秸稈類生物質壓力成型過程影響因素研究

姬愛民，趙榮煊，李海英，張 澤

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063000)

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秸稈類生物質壓力成型過程影響因素研究

姬愛民，趙榮煊，李海英，張 澤

(華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063000)

以秸稈類生物質作為原料，采用壓力成型設備，試驗研究原料在成型過程中含水率、成型壓力與原料粒度等因素對成型效果的影響。結果表明：含水率、成型壓力與原料粒度等因素不僅影響成型產品的最終密度的大小，而且影響成型產品最終的成型效果，直接決定了成型產品的品質。經過綜合分析可知：秸稈類生物質通過控制含水率在15%左右、粒徑范圍為0～20mm、成型壓力控制為15～25MPa時，可以使成型產品的成型密度與成型效果達到最優值，為秸稈類生物質成型提供最佳的工藝參數。

生物質；固化成型；含水率；原料粒度；成型壓力

0 引言

國內外對于水稻、小麥、玉米等秸稈類生物質的物理特性已有一定的研究[1-2]，但由于地域不同、吸收光照時間長短和土質的差異而造成秸稈主要成分含量的不同；即使是同一種類秸稈的不同部位其半纖維素、木質素與纖維素成分含量都存在較大差異。生物質壓縮成型過程中影響成型因素比較多，在研究的初期比較關注成型密度與壓力之間的關系，對于其它成型因素對成型效果的影響探究很少。近年來，由于能源危機的到來，化石燃料緊缺，同時燃燒過程中造成環境污染[3-4]。國內外研究學者開始重視對生物質壓縮成型技術的探究，對于生物質壓縮成型過程中的各種因素影響也做了相關的理論分析與試驗論證[5-6]。本文以唐山市玉米秸稈為對象，闡述秸稈在成型燃料成型過程中對成型效果的影響，從秸稈的含水率、粒徑與成型壓力3個方面進行試驗研究，為唐山市農作物秸稈的壓縮成型燃料提供相關的理論依據[7]。

1 試驗內容

1.1 試樣準備

以唐山市農作物秸稈為實驗研究對象，利用9YP-1000秸稈成型燃料機把粉碎的秸稈加工制成固體成型燃料。秸稈來自唐山市灤縣小馬莊種植農田，經過干燥脫水和粉碎處理。其過程為：機械切割后的秸稈，經過粉碎機的處理，破碎至粒徑5～40mm，放置到晾曬場晾曬5天，使其含水率低于40%以下，把一小部分裝袋運回實驗室；在電熱恒溫鼓風干燥箱105℃(±5 ℃)條件下烘干10h，采用德國Elementar VARIO EL cube元素分析儀，對秸稈試樣進行元素、工業分析研究，如表1所示。

表1 秸稈試樣元素、工業分析

進行玉米秸稈的壓縮成型影響因素的試驗分析，首先需要確定試驗材料的相關特性與物理參數值，并根據這些參數進行計算，得到有用的試驗參數，如材料密度、含水率及粒徑等。試驗測量所需用到的試驗設備和儀器為Adventurer電子天平(精度0.001g)、電熱恒溫鼓風式干燥箱、篩子(粒徑20、40mm)及游標卡尺等。

由于秸稈顆粒自身的特殊性，秸稈顆粒與顆粒周圍充滿空隙，同時秸稈自身還有空隙存在，所以實驗所測的生物質密度為堆積密度，是指在顆粒在自然堆積狀態下顆粒與顆粒之間的空隙也當作物質的體積來計算得出物質的密度。

本實驗采用空氣干燥法測量秸稈原料的含水率，從原材料中分別取出少量樣本(10g)左右，用密封袋封好，目的是不讓空氣中的水分干擾物料的水分；統一放到電熱恒溫鼓風干燥箱中，設定干燥溫度為105℃(±5 ℃)，每2h稱1次樣品質量，記錄數據，一直到連續2次的干燥試樣質量減少量不能超過0.01g或者試樣質量為增加時為止。在后面的一種條件下，可采用試樣質量增加的上一次稱得試樣質量為計算數據。稱量試樣質量所用到的儀器為Adventurer電子天平，精度0.001g。

