基于固定密度的烟秆颗粒压缩特性研究

符德龙，孟 辉，张富贵2，，张 龙2，，陈 雪

(1.贵州省烟草公司毕节市公司，贵州 毕节 551700；2.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025；3.贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025)

0 引言

烟草是我国最重要的农业经济作物之一，其种植面积和产量均居世界首位，烟草种植及其产品加工在国民经济中发挥着十分重要的作用[1]。我国烟草资源分布广泛，河南、山东、云南、甘肃、贵州、湖南六省是我国重要的烤烟产地。其中云南、贵州、河南和湖南省的种植面积最大、产量最高[2]。作为烟草种植生产大国，我国每年烟草种植面积达1 500万亩，生产烟叶450～500万吨，产生的烟秆资源可达290多万吨[3]。烟秆作为烟叶收获后的主要副产品，是一种宝贵的可再生生物质资源[2]，在生产生活中有着十分重要的实际应用价值。比如烟秆可用于制备生物质燃料，也可用于制备乙醇，或是生产沼气；烟秆也可用于制取有机肥，其中含有N、K、P等各种矿物元素，以及较高的纤维素和木质素，可作为土壤腐殖质的重要来源；烟秆也可用于制备活性炭，也可用于提取烟碱、果胶、蛋白质等；烟秆也可用于制造纤维板和造纸[2]；同时，烟秆也可用于食用菌的培养基质，替代常规的棉籽壳、稻草材料[4-11]。由此可以看出，烟秆资源的应用前景十分广泛[2]，其潜力价值巨大。

但通过对烟秆材料的材质及结构组成分析发现，由于烟秆本身材质较为松散中空且容积密度小，且在存储和运输过程中需占用较大的空间，造成烟秆收储运成本增加，严重制约烟秆的资源化利用。为此，在工程上通常采用先粉碎后压缩的方式来解决[2]。通过查阅大量秸秆压缩成型文献资料发现，当采用压缩设备对秸秆压缩预处理时，压缩块的压缩特性是受粉碎颗粒粒度大小、喂入量、压缩速度、含水率、压缩频率以及振动等多种因素的影响，同时也发现，国内外许多学者的试验对象多为牧草、小麦、玉米、棉秆等物料[2]，对烟秆物料的压缩试验尚未在文献中发现[12-18]，烟秆物料的压缩特性尚需试验分析和研究来确定。

本课题组在综合分析了影响烟秆压缩成型的各种因素后，结合实验室现有压缩试验设备，自行设计烟秆压缩模具，针对烟秆颗粒粒度大小、喂入量和成型压力三个试验因素进行了压缩特性试验研究[2]，并最终确定当烟秆颗粒的压缩密度为500 kg/m3时，压缩成型效果较好，基本达到客户要求，且能够满足储运条件[2]。为保证烟秆颗粒压缩成型设备设计的参数合理性，为此，基于压缩密度500 kg/m3下针对烟秆颗粒的喂入量与成型压力之间的关系，进行了烟秆颗粒的压缩特性试验，探究分析在压缩密度为500 kg/m3时，喂入量和成型压力对烟秆颗粒压缩成型及成型块品质规律的影响。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料与设备

本试验烟秆均采自贵州省毕节市威宁县烟草植烟地，经自然风干后，含水率保持在30%左右[19-20]。之后采用河南一科重工生产的9Z-5.0型铡草机粉碎，烟秆颗粒长度在0-30 mm之间，最后将粉碎好的试验材料密封于黑色塑料袋内并置于阴凉处，以备试验使用。

压缩试验采用郑州鑫和机械制造有限公司生产的DLB-100型硫化机(如图1所示)，工作台的面积大小为600 mm×600 mm，柱塞直径300 mm，柱塞行程500 mm，工作压力100 T；压力表采用宜兴市双华仪表有限公司生产的电接点压力表，该压力表可通过红色指针调节上限压力大小，以此控制调整试验中压力的范围；计时器采用欣灵电气股份公司生产的HHS11(JS11S)型数显时间继电器，可用于设置保压时间[2]。

试验采用自行设计的钢制方形模具，主要包括模具成型腔和压缩推板两部分组成，通过查找文献[19]资料和结合目前已有压缩打包机现有截面尺寸，成型腔内截面尺寸取300 mm×300 mm，高度为300 mm，壁厚20 mm，具体实物如图2所示[20]。

