白皮松固體燃料成型參數(shù)優(yōu)化及燃燒特性研究

摘要：以白皮松園林修剪廢棄物為原料制成固體燃料，采用響應(yīng)面法對(duì)其物理特性進(jìn)行多因素試驗(yàn)研究，分析原料含水率、溫度及成型壓力三因素交互作用對(duì)固體燃料密度、耐久性、抗跌碎性的影響規(guī)律；應(yīng)用馬氏距離法對(duì)燃料的密度、耐久性和抗跌碎性進(jìn)行響應(yīng)優(yōu)化，并采用同步熱分析儀分析白皮松燃燒特性。結(jié)果表明：在含水率6.5%～10%、溫度70～100℃、壓力100～130 MPa范圍內(nèi)燃料密度、耐久性、抗跌碎性達(dá)到1.01 g/cm3、95%、98%以上，在含水率6.9%、溫度84.5℃、壓力130 MPa時(shí)為最佳成型參數(shù)組合；試驗(yàn)驗(yàn)證在此條件下成型的燃料密度、耐久性、抗跌碎性分別達(dá)到1.15g/cm3、98.5%和99.7%。樣品在10、20、30K/min升溫速率條件下綜合燃燒特性指數(shù)分別為0.45、2.18、13.26×10？K3/min2，即隨升溫速率的增大而增大。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；成型；物理性能；燃燒特性；馬氏距離法

中圖分類號(hào)：S216.2;TK6文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

白皮松為松科松屬喬木，耐旱、耐瘠、耐寒1，在中國(guó)中部、中南部和西部地區(qū)廣泛種植2]，主要用作園林景觀或家具建材，其修剪和加工后的大量樹(shù)枝、木塊、鋸屑等均未被合理利用3，將這些廢棄物加工為高品質(zhì)的固體燃料是一條高效無(wú)害化的利用途徑。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水稻麩皮、甘蔗渣、玉米秸稈、麻瘋樹(shù)油籽粒等農(nóng)林廢棄物固體燃料進(jìn)行了物理特性和燃燒特性等方面的研究[4-8]。Stasiak等9發(fā)現(xiàn)松木屑與小麥秸稈、油菜秸稈混合后，固體燃料密度均隨秸稈比例的增加而降低，松木屑與油菜秸稈混合燃料的耐久性和抗跌碎性更高。戴偉等[10應(yīng)用滿意度函數(shù)法對(duì)油松固體燃料進(jìn)行了密度、耐久性和抗跌碎性的響應(yīng)優(yōu)化分析。盛晨緒等11以焦油為添加劑，應(yīng)用響應(yīng)面方法研究了混料水分、成型壓力、焦油添加量三因素對(duì)玉米秸稈炭物理性能的影響。

目前，白皮松廢棄物作為生物質(zhì)固體燃料的研究鮮有報(bào)道，其成型工藝參數(shù)設(shè)計(jì)缺乏理論依據(jù)。本文針對(duì)白皮松廢棄物固體燃料成型工藝參數(shù)對(duì)燃料物理特性的影響進(jìn)行研究，優(yōu)化其固體燃料成型工藝參數(shù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所需白皮松原料取自山西省太原市，經(jīng)風(fēng)干后用睿核TQ-1000Y粉碎機(jī)（永康市天祺盛世工貿(mào)有限公司）粉碎篩出粒徑為0.16～0.63 mm的顆粒，置于SY101-2干燥箱（天津市三水科學(xué)儀器有公司）內(nèi)105 ℃烘干至恒重備用。將烘干后的白皮松顆粒裝入自封袋中滴加定量水分調(diào)制不同的含水率，均勻混合后填充進(jìn)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)自研成型模具中于YP-20TB油壓式粉末壓片機(jī)（鶴壁市利鑫儀器儀表有限公司）內(nèi)升至設(shè)定溫度并以特定壓力壓制成型。白皮松原料的工業(yè)分析、元素分析和熱值結(jié)果如表1所示。

