雙超聲壓縮生物質過程中壓塊松弛密度的影響因素研究*

唐勇軍，許　俊，唐　岳，胡紅斐，張永俊

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006；2.上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室，上海200240）

雙超聲壓縮生物質過程中壓塊松弛密度的影響因素研究*

唐勇軍1,2，許俊1，唐岳1，胡紅斐1，張永俊1

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣東廣州510006；2.上海交通大學機械系統與振動國家重點實驗室，上海200240）

松弛密度作為生物質成型燃料的一項重要性能指標，對生物質成型燃料的運輸、處理和儲存有著較大的影響。分別研究了在不同壓縮時間、不同預壓力、不同生物質重量和不同生物質含水率下，壓塊的松弛密度隨放置時間的變化，并利用松弛比直觀反映了在不同的壓縮條件下壓塊松弛密度的松弛程度。研究表明：在不同的壓縮條件下，壓塊的松弛密度都是逐漸減小的，但松弛密度減小的程度不同；壓塊的松弛比分別在壓縮時間為30 s、預壓力為0.17 MPa、生物質質量為1.0 g、生物質含水率為20%時達到最大。

雙超聲；輔助振動壓縮；生物質燃料；松弛密度；松弛比

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.003

0　引言

生物質能源作為一種清潔的可再生能源［1-2］，具有廣闊的發展前景。我國農作物秸稈年產量約7×108t，相當于3.5×108t標準煤。除此之外，我國每年還有將近1×108t左右的林業廢棄物，如樹枝、樹葉、鋸末、木屑、板片等［3］。但生物質原料的低密度特性會大幅增加產品的運輸、處理和存儲成本［4-5］。

生物質壓縮成型燃料技術是生物質能源的一種簡單而實用的利用形式［3，6］，能夠大幅提高生物質的密度，降低生物質的運輸、處理和儲存成本［7］。傳統的螺桿擠壓成型、活塞沖壓成型和壓輥式成型等纖維素生物質壓縮成型技術一般都需要高溫蒸汽、高壓力和額外添加粘接劑，設備龐大，價格高，添加劑導致污染［8-9］。由于超聲波具有高頻振動特性和熱效應，在超聲波輔助振動壓縮生物質的過程中，不需要對生物質進行高溫高壓處理，也不需要給生物質添加粘接劑，僅僅在常溫、低壓力和無添加劑條件下進行。本文利用超聲波的高頻振動特性和熱效應，研究壓縮時間、預壓力、生物質重量和生物質含水率等因素對壓塊松弛密度的影響，為超聲波應用在生物質壓縮成型的過程中提供理論依據。

1　實驗條件和步驟

1.1生物質原料及儀器

本次實驗過程中所用的生物質原料是鋸末，木材原材料在加工成各種產品的過程中會產生大量的加工廢料—鋸末，鋸末的低密度特性增加了其儲存和運輸的成本，阻礙了鋸末的進一步加工利用。通過把鋸末裝載到模具型腔內，采用工作臺和工具頭同步超聲振動的方式，把鋸末壓縮成塊狀，不僅能夠大幅提高鋸末壓塊的密度，而且能夠提高壓縮效率，為鋸末的進一步加工利用提供了有利條件。

鋸末的含水率是指一定量的鋸末中所含的水分的量，用鋸末中水分的重量與鋸末的總重量的比值表示。鋸末的含水率是通過如下過程進行測量：首先將收集到的鋸末進行密封處理，然后將一定質量的樣品鋸末放置加熱皿中，置于烘箱內，設定溫度120℃，放置時間24 h以上以充分蒸發水分。加熱結束后，將加熱皿置于干燥皿中冷卻至常溫，再次測量樣品鋸末的質量。水分的重量等于樣品鋸末在加熱前后的質量差。所收集的鋸末的原始含水率可以通過公式（1）來計算：

通過計算得到所收集鋸末的原始含水率為8%，本次實驗所需要的鋸末的含水率為五個水平，分別為：5%、10%、15%、20%、25%。由于所收集的鋸末的原始含水率為8%，大于實驗所需要的最小含水率5%，故含水率5%的鋸末是通過上述烘干后的干燥的鋸末（含水率為0）調配出，取干燥鋸末m g，所需要的水分可以通過公式（2）計算；至于含水率為10%、15%、20%、25%的鋸末，可以通過所收集的含水率為8%的鋸末調配出，各取鋸末m g，所需要的水分可以分別通過公式（3）計算：

