學(xué)抗降解屏障特性，在制備成型燃料時細(xì)胞壁組分很難被充分利用[1]，導(dǎo)致生物質(zhì)成型燃料的機(jī)械強(qiáng)度和能量密度偏低。傳統(tǒng)成型過程機(jī)器磨損大、能耗高，針對這一弊端，利用超聲壓縮技術(shù)可使生物質(zhì)在常溫、低壓力和無添加劑條件下，通過超聲振子的高頻振動迅速增大生物質(zhì)密度[2-4]。本文選擇玉米秸稈含水率、成型壓力和超聲波電源功率3個影響因素在超聲波輔助下成型，研究其對燃料密度和松弛密度的變化規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為玉米秸稈，用秸稈粉碎機(jī)將玉米秸稈粉碎、過篩成粒直徑為1.0～1.5 mm，利用干燥箱在105 ℃下進(jìn)行烘干24 h，加入適量蒸餾水，以干基調(diào)配其含水率為6%、8%、10%、12%和14%備用。

1.2 試驗方法

取1.5 g不同含水率的原料，裝入模具在成型壓力分別為138 kPa、207 kPa、276 kPa、345 kPa和414 kPa，超聲波電源功率為0%、20%、40%、60%和80%條件下進(jìn)行壓縮成型。成型燃料制備完成時由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄成型燃料的高度和直徑，隨機(jī)選擇3塊燃料利用數(shù)字天平分別測量其質(zhì)量，分別計算各自的成型密度，最終結(jié)果取3次密度的平均值。松弛密度為室內(nèi)常溫條件下保存24 h和48 h，然后用電子天平測量出樣品質(zhì)量，用游標(biāo)卡尺測量成型燃料的高度和直徑，通過橫截面積和高度計算體積，最后計算松弛密度，取3次平均值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 秸稈含水率對燃料密度和松弛密度的影響

圖1為不同含水率在粒徑1.0～1.5 mm、成型壓力345 kPa、超聲波電源功率40%和壓縮時間70 s條件下獲得成型燃料密度和松弛密度。由圖可見隨著玉米秸稈原料含水率的增加，密度和松弛密度呈現(xiàn)先增加后降低趨勢。含水率為6%時燃料密度最低，僅為1 159.65 kg·m-3，含水率10%時成型燃料密度最高為1 367.28 kg·m-3，比6%時的密度提高了17.9%，含水率14%時密度為1 353.00 kg·m-3，雖然密度下降，仍高于6%時的密度，可見含水率對密度的影響較大。24 h和48 h的松弛密度具有基本相同的變化規(guī)律，均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，但幅度遠(yuǎn)低于密度的變化。松弛密度在含水率10%時達(dá)到最高值，24 h和48 h的松弛密度分別為965.32 kg·m-3和936.66 kg·m-3，與密度相比分別降低了16.76%和19.23%。導(dǎo)致密度和松弛密度變化的主要原因是原料水分的差異，適宜的水分在成型過程中能起到有效的潤滑作用，減少原料粒子之間的摩擦力，增強(qiáng)粒子之間的流動性，能加強(qiáng)生物質(zhì)粒子之間的機(jī)械嵌合，同時還能與原料中的糖類混合形成膠體并起到粘合劑的作用[5-6]。

圖1 密度和松弛密度隨含水率變化曲線

2.2 成型壓力對燃料密度和松弛密度的影響

圖2為不同成型壓力在粒徑1.0～1.5 mm、含水率為10%、超聲波電源功率40%和壓縮時間70 s條件下獲得成型燃料密度和松弛密度。由圖可見，成型燃料的密度和松弛密度均隨著成型壓力的提高而增加，燃料密度在138～276 kPa增加速度較快，從1 047.23 kg·m-3增加到1 244.67 kg·m-3，提高了18.85%，而后期緩慢增加，414 kPa時密度為1 280.47 kg·m-3，比345 kPa時的密度僅提高了0.18%，說明達(dá)到一定限度后，再增加更大壓力也難以有效提高成型燃料的密度。松弛密度隨壓力的增加幅度小于密度值，最大壓力時24 h的松弛密度為1 027.17 kg·m-3，48 h的松弛密度為975.44 kg·m-3，可見壓力越大，24 h和48 h的松弛密度差值也就越大，可能是由于超聲輔助制備燃料過程中無保壓環(huán)節(jié)，壓力越大導(dǎo)致燃料內(nèi)部的應(yīng)力也就越大，彈性變形越強(qiáng)，需要較長時間消除內(nèi)應(yīng)力[7]。

圖2 密度和松弛密度隨成型壓力變化曲線

2.3 超聲波電源功率對燃料密度和松弛密度的影響

圖3為不同超聲波電源功率在粒徑1.0～1.5 mm、成型壓力345 kPa、含水率10%和壓縮時間90 s條件下獲得成型燃料的密度和松弛密度。由圖可知隨著超聲波電源功率的增加，燃料密度和松弛密度均不斷提高，超聲波電源功率為0%即無超聲波輔助時，燃料密度和24 h 、48 h松弛密度最低，分別為978.69 kg·m-3、642.50 kg·m-3和639.22 kg·m-3，超聲波電源功率從0%到40%，密度和松弛密度幾乎呈線性增加趨勢，超聲波電源功率40%時密度和松弛密度分別為1 345.44 kg·m-3、1 006.86 kg·m-3和956.65 kg·m-3，與0%相比提高了37.47%、56.71%和49.66%，從40%至60%增加速度有所降低，當(dāng)超聲波電源功率達(dá)到80%時，壓縮過程中燃料出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象[8]，如圖4所示，中心部分炭化不能成型。

圖4 成型燃料

3 結(jié)論

本文研究了在超聲輔助成型過程中，原料含水率、成型壓力和超聲波電源功率對成型燃料密度和松弛密度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著原料含水率的增加，燃料的密度和松弛密度先增加后逐漸減?。浑S著成型壓力和超聲波電源功率的增加，燃料的密度和松弛密度逐漸增加，但超聲波電源功率過大時燃料內(nèi)部易炭化。

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