1.2測(cè)試方法

物理特性是生物質(zhì)固體燃料最重要的品質(zhì)特性，燃料須能承受加工、運(yùn)輸、存儲(chǔ)和燃燒過(guò)程中的破壞載荷、摩擦、跌落。依據(jù)歐盟CEN/T S15210-2[12]和ASTM D 440-8613標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量密度、耐久性、抗跌碎性3個(gè)特征值并作為衡量固體成型燃料物理特性的指標(biāo)。所有指標(biāo)測(cè)量均在試驗(yàn)結(jié)束的1周內(nèi)進(jìn)行，其中耐久性和抗跌碎性兩個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)量3次，取其平均值。

采用STA 449 F3 Jupiter型同步熱分析儀（德國(guó)耐馳）進(jìn)行白皮松的燃燒試驗(yàn)。反應(yīng)氣氛為空氣，流速為40 mL/min，由室溫升至1150℃，升溫速率分別為10、20、30 K/min，用NETZSCH-Proteus-6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用響應(yīng)面法對(duì)白皮松廢棄物固體燃料物理特性進(jìn)行多因素分析。選用Central Composite方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共進(jìn)行20組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)10個(gè)樣本。通過(guò)對(duì)白皮松顆粒成型預(yù)試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)原料含水率、溫度、成型壓力以及顆粒度均對(duì)固體燃料物理特性有較大影響，由于顆粒度的影響具有單調(diào)性，且為范圍值不適用于響應(yīng)面優(yōu)化，故確定其中3個(gè)因子的范圍分別為含水率（%）[5，13]、溫度（℃）[70，130]、壓力（MPa）[70，130]，α均為1.68179。由于密度、耐久性、抗跌碎性3個(gè)響應(yīng)值量綱不同，為消除量綱對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響并提高馬氏距離法的運(yùn)算精度，對(duì)各響應(yīng)特征值進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理[14]，選取區(qū)間長(zhǎng)度為1的歸一化處理方程（式（1））對(duì)3個(gè)響應(yīng)值進(jìn)行歸一化處理。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及處理后的響應(yīng)結(jié)果如表2所示。

式中：Y——?dú)w一化后的響應(yīng)值；yi——第i個(gè)響應(yīng)中的第j個(gè)值；Yix——第i個(gè)響應(yīng)中的最大值；Yi——第i個(gè)響應(yīng)中的最小值。

1.4優(yōu)化方法

馬氏距離法是通過(guò)響應(yīng)的估計(jì)值與其協(xié)方差之間的距離函數(shù)來(lái)衡量響應(yīng)與目標(biāo)值之間偏差的方法。將馬氏距離函數(shù)最小化可用于解決多響應(yīng)優(yōu)化問(wèn)題，獲得最佳工藝條件。其中可控變量（X）為設(shè)計(jì)者自由設(shè)定的參數(shù)，參數(shù)最優(yōu)值的決定是設(shè)計(jì)者的主要職責(zé)，不可控變量（Z）是試驗(yàn)無(wú)法確定的因素，因?yàn)橐蛩刈兓茈y控制，其數(shù)值大小受環(huán)境影響[15-16]。假設(shè)需要研究的問(wèn)題共有m個(gè)輸出響應(yīng)，每組試驗(yàn)共做3次，一共做n次試驗(yàn)，則第i個(gè)響應(yīng)所得到的回歸方程為：

式中：y;——第i個(gè)響應(yīng)的響應(yīng)值；X？——n×p的矩陣，其中p=（k+1）（k-1）/2;β——回歸系數(shù)的列向量；ε;——y;的隨機(jī)誤差。