其中，X1表示調配含水率為5%的鋸末后的總質量，需要向m g干燥鋸末中加入的蒸餾水的質量為（X1-m）g；X表示調配含水率為ω（ω的取值為：10%、15%、20%、25%）的鋸末后的總重量，需要向m g含水率為8%的鋸末中加入的蒸餾水的質量為（X-m）g。

實驗所需要的儀器有：DT200A電子天平、TSL-1140B可控溫烘箱、游標卡尺、秒表、加熱皿、干燥皿、滴管和量筒。

1.2實驗設計

圖1所展示的雙超聲輔助振動壓縮實驗裝置，使用的雙超聲波壓縮生物質機床由廣東工業大學自行研制。它包括一個超聲波系統，氣動系統。超聲波系統包括一個電源（將50 Hz的市電轉換為約21 000 Hz的脈沖電）和兩個換能器（將高頻電能轉換成超聲波振動）。其中上超聲振動系統和氣缸連接在一起，下超聲振動系統固定在工作臺上，兩個超聲振動系統中心處的圓柱形鋁模型腔用于存放壓縮用的鋸末。兩超聲振動系統的前段都安裝有圓形的工具，工具設有一個堅硬的平頭。它的直徑（18 mm）稍小于模具的型腔（19 mm）。氣動系統包括氣源、氣動三聯件（由過濾器、減壓閥和油霧器組成）、方向控制閥、節流閥和氣缸。其中氣缸的缸徑為100 mm，氣缸的氣壓由氣動三聯件中的減壓閥調節，氣壓的大小通過氣動三聯件上的壓力表顯示，本機床中氣壓的調節范圍為0～0.55 MPa；上超聲振動系統的上下運動是通過方向控制閥切換氣缸有桿腔與無桿腔氣體的進出來實現的，其運動速度是通過安裝在氣缸上的節流閥來調節。

圖1　雙超聲輔助振動壓縮實驗裝置

表1列出了實驗條件，本文將對四個壓縮參數進行研究。壓縮時間是指在雙超聲波振動下，工具與鋸末在模具中接觸的時間；預壓力是指在進行生物質壓縮時，氣缸中的壓力通過工具在模具中作用于鋸末上；生物質質量為每次壓縮實驗時，放入到模具中的鋸末的質量；鋸末的含水率代表一定量的生物質中所含的水分量。每組試驗中，只有一個壓縮參數變化，其他壓縮參數保持恒定。

表1　R實驗條件

1.3壓塊松弛密度的測量

松弛密度是指生物質壓塊在出模后由于彈性變形和應力松弛等作用，其體積會逐漸增大，成型密度逐漸減小，一段時間后壓塊密度才趨于穩定。松弛密度要比模內最終壓縮密度小。它是決定成型燃料物理品質和燃燒性能的一個重要指標。在整個實驗過程中，使用的是同一模具（模具型腔為19 mm），通過測量壓塊的直徑和厚度來計算壓塊的體積，利用公式ρ=m/v，可以計算出壓塊的密度，壓塊的直徑和厚度是通過游標卡尺測量。在每個壓縮參數下，壓縮5個壓塊，用5個壓塊的平均值表示此參數下壓塊的直徑和厚度。測量工作是由同一個人完成，以減少人為因素帶來的誤差。壓塊直徑和厚度的第一次測量是在壓塊從模具中拿出后立刻進行的，待測量完成后，對壓塊進行常溫下的密封保存，之后每隔24小時測量一次壓塊的直徑和厚度，以計算壓塊的松弛密度。

2　實驗結果與分析

2.1壓塊松弛密度隨放置時間的變化

（1）在不同的壓縮時間下壓塊松弛密度隨放置時間的變化圖2顯示了壓縮時間在10 s、20 s、30 s、40 s、50 s下，壓塊的松弛密度隨放置時間的關系。從圖2可以看出：1）在壓塊放置6天的過程中，起初壓塊的密度下降較快，后來慢慢地趨近一個穩定值；2）在相同的放置天數下，壓縮時間越長，壓塊的松弛密度越大。

圖2　壓塊松弛密度與放置時間的關系圖

（2）在不同的預壓力下壓塊松弛密度隨放置時間的變化

圖3顯示了預壓力在0.034 MPa、0.10 MPa、0.17 MPa、0.24 MPa、0.31 MPa下，壓塊的松弛密度隨放置時間的關系。從圖3可以看出：1）在壓塊放置6天的過程中，起動壓塊的密度下降較快，后來慢慢地趨近一個穩定值；2）在相同的放置天數下，預壓力越大，壓塊的密度越大。