1.2 试验方案及过程

1.2.1 试验方案设计

通过文献资料和前期的试验发现，压缩密度是评价成型块物理特性的重要宏观参数，基于本课题组的前两次试验数据及结论，可以初步确定烟秆颗粒的压缩密度为500 kg/m3时，其压缩成型效果较好，基本达到客户的要求，同时也能够满足烟秆的储运条件。但通过试验发现压缩密度受喂入量、成型压力、粒度大小等多种因素影响，为此，基于压缩密度500 kg/m3下，又对喂入量及成型压力进行了烟秆颗粒的压缩成型试验，分析在同等压缩密度下喂入量与成型压力之间的关系[19]。烟秆的喂入量试验水平如表1。

表1 试验因素和水平表

1.2.2 试验过程

烟秆压缩成型试验安排在常温条件下进行，试验材料为直接粉碎后的烟秆颗粒，其粒度大小为0～30 mm，含水率保持在30%左右，压缩速度约为300 mm/min，柱塞提供最大压缩力100 T。分别以喂入量1、1.5、2、2.5、3、3.5和4 kg进行压缩成型试验，当烟秆压缩成型达到压缩密度500 kg/m3时，依次记录此时的成型压力，压缩成型块出模后，先将其置于通风空旷平整处，经36 h应力松弛后，再测量一次压缩块的高度h1。烟秆颗粒压缩试验时，每次都从自然蓬松状态下开始，相同压缩条件下，同等试验因素水平下试验重复3次，并对试验结果求平均值[2，20]。

2 试验结果与分析

2.1 基于500 kg/m3下烟秆颗粒喂入量与成型压力之间关系的分析

本次压缩试验在保持烟秆压缩成型密度为500 kg/m3的条件下，就喂入量和成型压力之间的关系对烟秆进行了压缩成型试验研究[2]，试验后试样如图3所示。根据实验数据作曲线如图4所示，通过对曲线观察分析发现，随着喂入量的增加，压缩块所需的成型压力或增或减，没有一定的统计规律，但是所有的成型压力都限定于5 MPa和7 MPa之间。由此可以说明，在基于相同压缩密度500 kg/m3下，压缩成型压力可能存在一个最小成型压力5 MPa和最大成型压力7 MPa，同时也说明了，喂入量与成型压力之间的数学关系不显著，两者的关联性较差[2]。

2.2 基于烟秆颗粒压缩密度500 kg/m3下成型块物理特性分析

从表2可以看出，尽管使所有压缩块都保持相同压缩密度500 kg/m3和同等保压时间下，但是随着烟秆喂入量的不断增加，压缩块的松弛密度逐渐减小，松弛比逐渐增大。这说明，喂入量的增加虽然对烟秆颗粒的成型压力影响不明显，但会使出模后的压缩块物理特性变差，使压缩块在出模后反弹程度增大，这将严重影响压缩块的储运。经分析，出现该情况的主要原因可能是由于随着喂入量的增加，压力主要用于克服烟秆颗粒间的空隙，没有形成烟秆颗粒间的持续联接，而当压缩块出模后，没有了压力的束缚，加之空气中水分的潮解，使烟秆压缩块内残余应力得到完全释放，从而出现压缩块松弛程度增大，甚至垮塌的现象。基于这一问题，查阅文献发现，可以通过保压处理来消除或是减小压缩块内残余应力，也可在压缩过程中使用生物粘合剂提高烟秆间的粘结性，促进压缩块压缩成型，减少出模后压缩块的反弹，同时也可以采用打捆或是打包的方式来对压缩块进行约束，同样可以有效减小残余应力对压缩块的作用效应[2]。

表2 基于500kg/m3下的压缩成型块的物理特性[2]

3 结语

本文以基于满足成型要求的500 kg/m3压缩密度作为试验条件，分析了在该密度下喂入量与成型压力之间的关系，发现：

1)烟秆压缩的成型压力并不随烟秆喂入量的增加而表现出一定的数学统计规律性，即喂入量与成型压力之间的关系不显著[2]，但成型压力总限定在5～7 MPa之间。

2)随烟秆喂入量的增加，压缩块松弛密度逐渐减小，松弛比逐渐增大，即喂入量的增加会造成压缩块的物理特性变差，将严重影响压缩块的储运。

3)针对压缩块的物理特性变差的问题，可考虑通过保压和捆扎的方式来消除或减小压缩块内的残余的应力，也可通过增加粘结剂提升烟秆间的粘结力。