從而得到y(tǒng);的二階擬合回歸方程為：

式中：z'（X）=（1，x，x？，…，x，x2，x2，…，x2，x？X？，X？X？…，x-1x）;β;——β;的最小二乘估算值，β=（X1x）-1X1y;。

由此得出y：（X）與y;（X）的協(xié)方差為：

響應(yīng)數(shù)據(jù)的方差-協(xié)方差為：

隨機(jī)誤差的協(xié)方差矩陣為Z，σ，為協(xié)方差矩陣主對(duì)角線上的因素，因此協(xié)方差矩陣的無(wú)偏估計(jì)可進(jìn)一步表示為：

式中：Y=（y？，y？，…，ym）。

因此，可得到協(xié)方差矩陣的無(wú)偏估計(jì)值y（x）如式（7）所示，由式（7）可得出y（x）=[v？（x），y？（x），…，9m（x）]。

馬氏距離法是將響應(yīng)點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)映射到多維空間中，計(jì)算兩點(diǎn)之間的距離，當(dāng)這段距離最小時(shí)，響應(yīng)輸出便達(dá)到最優(yōu)值。單獨(dú)處理不同的響應(yīng)可得到每個(gè)響應(yīng)的最優(yōu)值（用θ：表示），然后把全部響應(yīng)最優(yōu)值統(tǒng)計(jì)成一個(gè)矩陣，即θ=（θ？，0？，…，0m）T。

馬氏距離法函數(shù)的表達(dá)式為：

式（8）所表示的就是多個(gè)響應(yīng)點(diǎn)與最優(yōu)點(diǎn)的距離，求解出該式最小值p[y（x），0].，便可解決多響應(yīng)優(yōu)化問(wèn)題。

1.5綜合燃燒特性指數(shù)

定義DTG曲線上對(duì)應(yīng)失重速率為0.1 mg/min的點(diǎn)所在的溫度為著火溫度7，記作T;燃盡階段失重率在-0.1%/min時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度為燃盡溫度18]，記作T？。綜合燃燒特性指數(shù)反映燃料的著火和燃盡性能，S值越大，說(shuō)明燃料的綜合燃燒性能越好，其計(jì)算方式為：

式中：（dmldt）——最大燃燒速率，mg/min;（dm/dt）_—平均燃燒速率，mg/min;T——著火溫度，℃;T——燃盡溫度，℃。

其中平均燃燒速率（dm/dt）的計(jì)算方法為：

式中：γ——熱重實(shí)驗(yàn)的升溫速率，K/min;m：——著火溫度所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，mg;m？——燃盡溫度所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量，mg。

2結(jié)果與分析

2.1響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面法試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，密度的變化范圍為0.731～1.181 g/cm3，耐久性的變化范圍為84.93%～98.96%，抗跌碎性的變化范圍為87.39%～99.58%。在所有試驗(yàn)組中，除序號(hào)為1、8和15組外，其余所有試樣均組織致密，輪廓清晰。序號(hào)為1、8和15組個(gè)別試樣出現(xiàn)裂紋，其中序號(hào)為1組的試驗(yàn)條件含水率、溫度、壓力分別為13%、130 ℃、70 MPa，可能是由于溫度和含水率都偏高，導(dǎo)致水分快速蒸發(fā)而無(wú)法溢出，在燃料內(nèi)部形成較高的應(yīng)力且成型壓力較低，在脫模后燃料崩裂；序號(hào)為8組的試驗(yàn)條件含水率、溫度、壓力分別為9%、150.45 ℃、100 MPa，導(dǎo)致燃料出現(xiàn)裂紋的原因可能是溫度較高使固體燃料脆性升高；序號(hào)為15組的試驗(yàn)條件含水率、溫度、壓力分別為15.73%、100 ℃、100 MPa，可能是由于含水率過(guò)高顆粒間粘結(jié)效果不佳造成的，其物理性能分別為0.731 g/cm3、88.66%和98.81%，其密度在所有試驗(yàn)組中最低，耐久性和抗跌碎性在所有組別中均較低。

