柠条固体燃料压缩成型及物理特性的试验研究

张静,郭玉明,李晓斌

(山西农业大学 工学院,山西 太谷 030801)

由于生物质原料的高含水率、不规则的形状和尺寸、低容积密度，使其很难加工、运输、储藏和利用。将这些生物质原料加工成颗粒状、块状后，其密度大幅度提高，减少了运输、储藏的成本。因为有了统一的形状和尺寸，这些固体燃料更容易使用标准的加工和储藏设施进行处理[1]。

生物质材料的种类和成分不同，特别是压缩方式和压缩条件对其成型燃料的品质特性有很大影响。在生物质成型燃料的各种品质特性中，除燃烧特性外，成型燃料的物理特性是最重要的品质特性，它直接决定了成型燃料的使用要求、运输要求和贮藏条件。良好的物理特性能够降低成型燃料包装、运输和贮存成本，能够保证成型燃料进入锅炉时的必要物理性状。密度和耐久性是衡量成型块物理品质特性的两个重要指标[2,3]。

国内外学者对生物质固体成型进行的研究主要是针对草本植物、乔木植物及农业废弃物的研究，而对目前在我国黄河流域及“三北”地区有着广泛分布并具有较大开发利用价值的柠条未见研究。平茬收获的3年内柠条青枝秆可加工为营养价值很高的饲料，但多年生的柠条木质化营养缺失不易进行饲草转化利用，对其进行固体成型燃料加工是很好的综合利用技术途径。针对上述情况，本文以柠条为研究对象，以原料含水率和颗粒度及成型工艺参数压力和温度为研究因素，利用SAS软件对各因素与燃料物理特性密度和耐久性之间的关系进行了单因素分析，对各因素与密度和耐久性的关系进行拟合，得出相应的函数关系式，并对各因素影响的显著性进行了方差分析，为压缩设备的设计、优化及加工工艺的合理选择提供依据或参考。

1 实验材料与方法

1.1 原料准备

试验原料采用山西省定襄市8年生以上柠条，原料于2011年秋天收割后于室外放置半年使其自然干燥，之后在实验室放置2个月。

将柠条原料在精工9F50-50双粉碎型粉碎机上进行粉碎之后，分别应用不同筛孔(0.16、0.63、1.25、2.5、5.0 mm)的筛子对原料进行筛选，得到了相应大小的颗粒。具体的粒度分布为：<0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2.5、2.5～5.0 mm。另选用经揉丝工艺加工的原料与粉碎原料进行比较。为了将原料含水率调整至不同水平，首先将原料放在干燥温度设定为105℃的烘箱中干燥72 h以上直至其完全干燥，用喷雾瓶将一定量的水均匀喷在原料中并均匀搅拌以使水分均匀分布，之后将调整好含水率的原料储存在密闭的自封塑料袋中于5℃环境下保存，以防止水分蒸发。

1.2 压缩成型试验

本试验采用一套单轴、内径为40 mm的不锈钢活塞套筒压缩装置在不同成型条件下对柠条原料进行压缩成型，所有压缩过程未添加任何粘结剂。模具外部包一层陶瓷加热圈，加热到设定温度后，将按预定条件处理好的原料加满，压缩装置在WAW-300型万能材料试验机(最大载荷30吨)驱动下，以0.5 MPa·s-1的速度对原料进行挤压，直至设定压力，保压20 s后撤除压力以防止材料回弹，再将压缩装置底部的螺栓拧开，把底座移开，从上方将压块挤出。

1.3 压块物理特性

压块的密度和耐久性均在压缩成型1周后进行测量，每个值采用5个样本，取其平均值。

1.3.1 密度

用千分尺测量压块的直径和高度，电子天平测量其质量，精度为0.01 g。根据质量和体积的比值计算出压块的密度(公式(1))，此体积包含压块孔隙。

(1)

式中，De-压块的密度/g·cm-3；m-压块的质量/g；d-压块的直径/cm；l-压块的高度/cm。

1.3.2 耐久性

根据欧盟技术标准CEN/TS 15210-2，压块耐久性即耐磨性采用防尘滚筒装置(图1)测量。检测的旋转速度固定在21 r·min-1保持5 min，即保证总的旋转次数为105转。耐久性用检测前后压块的质量比再乘以100来表示。图1为压块耐久性测量装置。

图1 压块耐久性测量装置Fig.1 The durability tester of briquette

1.4 数理统计分析

本研究应用数理统计SAS软件将温度、含水率、压力和颗粒度对柠条压块燃料密度和耐久性的影响进行了单变量分析和拟合，得出相应的函数关系式，并对各因素影响的显著性进行了方差分析。

2 结果与讨论

2.1 温度对压块密度和耐久性的影响

升高温度可以促进生物质原料固有粘结剂的激活及颗粒的塑性变形，而塑性变形对于颗粒间形成永久性粘结是非常重要的[1]。原料温度可以通过直接和间接的方式升高，直接加热包括颗粒间摩擦，流化床加热和蒸汽调节。间接加热包括以热传导为主的加热系统例如电阻加热器和热油循环热交换器[4]。

由图2可以看出，颗粒度<0.63 mm的原料，在含水率为8%、10 MPa的成型条件下，在50～110℃，压块密度随着温度的升高而增加，到110℃达到第一个最高值0.986 g·cm-3，之后开始下降，到150℃降到0.931 g·cm-3之后随着温度的升高又开始增加，直至230℃时达到最高值1.026 g·cm-3。

依据试验数据，将温度(T)与压块密度(De)、耐久性(Du)的测量值经非线性拟合后，分别得到：

(R2=0.9706)

(2)

(R2=0.9997)

(3)