實際的秸稈顆粒并不是大小均勻的，而是由不同粒度的粒徑顆粒堆積而成。在本次實驗的原料準備階段中，分別用篩子篩選出粒徑為0～20mm和20～40mm的秸稈，形狀為不規則且有少量圓柱狀。

1.2 成型設備參數

本實驗所采用的設備為唐山市灤縣新順達有限公司的9YP-1000成型壓力壓塊機，由固定的單列方模孔的環模和兩個嚙合的偏心壓輪組構成。該機主要由動力系統、柴油機、電動機、自動電壓控制系統、液壓系統及儲料系統組成。生產處理能力為1 039kg/h，耗電量僅為26kW·h/t，如圖1所示。

1.傳輸帶 2.成型模具 3.出料口 4.料斗 5.電機箱 6.電氣控制柜

2 成型影響因素分析

2.1 含水率實驗分析

含水率實驗分析是在某種特定的壓力、相同的粒徑尺寸與溫度的條件下，觀測不同的含水率物料對最終成型效果的影響(主要以觀測成型燃料的密度和觀察成型品的表面光滑程度為實驗的評價指標)，并做出物料含水率同成型燃料成型密度之間的關系曲線。實驗成型密度結果如表2所示。

表2 秸稈在含水率不同條件下成型密度表

Table 2 Straw under the condition of moisture content of different forming density table

秸稈含水率/%原料密度/g·cm-3成型燃料密度/g·cm-3壓縮比/φ成型效果10．90．3181．196183．76表面有明顯裂痕12．00．3231．219643．77光滑度低，有裂紋13．40．3361．298123．86表面光滑14．60．3421．408334．12成型效果好，表面光滑15．30．3531．401723．97成型效果好，表面光滑15．90．3791．30953．46成型效果好，表面光滑16．40．3851．269423．29表面有明顯裂痕17．30．4131．244033．01成型效果差，裂痕嚴重，易碎19．50．4261．139572．68成型效果差，顆粒易脫落，不成型

實驗選用玉米秸稈為原料，使用9YP-1000型成型燃料機對其進行壓縮成型。在電機額定功率下，環模溫度達到220℃、原料粒徑尺寸為0～20mm時，對多組不同含水率的原料進行壓縮成型實驗，從中找出最好的成型效果與成型密度較大的含水率試樣。

為了保證實驗的準確性，選取含水率為10.9%、12.0%、13.4%、14.6%、15.3%、15.9%、16.4%、17.3%、19.3%等9種不同的含水率試樣作為參考，分別對含水率不同的物料試樣按照相同工藝的進行壓縮成型實驗。實驗成型密度實際效果如圖2所示。

含水率不同的物料對生物質壓縮成型效果有比較大影響，含水率過低或過高都會對成型效果造成嚴重的影響。所以，物料的含水率成為了生物質壓縮成型過程中的十分重要的影響因素[8]。含水率的大小直接影響粒子層之間的結合力，從而對成型效果有著顯著的影響。經研究發現，木質顆粒含水率范圍在6%～12%內，成型效果最佳[9]。

圖2 不同含水率秸稈條件下成型實際效果圖

含水率與秸稈試樣壓縮成型之間有著密不可分的聯系，如圖3所示。從觀察成型塊的效果可知：當含水率低于14%時，成型燃料的表面會出現一些裂痕，同時成型密度小，抗摔性較差，試樣成型效果一般；原料的含水率過低時，木質素不能得到充分地轉化，從而大大降低了粘結效果，其內的粒子與粒子之間的摩擦越來越大，同時會產生過多的壓縮耗能，還會增強粒子之間的抗壓強度，從而使得原料成型變得越發困難。