2.2方差結(jié)果分析

應(yīng)用Minitab 21軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，剔除不顯著項(xiàng)后進(jìn)行二次項(xiàng)回歸分析，建立各變量與響應(yīng)函數(shù)-密度、耐久性和抗跌碎性之間的多元線性回歸模型，如式（11）～式（13）所示。

式中：η——固體燃料密度，g/cm3;ψ——耐久性，%;X——抗跌碎性，%;A、B、C——編碼單位，分別代表白皮松顆粒的含水率、溫度和壓力。

各響應(yīng)模型情況匯總結(jié)果如表3所示，其中各響應(yīng)的R2、調(diào)整R2和預(yù)測(cè)R2均大于0.9且接近于1，因此式（11）～式（13）作為白皮松固體燃料物理性能的預(yù)測(cè)模型均具有較高的擬合優(yōu)度。

Minitab軟件方差分析結(jié)果顯示，含水率和壓力對(duì)白皮松固體燃料的密度有極其顯著的影響（Plt;0.0001），溫度、含水率與壓力的相互作用、溫度與壓力的相互作用對(duì)密度有顯著影響（Plt;0.05）。含水率和壓力對(duì)白皮松廢棄物固體燃料的耐久性有極其顯著的影響（Plt;0.0001），溫度、含水率與溫度的相互作用、溫度與壓力的相互作用對(duì)耐久性有顯著影響（Plt;0.05）。溫度對(duì)白皮松廢棄物固體燃料的抗跌碎性有極其顯著的影響（Plt;0.0001），含水率、壓力、含水率與溫度的相互作用、含水率與壓力的相互作用、溫度與壓力的相互作用對(duì)抗跌碎性有顯著影響（Plt;0.05）。其余因素對(duì)白皮松廢棄物的3個(gè)物理性能均無(wú)顯著影響。

2.3各因素交互作用分析

在模型交叉項(xiàng)中有AC、BC為密度的顯著影響項(xiàng)，AB、BC為耐久性的顯著影響項(xiàng)，AB、AC、BC為抗跌碎性的顯著影響項(xiàng)。由式（9）～式（11）利用Origin繪制各因素交互作用對(duì)燃料密度、耐久性和抗跌碎性影響的等值線圖，如圖1所示。

2.3.1密度

由表2中心組合設(shè)計(jì)及物理性能測(cè)試結(jié)果，以相同水平下的密度均值為研究對(duì)象，當(dāng)含水率由5%升至13%時(shí)，密度下降了3.78%、9.38%和23.13%;當(dāng)溫度由70℃升至130℃時(shí)，密度下降了6.91%、4.97%和7.95%;當(dāng)成型壓力由70 MPa升至130 MPa時(shí)，密度升高了-1.47%、6.07%和7.54%。由圖1a和圖1b可見(jiàn)，同等壓力下含水率和溫度的升高都會(huì)導(dǎo)致燃料密度的下降，燃料密度在壓力130 MPa時(shí)達(dá)到最高點(diǎn)。圖1a中密度等值線梯度較大，表明壓力對(duì)燃料密度的貢獻(xiàn)率小于含水率，而要達(dá)到同等的密度，壓力的增量需遠(yuǎn)大于含水率。圖1b中密度等值線梯度較小，表明壓力對(duì)燃料密度的貢獻(xiàn)率大于溫度，要保持密度不變，壓力的增量需明顯低于溫度。這是因?yàn)闇囟鹊纳邥?huì)使原料水分蒸發(fā)，增大了模具內(nèi)部壓力，使成型困難，需要更大的成型壓力。當(dāng)含水率為5%～9%、溫度為70～100 ℃、壓力為85～130 MPa時(shí)，燃料密度≥1.01 g/cm3。

