双超声压缩生物质过程中压块松弛密度的影响因素研究*

唐勇军，许　俊，唐　岳，胡红斐，张永俊

（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006；2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

双超声压缩生物质过程中压块松弛密度的影响因素研究*

唐勇军1,2，许俊1，唐岳1，胡红斐1，张永俊1

（1.广东工业大学机电工程学院，广东广州510006；2.上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）

松弛密度作为生物质成型燃料的一项重要性能指标，对生物质成型燃料的运输、处理和储存有着较大的影响。分别研究了在不同压缩时间、不同预压力、不同生物质重量和不同生物质含水率下，压块的松弛密度随放置时间的变化，并利用松弛比直观反映了在不同的压缩条件下压块松弛密度的松弛程度。研究表明：在不同的压缩条件下，压块的松弛密度都是逐渐减小的，但松弛密度减小的程度不同；压块的松弛比分别在压缩时间为30 s、预压力为0.17 MPa、生物质质量为1.0 g、生物质含水率为20%时达到最大。

双超声；辅助振动压缩；生物质燃料；松弛密度；松弛比

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.003

0　引言

生物质能源作为一种清洁的可再生能源［1-2］，具有广阔的发展前景。我国农作物秸秆年产量约7×108t，相当于3.5×108t标准煤。除此之外，我国每年还有将近1×108t左右的林业废弃物，如树枝、树叶、锯末、木屑、板片等［3］。但生物质原料的低密度特性会大幅增加产品的运输、处理和存储成本［4-5］。

生物质压缩成型燃料技术是生物质能源的一种简单而实用的利用形式［3，6］，能够大幅提高生物质的密度，降低生物质的运输、处理和储存成本［7］。传统的螺杆挤压成型、活塞冲压成型和压辊式成型等纤维素生物质压缩成型技术一般都需要高温蒸汽、高压力和额外添加粘接剂，设备庞大，价格高，添加剂导致污染［8-9］。由于超声波具有高频振动特性和热效应，在超声波辅助振动压缩生物质的过程中，不需要对生物质进行高温高压处理，也不需要给生物质添加粘接剂，仅仅在常温、低压力和无添加剂条件下进行。本文利用超声波的高频振动特性和热效应，研究压缩时间、预压力、生物质重量和生物质含水率等因素对压块松弛密度的影响，为超声波应用在生物质压缩成型的过程中提供理论依据。

1　实验条件和步骤

1.1生物质原料及仪器

本次实验过程中所用的生物质原料是锯末，木材原材料在加工成各种产品的过程中会产生大量的加工废料—锯末，锯末的低密度特性增加了其储存和运输的成本，阻碍了锯末的进一步加工利用。通过把锯末装载到模具型腔内，采用工作台和工具头同步超声振动的方式，把锯末压缩成块状，不仅能够大幅提高锯末压块的密度，而且能够提高压缩效率，为锯末的进一步加工利用提供了有利条件。

锯末的含水率是指一定量的锯末中所含的水分的量，用锯末中水分的重量与锯末的总重量的比值表示。锯末的含水率是通过如下过程进行测量：首先将收集到的锯末进行密封处理，然后将一定质量的样品锯末放置加热皿中，置于烘箱内，设定温度120℃，放置时间24 h以上以充分蒸发水分。加热结束后，将加热皿置于干燥皿中冷却至常温，再次测量样品锯末的质量。水分的重量等于样品锯末在加热前后的质量差。所收集的锯末的原始含水率可以通过公式（1）来计算：

通过计算得到所收集锯末的原始含水率为8%，本次实验所需要的锯末的含水率为五个水平，分别为：5%、10%、15%、20%、25%。由于所收集的锯末的原始含水率为8%，大于实验所需要的最小含水率5%，故含水率5%的锯末是通过上述烘干后的干燥的锯末（含水率为0）调配出，取干燥锯末m g，所需要的水分可以通过公式（2）计算；至于含水率为10%、15%、20%、25%的锯末，可以通过所收集的含水率为8%的锯末调配出，各取锯末m g，所需要的水分可以分别通过公式（3）计算：

其中，X1表示调配含水率为5%的锯末后的总质量，需要向m g干燥锯末中加入的蒸馏水的质量为（X1-m）g；X表示调配含水率为ω（ω的取值为：10%、15%、20%、25%）的锯末后的总重量，需要向m g含水率为8%的锯末中加入的蒸馏水的质量为（X-m）g。