方差分析表明(表1、表2)，温度对压块密度、耐久性有显著和极显著影响，显著性检验概率分别为P =0.005<0.05和P <.0001。

表1 自变量对密度影响方差分析结果

表2 自变量对耐久性影响方差分析结果

2.2 含水率对压块密度和耐久性的影响

水分在成型过程中起到了粘结剂和润滑剂的作用，可以通过增加颗粒间的接触面积促进分子间范德华力的形成[4]。同时，还有助于生物质中诸如淀粉、糖分、磷酸钠、钾盐等水溶性化合物的固化[5]。

由图3可见，含水率在5%～15%变化时，压块密度在0.889～1.129 g·cm-3之间变化，含水率为8%时达到最大值1.129 g·cm-3,在5%～8%，密度在1.098 g·cm-3以上，8%～15%，随含水率的增加而减小，在含水率增加到30%时，降到0.597 g·cm-3。

含水率为9%时压块耐久性达到最大值98.98%，8%时为98.14%，其变化趋势与密度一致，在含水率增加到30%时，降到60.76%。超过30%后，由于大量水蒸气聚集在模具内部，形成较大压力，有原料从模具缝隙中快速喷出，造成“放炮”现象，不能成型。

将含水率(M)与压块密度(De)、耐久性(Du)的测量值经非线性拟合，分别得到多项式函数：

De= 0.000052166M2-0.024300442M+

1.272519725

(R2=0.9661)

(4)

Du= -0.087214826M2+1.69987223M+

88.99454614

(R2=0.9832)

(5)

方差分析表明(表1、表2)，含水率对压块密度、耐久性影响极显著，显著性检验概率均为P<.0001。

图2 温度对压块密度、耐久性的影响及拟合曲线(S<0.63 mm,M=8%w.b.,P=10 Mpa)Fig.2 Influence of temperature on the density and durability and the fitted curves

图3 含水率对压块密度、耐久性的影响及拟合曲线(S<0.63 mm，T=90℃，P=90 MPa)Fig.3 Influence of moisture content on the density and durability and the fitted curves

2.3 压力对压块密度和耐久性的影响

在高压下，生物质中的天然粘结成分例如淀粉、蛋白质和木质素会从粒子内被挤出，从而促进颗粒间的粘结[1]。由图4可见，颗粒度<0.63 mm的原料，在含水率为8%(w.b.)，90℃时，压块密度随着压力的增加而增大，而压块耐久性从10 MPa时的95.69%增大到90 MPa时的98.14%之后，随着压力的增加其耐久性的变化不明显，直至180 MPa时的98.26%。因此，从节约能源的角度考虑，在90 MPa的成型压力下加工的柠条压块燃料，其密度和耐久性均较理想。

依据实验数据，将压力(P)与压块密度(De)、耐久性(Du)的测量值经非线性拟合后，分别得到多项式函数：

(R2=0.9699)

(6)

(R2=0.9752)

(7)

方差分析表明(表1、表2)，压力对压块密度、耐久性影响的显著性检验概率分别为P<.0001和P=0.0724>0.05，可见压力对压块的密度的影响极显著，对压块的耐久性影响不显著。

图4 压力对压块密度、耐久性的影响及拟合曲线(S<0.63 mm，M=8% w.b.，T=90℃) Fig.4 Influence of pressure and particle on the density and durability and the fitted curves

2.4 颗粒度对压块密度和耐久性的影响

颗粒度是影响生物质燃料耐久性的一个重要因素。通常，颗粒越细小，其耐久性越高。 成型过程中，细小颗粒比大颗粒会吸收更多的水分，因此，也能承受更高程度的负荷[1]。

压块的密度随着颗粒度的增大而逐渐减小，<0.16 mm的粉碎原料其密度最高，为1.186 g·cm-3。但耐久性与密度变化趋势不一致，经粉碎加工的<0.63 mm及揉丝原料，其耐久性达到最高值98.14%。

因颗粒度没有确定的值，是在一定范围内进行加工的，所以无法将颗粒度与密度和耐久性之间的关系进行拟合，故未在图中列出。对其分别进行方差分析，结果(表1、表2)表明，颗粒度对压块密度、耐久性影响极显著，显著性检验概率均为P<.0001。

4 结论

在实验室条件下研究了柠条固体成型燃料的成型过程，分析了柠条原料的性能(颗粒度、含水率)及主要成型参数(压力、温度)对成型效果的影响。结果表明，压力、颗粒度、含水率对燃料密度的影响极其显著，温度、含水率和颗粒度对耐久性的影响极其显著。柠条原料含水率在5%～13%，成型温度和压力分别在80～150℃、60～110 MPa条件下即可成型优质的柠条压块燃料。在此条件下，柠条揉丝原料也可成型优质的块状燃料，可节约成本。可作为压缩设备的设计、优化及加工工艺的合理选择的依据。

参 考 文 献

[1]Nalladurai Kaliyan,R Vance Morey.Factors affecting strength and durability of densified biomass products[J].Biomass and bioenergy,2009,33:337-359.

[2]O″Dorherty M J.A review of the mechanical behavior of straw when compressed to high densities[J].Agric Engng Res,1989,44:241-265

[3]盛奎川,吴杰.生物质成型燃料的物理品质和成型机理的研究进展[J].农业工程学报，2004,20(2):242-245.

[4]Grover PD,Mishra SK.Biomass briquetting: technology and practices[M].Regional wood energy development program in Asia,field document no.46.Bangkok,Thailand: Food and Agriculture Organization of the United Nations,1996.

[5]Lindley JA,Vossoughi M.Physical properties of biomass briquettes[J].Transactions of the ASAE，1989，32:361-366.