2.3.2耐久性

以相同水平下的耐久性均值為研究對(duì)象，當(dāng)含水率由5%升至13%時(shí)，耐久性升高了9.87%、15.24%和12.52%;當(dāng)溫度由70℃升至130 ℃時(shí)，耐久性下降了4.4%、2.78%和3.36%;當(dāng)成型壓力由70 MPa升至130 MPa時(shí)，耐久性下降了3.2%、1.05%和1.46%。由圖1c和圖1d可見(jiàn)，當(dāng)含水率范圍為8%～11.5%時(shí)，成型燃料具有較好的耐久性（均在97%以上）。圖1c中耐久性等值線呈兩極化，高含水率和低含水率時(shí)燃料耐久性均不理想。這是因?yàn)樵蟽?nèi)水分能在一定溫度下促進(jìn)木質(zhì)素軟化，提高了粘結(jié)性[19]，并且水分也能作為潤(rùn)滑劑和粘結(jié)劑增強(qiáng)顆粒間流動(dòng)性，形成氫鍵，促進(jìn)粒子間嚙合。含水率較低時(shí)，成型燃料也會(huì)吸收環(huán)境水分使燃料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，更易出現(xiàn)破損[20]。而當(dāng)含水率過(guò)高時(shí)，由于壓力和溫度作用使多余水分被擠出或被蒸發(fā)，分布于粒子層間阻礙粒子貼合，且在成型后會(huì)因燃料內(nèi)部全水分過(guò)大與環(huán)境濕度不平衡，造成水分流失，破壞了燃料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，只有適中的含水率才能在燃料成型過(guò)程中起到正向作用，使燃料緊密結(jié)合。圖1d中溫度和壓力交互作用，在高溫高壓下燃料能有較好的耐久性，這是由于在高溫下有利于原料內(nèi)粘性物質(zhì)發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變提高粘結(jié)特性。而在120～130 MPa時(shí)，即使低溫也能有較好的耐久性，這是因?yàn)樵趬壕o段高壓作用下白皮松顆粒內(nèi)粘性物質(zhì)被進(jìn)一步壓出，顆粒間化學(xué)鍵加強(qiáng)結(jié)合得更加緊密[21]，在脫模后能保持很好的耐久性。當(dāng)含水率為6.5%～13%、溫度為70～100℃、壓力為70～130 MPa時(shí)，燃料耐久性≥95%。

2.3.3抗跌碎性

以相同水平下的抗跌碎性均值為研究對(duì)象，當(dāng)含水率由5%升至13%時(shí)，抗跌碎性降低了2.24%、2.59%和3.23%;當(dāng)溫度由70 ℃升至130 ℃時(shí)，抗跌碎性升高了3.21%、2.85%和-0.99%;當(dāng)成型壓力由70 MPa升至130 MPa時(shí)，抗跌碎性下降了2.16%、1.55%和1.3%。

由圖1e、圖1f和圖1g可見(jiàn)，當(dāng)溫度范圍為70～100 ℃時(shí)，成型燃料具有較好的抗跌碎性（gt;98%）;在高溫高含水率時(shí)，成型燃料的抗跌碎性較差。圖1e中抗跌碎性隨溫度的升高和含水率的增加而降低，這是因?yàn)樵诔尚瓦^(guò)程中過(guò)高的含水率在高溫作用下迅速汽化，形成較大壓差在脫模時(shí)會(huì)使燃料開(kāi)裂，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象危及生產(chǎn)安全。圖1f中抗跌碎性隨含水率的增加和壓力的降低而減小，在高壓作用下較高的含水率才能增強(qiáng)燃料韌性，但壓力較低時(shí)要保持較高的抗跌碎性則需降低含水率。圖1g中高抗跌碎性集中在溫度小于100 ℃的范圍內(nèi)，且隨壓力的升高抗跌碎性也升高，因?yàn)樵趬毫ψ饔孟氯剂蟽?nèi)部粘結(jié)性增強(qiáng)，而在高溫作用下燃料表面脆性增強(qiáng)，在跌落測(cè)試中更易發(fā)生脆裂。當(dāng)含水率為5%～9%、溫度為70～100℃、壓力為100～130 MPa時(shí)，燃料抗跌碎性≥98%。