实验所需要的仪器有：DT200A电子天平、TSL-1140B可控温烘箱、游标卡尺、秒表、加热皿、干燥皿、滴管和量筒。

1.2实验设计

图1所展示的双超声辅助振动压缩实验装置，使用的双超声波压缩生物质机床由广东工业大学自行研制。它包括一个超声波系统，气动系统。超声波系统包括一个电源（将50 Hz的市电转换为约21 000 Hz的脉冲电）和两个换能器（将高频电能转换成超声波振动）。其中上超声振动系统和气缸连接在一起，下超声振动系统固定在工作台上，两个超声振动系统中心处的圆柱形铝模型腔用于存放压缩用的锯末。两超声振动系统的前段都安装有圆形的工具，工具设有一个坚硬的平头。它的直径（18 mm）稍小于模具的型腔（19 mm）。气动系统包括气源、气动三联件（由过滤器、减压阀和油雾器组成）、方向控制阀、节流阀和气缸。其中气缸的缸径为100 mm，气缸的气压由气动三联件中的减压阀调节，气压的大小通过气动三联件上的压力表显示，本机床中气压的调节范围为0～0.55 MPa；上超声振动系统的上下运动是通过方向控制阀切换气缸有杆腔与无杆腔气体的进出来实现的，其运动速度是通过安装在气缸上的节流阀来调节。

图1　双超声辅助振动压缩实验装置

表1列出了实验条件，本文将对四个压缩参数进行研究。压缩时间是指在双超声波振动下，工具与锯末在模具中接触的时间；预压力是指在进行生物质压缩时，气缸中的压力通过工具在模具中作用于锯末上；生物质质量为每次压缩实验时，放入到模具中的锯末的质量；锯末的含水率代表一定量的生物质中所含的水分量。每组试验中，只有一个压缩参数变化，其他压缩参数保持恒定。

表1　R实验条件

1.3压块松弛密度的测量

松弛密度是指生物质压块在出模后由于弹性变形和应力松弛等作用，其体积会逐渐增大，成型密度逐渐减小，一段时间后压块密度才趋于稳定。松弛密度要比模内最终压缩密度小。它是决定成型燃料物理品质和燃烧性能的一个重要指标。在整个实验过程中，使用的是同一模具（模具型腔为19 mm），通过测量压块的直径和厚度来计算压块的体积，利用公式ρ=m/v，可以计算出压块的密度，压块的直径和厚度是通过游标卡尺测量。在每个压缩参数下，压缩5个压块，用5个压块的平均值表示此参数下压块的直径和厚度。测量工作是由同一个人完成，以减少人为因素带来的误差。压块直径和厚度的第一次测量是在压块从模具中拿出后立刻进行的，待测量完成后，对压块进行常温下的密封保存，之后每隔24小时测量一次压块的直径和厚度，以计算压块的松弛密度。

2　实验结果与分析

2.1压块松弛密度随放置时间的变化

（1）在不同的压缩时间下压块松弛密度随放置时间的变化图2显示了压缩时间在10 s、20 s、30 s、40 s、50 s下，压块的松弛密度随放置时间的关系。从图2可以看出：1）在压块放置6天的过程中，起初压块的密度下降较快，后来慢慢地趋近一个稳定值；2）在相同的放置天数下，压缩时间越长，压块的松弛密度越大。

图2　压块松弛密度与放置时间的关系图

（2）在不同的预压力下压块松弛密度随放置时间的变化

图3显示了预压力在0.034 MPa、0.10 MPa、0.17 MPa、0.24 MPa、0.31 MPa下，压块的松弛密度随放置时间的关系。从图3可以看出：1）在压块放置6天的过程中，起动压块的密度下降较快，后来慢慢地趋近一个稳定值；2）在相同的放置天数下，预压力越大，压块的密度越大。

图3　压块松弛密度与放置时间的关系图

（3）在不同的生物质质量下压块松弛密度随放置时间的变化

图4显示了生物质质量在0.6 g、1.0 g、1.4 g、1.8 g、2.2 g下，压块的松弛密度随放置时间的关系。从图4可看出，在压块放置6天的过程中，起初压块的密度下降较快，后来慢慢地趋近一个稳定值。

图4　压块松弛密度与放置时间的关系图

（4）在不同的生物质含水率下压块松弛密度随放置时间的变化

图5显示了生物质含水率在在5%、10%、15%、20%、25%下，压块的松弛密度随放置时间的关系。从图5可以看出，在压块放置6天的过程中，压块的密度开始下降较快，后来慢慢地趋近一个稳定值。

图5　压块松弛密度与放置时间的关系图

从图2～5还可以发现：不管是在不同的压缩时间下、不同的预压力、不同的生物质重量，还是不同的生物质含水率下，在后期测量压块密度的过程中，发现压块的密度略微有上升的趋势，这与实际情况相违背。探究其原因，其中重要的一条是：所收集的锯末是颗粒较小的生物质，在进行双超声辅助振动压缩时，并没有向锯末中添加粘结剂，压块外表面的锯末在压缩的过程中并没有完全粘结在一起，存在一定量的颗粒与压块的连接较松。在每天测量压块厚度的过程中，有部分与压块接触较松的颗粒会脱离压块，从而导致后期测量的压块密度偏大。虽然如此，研究压块密度随放置时间的变化规律对实际的生物质燃料加工生产还是具有一定的指导意义。

2.2压块的松弛比

通过压块的松弛密度随放置时间的变化，可以直观的反映到压块松弛密度的变化情况，而无法反映压块的松弛程度。通常采用无量纲参数—松弛比，即用模内物料的最大压缩密度与最小松弛密度的比值来描述成型燃料的松弛程度。在本次实验过程中，通过测量压块的松弛密度随放置时间的变化，计算压块的最大密度与最小松弛密度的比值得到其松弛比。