圖3　壓塊松弛密度與放置時間的關系圖

（3）在不同的生物質質量下壓塊松弛密度隨放置時間的變化

圖4顯示了生物質質量在0.6 g、1.0 g、1.4 g、1.8 g、2.2 g下，壓塊的松弛密度隨放置時間的關系。從圖4可看出，在壓塊放置6天的過程中，起初壓塊的密度下降較快，后來慢慢地趨近一個穩定值。

圖4　壓塊松弛密度與放置時間的關系圖

（4）在不同的生物質含水率下壓塊松弛密度隨放置時間的變化

圖5顯示了生物質含水率在在5%、10%、15%、20%、25%下，壓塊的松弛密度隨放置時間的關系。從圖5可以看出，在壓塊放置6天的過程中，壓塊的密度開始下降較快，后來慢慢地趨近一個穩定值。

圖5　壓塊松弛密度與放置時間的關系圖

從圖2～5還可以發現：不管是在不同的壓縮時間下、不同的預壓力、不同的生物質重量，還是不同的生物質含水率下，在后期測量壓塊密度的過程中，發現壓塊的密度略微有上升的趨勢，這與實際情況相違背。探究其原因，其中重要的一條是：所收集的鋸末是顆粒較小的生物質，在進行雙超聲輔助振動壓縮時，并沒有向鋸末中添加粘結劑，壓塊外表面的鋸末在壓縮的過程中并沒有完全粘結在一起，存在一定量的顆粒與壓塊的連接較松。在每天測量壓塊厚度的過程中，有部分與壓塊接觸較松的顆粒會脫離壓塊，從而導致后期測量的壓塊密度偏大。雖然如此，研究壓塊密度隨放置時間的變化規律對實際的生物質燃料加工生產還是具有一定的指導意義。

2.2壓塊的松弛比

通過壓塊的松弛密度隨放置時間的變化，可以直觀的反映到壓塊松弛密度的變化情況，而無法反映壓塊的松弛程度。通常采用無量綱參數—松弛比，即用模內物料的最大壓縮密度與最小松弛密度的比值來描述成型燃料的松弛程度。在本次實驗過程中，通過測量壓塊的松弛密度隨放置時間的變化，計算壓塊的最大密度與最小松弛密度的比值得到其松弛比。

（1）壓塊的松弛比隨壓縮時間的變化

圖6顯示了壓塊的松弛比與壓縮時間的關系，在壓縮時間為30 s時，壓塊的松弛比達到1.127。

圖6　壓塊的松弛比與壓縮時間的關系

（2）壓塊的松弛比隨預壓力的變化

圖7顯示了壓塊的松弛比與預壓力的關系，在預壓力從0.034 MPa增加到0.17 MPa的過程中，壓塊的松弛比逐漸增加；在預壓力從0.17 MPa增加到0.31 MPa的過程中，壓塊的松弛比逐漸下降，壓塊的松弛比在預壓力為0.17 MPa時達到最大，為1.130。

圖7　壓塊的松弛比與預壓力的關系

（3）壓塊的松弛比隨生物質質量的變化

圖8顯示了壓塊的松弛比與生物質質量的關系，在生物質質量從0.6 g增加到1.0 g的過程中，壓塊的松弛比逐漸增加；在生物質質量從1.0 g增加到2.2 g的過程中，壓塊的松弛比逐漸下降，壓塊的松弛比在生物質質量為1.0 g時達到最大，為1.140。

圖8　壓塊的松弛比與生物質重量的關系

（4）壓塊的松弛比隨生物質含水率的變化

圖9顯示了壓塊的松弛比與生物質含水率的關系，在生物質含水率為20%時，壓塊的松弛比達到1.184。

圖9　壓塊的松弛比與生物質含水率的關系

3　結論

通過研究在不同的壓縮時間、不同的預壓力、不同的生物質質量和不同的生物質含水率下，壓塊的松弛密度隨放置時間的變化，得到了壓塊的松弛密度隨時間的變化規律，即在不同的壓縮條件下，壓塊的松弛密度都是逐漸減小的，但松弛密度減小的程度不同。通過計算在不同壓縮條件下壓塊的松弛比，直觀地反映了在不同的壓縮條件下壓塊松弛密度的松弛程度。研究表明：壓塊的松弛比分別在壓縮時間為30 s、預壓力為0.17 MPa、生物質重量為1.0 g、生物質含水率為20%時達到最大。

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（編輯：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

*國家自然科學基金資助項目（編號：500120068）；機械系統與振動國家重點實驗室開放基金資助項目（編號：500130026）

2014-07-11

唐勇軍，男，1975年生，湖南邵陽人，博士，教授。研究領域：超聲加工技術、新能源制造。已發表論文30篇。