綜合上述分析，為確保白皮松固體燃料有較好的物理性能，即密度≥1.01 g/cm3，耐久性≥95%，抗跌碎性≥98%，各成型參數(shù)范圍應(yīng)為含水率6.5%～10%、溫度70～100℃、壓力100～130 MPa。

2.4成型工藝優(yōu)化

2.4.1優(yōu)化計(jì)算

響應(yīng)設(shè)計(jì)的回歸方程Y=X？β+ε中X？為：

式中：In——20×20的單位矩陣；N=20;P=10。

隨機(jī)誤差的協(xié)方差矩陣的無(wú)偏估計(jì)為：

將式（17）和式（18）代入式（16）中，得到：

將式（20）代入式（7）可得var[y（x）]3×3。

因素單獨(dú)優(yōu)化時(shí)，密度耐久性、抗跌碎性最優(yōu)值θ為：

將θ值代入式（8）中，依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定含水率（%）、溫度（℃）、壓力（MPa）范圍分別為[5，13]、[70，130]、[70，130]，運(yùn)用Matlab進(jìn)行運(yùn)算，得出密度、耐久性和抗跌碎性響應(yīng)互相協(xié)調(diào)后的最優(yōu)解為x？=6.9、x？=84.5、x？=130，即含水率為6.9%、溫度為84.5 ℃、壓力為130.0 MPa。

2.4.2驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性，以馬氏距離法得到的優(yōu)化結(jié)果（含水率6.9%、溫度84.5 ℃、壓力130 MPa）為試驗(yàn)條件重復(fù)進(jìn)行5次試驗(yàn)，取平均值，得到密度為1.15 g/cm3、耐久性為98.5%、抗跌碎性為99.7%，而相應(yīng)的模型預(yù)測(cè)值分別為1.14 g/cm3、96.78%和98.82%，密度、耐久性、抗跌碎性3個(gè)響應(yīng)與模型預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差分別為0.877%、1.777%和0.891%。模型預(yù)測(cè)值和測(cè)量數(shù)據(jù)吻合良好，顯示出馬氏距離法所構(gòu)建模型的有效性。

3燃燒特性

3.1熱重曲線分析

燃燒特性是衡量白皮松能否作為燃料的重要特性。圖2為白皮松燃料在升溫速率分別為10、20、30 K/min時(shí)的燃燒TG和DTG曲線。白皮松燃料的燃燒經(jīng)歷了水分蒸發(fā)干燥階段、揮發(fā)分析出燃燒階段、固定碳燃燒階段以及灰渣燃盡階段。由圖2和表4可知，隨著升溫速率的增大，白皮松的著火溫度向溫降方向偏移，最大燃燒速率溫度向溫升方向偏移，燃盡溫度向溫升方向偏移。這是因?yàn)樯郎厮俾瘦^高時(shí)，傳熱效率較低導(dǎo)致半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的熱解反應(yīng)不均勻，揮發(fā)分釋放緩慢[22]。

在揮發(fā)分析出燃燒階段和固定碳燃燒階段，3種升溫速率的失重率分別為72.81%、74.39%和74.40%。10 K/min和20 K/min升溫速率下，白皮松除最大失重峰外無(wú)明顯燃燒峰，具有與煤燃燒曲線類似的單峰分布特性。但與煤不同的是白皮松的燃燒峰位于揮發(fā)分析出燃燒階段，而煤處于固定碳燃燒階段，且白皮松燃燒峰的峰寬較窄，之后又有一段較為平穩(wěn)的緩速燃燒階段。這是因?yàn)榘灼に芍械陌肜w維素和纖維素在短期內(nèi)共同熱解析出揮發(fā)分，而木質(zhì)素的熱解炭化過(guò)程反應(yīng)速率較慢[23]，同時(shí)揮發(fā)分包裹了固定碳使其無(wú)法接觸氧氣，造成了燃燒反應(yīng)的滯后。