試樣含水率高于16%或者更高時，當原料試樣中的含水率過高時，成型燃料在成型加熱的過程當中，燃料內部會存在大量的蒸汽，這些積攢的蒸汽無法順利地從燃料內部排出。當燃料有輕微的蒸汽情況時，可能會導致成型燃料的表面十分不平整或有裂痕；當燃料有嚴重的蒸汽情況時，在加熱過程中會產生爆鳴。與此同時，原料試樣含水率過高還可能導致生物質顆粒之間的導熱速率大大降低。這是由于在此過程中一部分的熱量消耗會用來蒸發試樣中水分，因此造成了試樣不必要的能量消耗。含水率過高導致顆粒之間吸引力減小，影響交錯疊加力；當成型燃料出模后，導致燃料體積膨脹從而強度降低。成型表面出現明顯的裂紋，與此同時隨含水率的增加，成型效果越差，原料顆粒不能很好進行粘連，破碎嚴重很難成型。在實驗室自然風干的條件下，觀察幾日成型燃料裂痕會完全裂開。

含水率在14%～16%之間時，成型燃料表面光滑，沒有出現裂紋，同時試樣的成型密度較大，成型效果最好。原料試樣中含有少量的水分，是生物質壓縮成型重要的自由基，能夠加速木質素的塑化、軟化過程，從而降低了試樣中木質素的軟化點。在一定的成型工藝情況下，木質素可以與果膠質或者糖類進行混合最終生成膠體，生成的膠體具有同樣的粘結作用[10]。

在實際實驗過程當中，對于含水率的控制是很難的，以上實驗僅僅表明玉米秸稈在10%～20%之間的成型效果圖。通過上面的簡單分析，從感官上了解秸稈含水率對成型塊密度的影響，圖3更能直觀地反應秸稈含水率與壓塊成型密度之間的關系。根據本次試驗得出的數據，含水率在15%左右時成型密度最好，符合行標NY/T1878—2010生物質固體成型燃料基本的性能要求，與樊峰鳴等進行的大粒徑生物質含水率研究結論一致[11]。

圖3 秸稈成型燃料密度與試樣含水率之間的關系曲線圖

2.2 粒徑實驗分析

實驗選用含水率為15%的玉米秸稈為原材料，使用9YP-1000型成型燃料機，在電機額定功率下對原料的粒徑尺寸進行細分，分別選取粒徑為0～20mm和20～40mm的秸稈，對不同粒徑的原料進行壓縮成型實驗，從中找出成型效果最好與試樣成型密度較大的成型燃料試樣，結果表3、表4和圖4所示。

表3 原料粒徑范圍為0～20mm條件下成型密度表

Table 3 Particle size range of 0～20 mm under the condition of forming density chart

原料密度/g·cm-3成型燃料密度/g·cm-3壓縮比φ成型燃料效果0．3531．65874．69成型效果良好，表面光滑0．3531．60524．54成型效果良好，表面光滑0．3531．51714．29成型效果良好，表面粗糙0．3531．50794．27成型效果一般，表面粗糙0．3531．32693．75成型效果一般，表面粗糙0．3531．28253．63成型效果一般，表面裂紋0．3531．24403．52成型效果一般，不實

表4 原料粒徑范圍為20～40mm條件下成型密度表

Table 4 Particle size range of 20～40 mm under the condition of forming density chart

原料密度/g·cm-3成型燃料密度/g·cm-3壓縮比φ成型燃料效果0．3531．275903．61成型效果一般，不實0．3531．213693．43成型燃料主體有裂紋0．3531．199063．96成型燃料主體裂紋嚴重0．3531．157243．27成型燃料主體裂紋嚴重0．3531．148333．25成型燃料主體裂紋嚴重0．3531．122433．17不成型0．3530．995222．81不成型0．3530．829352．34不成型