（1）压块的松弛比随压缩时间的变化

图6显示了压块的松弛比与压缩时间的关系，在压缩时间为30 s时，压块的松弛比达到1.127。

图6　压块的松弛比与压缩时间的关系

（2）压块的松弛比随预压力的变化

图7显示了压块的松弛比与预压力的关系，在预压力从0.034 MPa增加到0.17 MPa的过程中，压块的松弛比逐渐增加；在预压力从0.17 MPa增加到0.31 MPa的过程中，压块的松弛比逐渐下降，压块的松弛比在预压力为0.17 MPa时达到最大，为1.130。

图7　压块的松弛比与预压力的关系

（3）压块的松弛比随生物质质量的变化

图8显示了压块的松弛比与生物质质量的关系，在生物质质量从0.6 g增加到1.0 g的过程中，压块的松弛比逐渐增加；在生物质质量从1.0 g增加到2.2 g的过程中，压块的松弛比逐渐下降，压块的松弛比在生物质质量为1.0 g时达到最大，为1.140。

图8　压块的松弛比与生物质重量的关系

（4）压块的松弛比随生物质含水率的变化

图9显示了压块的松弛比与生物质含水率的关系，在生物质含水率为20%时，压块的松弛比达到1.184。

图9　压块的松弛比与生物质含水率的关系

3　结论

通过研究在不同的压缩时间、不同的预压力、不同的生物质质量和不同的生物质含水率下，压块的松弛密度随放置时间的变化，得到了压块的松弛密度随时间的变化规律，即在不同的压缩条件下，压块的松弛密度都是逐渐减小的，但松弛密度减小的程度不同。通过计算在不同压缩条件下压块的松弛比，直观地反映了在不同的压缩条件下压块松弛密度的松弛程度。研究表明：压块的松弛比分别在压缩时间为30 s、预压力为0.17 MPa、生物质重量为1.0 g、生物质含水率为20%时达到最大。

［1］Zayed Al-Hamamre，Ali Al-Mater，Fawaz Sweis，et al.Assessment of the status and outlook of biomass energy in Jordan［J］.Energy Conversion and Management，2014（77）：183-192.

［2］N.S.L.Srivastava，S.L.Narnaware，J.P.Makwana，et al.Investigating the energy use of vegetable market waste by briquetting［J］.Renewable Energy，2014（68）：270-275.

［3］任爱玲，闫石.生物质成型技术的研究［J］.科学技术与工程，2013，13（16）：4765-4768.

［4］The United States and China：The Race to Disruptive Transport Technologies，Implication of a changing fuel mix on country competiveness［EB/OL］.http：//nstore. accenture.com/acn_com/resources/Accenture_Ener⁃gy_US_China_Report.pdf.

［5］Bocci E，Sisinni M，Moneti M，et al.State of art of small scale biomass gasification power systems：a review of the different typologies［J］.Energy Procedia，2014（45）：247-256.

［6］简相坤，刘石彩.生物质固体成型燃料研究现状及发展前景［J］.生物质化学工程，2013，47（2）：54-58.

［7］Jianjun Hu，Tingzhou Lei，Zhiwei Wang，et al.Eco⁃nomic，environmental and social assessment of briquette fuel from agricultural residues in China-A study on flat die briquetting using corn stalk［J］.Energy，2014（64）：557-566.

［8］Jicheng Liu，Sijia Wang，Qiushuang Wei，et al.Pres⁃ent situation，problems and solutions of China's biomass power generation industry［J］.Energy Policy，2014（70）：144-151.

［9］刘国华.生物质成型燃料技术及应用前景［J］.应用能源技术，2011（1）：44-47.

（编辑：阮毅）

Study on the Influencing Factors to Pellet Relax Density during Dual Ultrasonic Vibration-Assisted Pelleting of Sawdust

TANG Yong-jun1,2，XU Jun1，TANG Yue1，HU Hong-fei1，ZHANG Yong-jun1
（1.Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China；2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China）

The relax density of pellet，as an important performance indicators of biomass，had a significant effect on the cost of pellet's transportation，handling and storage.This paper studied on the relax density of pellets，which were placed in different time.The pellets were pelleted with different pelleting time，different pressure，different pellet weight and different moisture content，and using relaxation ratio directly reflected pellet density under different pelleting conditions.The results showed that the relax density of pellet was gradually decreased under all pelleting condition，but with different degrees of relax density decreasing.The relax ratio of pellet got maximum when the pelleting time was 30s，the pelleting pressure was 0.17MPa，the pellet weight was 1.0g，and the moisture content was 15%.

dual ultrasonic；pelleting；biomass fuels；relax density；relaxation ratio

TG663，TK6

A

1009-9492（2015）01-0011-05

*国家自然科学基金资助项目（编号：500120068）；机械系统与振动国家重点实验室开放基金资助项目（编号：500130026）

2014-07-11

唐勇军，男，1975年生，湖南邵阳人，博士，教授。研究领域：超声加工技术、新能源制造。已发表论文30篇。