3.2燃燒特性

3種升溫速率下白皮松燃燒特性指數(shù)結(jié)果如表4所示。半纖維素、纖維素和木質(zhì)素的熱解溫度范圍分別為150～350℃、275～350℃和250～500 ℃23]。由表4可知，3種升溫速率下白皮松的著火溫度均在生物質(zhì)組分熱解溫度范圍內(nèi)，3種組分的熱解過(guò)程相互疊加。隨著升溫速率的增大，白皮松的最大燃燒速率由0.7 mg/min增至6.55 mg/min，平均燃燒速率由0.18 mg/min增至0.44 mg/min，綜合燃燒特性指數(shù)由0.45×10-？K3/min2增至13.26×10-？K3/min2，表明升溫速率的增大使得白皮松燃燒更加充分，燃燒出現(xiàn)一定的滯后性，燃燒性能更好，這與文獻(xiàn)[24]中其他植物纖維的燃燒熱解特性相符。

4結(jié)論

本文應(yīng)用響應(yīng)面方法研究了白皮松廢棄物含水率、溫度和壓力對(duì)燃料密度、耐久性和抗跌碎性的多因素影響規(guī)律，分析了三因素交互作用對(duì)燃料的影響，對(duì)固體燃料進(jìn)行了密度、耐久性、抗跌碎性響應(yīng)優(yōu)化分析，并對(duì)白皮松進(jìn)行了3種升溫速率的熱重分析，得到如下主要結(jié)論：

1）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，含水率、溫度、壓力對(duì)燃料密度、耐久性、抗跌碎性均有顯著影響。當(dāng)含水率為6.5%～10%、溫度為70～100 ℃、壓力為100～130 MPa時(shí)，燃料具有較好的物理性能。

2）馬氏距離法優(yōu)化的成型工藝參數(shù)為含水率6.9%、溫度84.5℃、壓力130 MPa，此工況下成型燃料密度為1.15 g/cm3、耐久性為98.5%、抗跌碎性為99.7%。

3）隨著升溫速率的增大，白皮松的著火溫度由231℃降至198.4 ℃，最大燃燒速率溫度由326.9 ℃升至338.3 ℃，燃盡溫度由516.5℃升至555.1℃，綜合燃燒特性指數(shù)由0.45×10-？K3/min2增至13.26×10-？K3/min2。

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OPTIMIZATION OF SOLID FUEL MOLDING PARAMETERS ANDCOMBUSTION CHARACTERISTICS OF Pinus bungeana

Qian Xiaoliang，ZhangJing，ZhengDecong，HuangZhijie（College of Agriculture Engineering，Shanxi Agricultural University，Jinzhong 030801，China）

Abstract：A multi-factor experimental study is conducted on the physical properties of solid fuel made from Pinus bungeanawaste，using the response surface method to analyze the effects of the interaction of 3 factors，namely，moisture content of raw materials，temperature and molding pressure，on the density，durability and shatter resistance of solid fuel.The response optimization of thedensity，durability and shatter resistance of the fuel is carried out by applying the Mahalanobis distance method.Thecombustioncharacteristics of Pinus bungeana are also analyzed using a synchronous thermal analyzer.The results show that fuel density，durability，and shatter resistance reach to 1.01 gcm3，95%，and 98%or more，corresponding to the range of 6.5%-10%moisture content，70-100℃，and 100-130 MPa pressure.And the best combination of molding parameters is obtained，with the water content 6.9%，temperature 84.5℃，and pressure 130 MPa.Under these conditions，thedensity，durability，and drop resistance of the fuel moldedreach to 1.15 g/cm3，98.5%，and 99.7%，respectively.Meanwhile，the combustion characteristic indexes are 0.45，2.18，and 13.26×10-？K3'min2for 10，20，and 30 K/min heating rates，respectively.And the combustion characteristic indexes increase with the increaseof the heating rate.

Keywords：biomass;co-densification;physicalproperties;combustioncharacteristics;Mahalanobis distance method