圖4 不同粒徑條件下燃料按密度大小排列效果圖

按照一定的成型工藝規定，生物質成型原料的粒徑與分布應當小于要求的尺寸。與此同時，當成型工藝不同時，對粒度尺寸的要求也盡不相同。

由表3、表4和圖4可知：秸稈試樣粒度的大小對成型最終效果有著較大的影響。由實驗結果可知：粒度為0～20mm的玉米秸稈顆粒的成型效果明顯優于粒度為20～40mm的玉米秸稈顆粒。粒度范圍在0～20mm的成型燃料不僅成型密度整體較高，同時成型燃料表面效果好，裂紋少且光滑，幾乎都能成型。秸稈試樣的粒度越小時，成型燃料越容易成型，粒度尺寸越大時，物料難被壓縮不易成型。這是由于在相同成型壓力的條件下，秸稈試樣的粒度越小，自身的變形率就會增加。所以，在壓縮前對原料細化處理，原料試樣粒度范圍小，可以使試樣顆粒在成型模具中分布更加均勻，提高散粒子之間的粘結能力，從而提高秸稈燃料壓塊的成型質量。但若原料試樣的粒度范圍太小，容易發生吸濕回潮，成型后易開裂甚至碎散，制約成型燃料的成型效果，燃料外表面顆粒物質反而易脫落；粒度若太大，顆粒的可壓縮性變小，成型燃料內部殘余應力變大，成型裂紋嚴重。

2.3 壓力實驗分析

本實驗考察相同含水率的秸稈試樣在不同成型壓力的作用下的壓縮成型效果，根據成型效果的好壞找出成型燃料密度與成型壓力之間的關系，擬合出成型壓力與成型燃料的密度之間的某種關系，做出相關影響曲線，為生物質壓縮成型燃料設備的設計參數及生產加工工藝提供參考。

由于9YP-1000型成型燃料機的電機采用固定功率，成型壓力不可控，所以采用實驗室液壓萬能試驗機來代替。采用相同的含水率為15%的原料，每隔5MPa做1次實驗，觀察壓縮成型效果并做實驗記錄，結果如圖5和表5所示。對已成型的成型燃料，測量其成型燃料的質量與體積，算出壓縮成型后的成型燃料密度，做好標記。

從成型機理上分析，壓力對于成型效果的影響十分明顯。成型壓力過低時，成型效果較差,成型燃料易碎裂，甚至不能成型[12-13]。由圖5和表5可知：設備的成型壓力對以秸稈為試樣的成型燃料的密度有著很大的影響。隨著壓力的增大，所得到的成型燃料密度也伴隨著逐漸增大，成型效果也是越來越光滑。當壓力低于10MPa時，物料受到較小的壓力，成型燃料不實，而且成型燃料密度非常低，表面粗糙，很容易斷裂，在實驗室自然風干的條件下，1天后成型燃料表面裂紋會增大。當物料受到的壓力大于15MPa時，成型效果總體趨勢是較好的，表面光滑，成型密度隨著壓力的增加而增加；大于20MPa時，密度的增長速率放緩。

圖5 秸稈在不同成型壓力條件下成型實際效果圖

成型壓力/MPa原料密度/g·cm-3成型燃料密度/g·cm-3壓縮比φ成型燃料效果10．40．3530．752．12表面有明顯裂痕14．60．3530．882．49光滑度低，有裂紋21．20．3530．92．54表面光滑25．80．3530．932．63成型效果好，表面光滑29．60．3530．942．66成型效果好，表面光滑

根據實驗得出數據，繪制出秸稈成型燃料的成型密度與成型壓力的曲線圖，如圖6所示。從圖6可以看出：當成型壓力大于15MPa之后，成型燃料密度增大的幅度變化不是很大；當壓力值大于25MPa時，秸稈成型塊與成型模具發生相互摩擦同時生熱，成型燃料表面會出現碳化現象。通過對測量值進行多項式擬合，其擬合度可達到R2=0.945 05，說明擬合曲線與測量值很接近。由此總結出成型壓力對燃料成型密度之間的曲線關系式為

y=0.1+0.10179x-0.00426x2+0.00006x3

R2=0.94505

式中y—壓縮成型后玉米秸稈密度(g/cm3)；

x—物料受到壓力(MPa)；

R—相關性。

圖6 成型壓力與成型燃料密度之間的關系

3 結論

物料的含水率與成型燃料致密成型有著密切的關系。當含水率高于20%時，會導致成型塊不實或者是成型較困難，同時自然放干后成型塊易碎；當含水率低于10%時，成型塊表面不光滑、不平整，極易出現裂痕或者裂紋，從而降低了成型燃料的密實性，在貯存或者運輸過程中出現成型燃料的破損。物料的含水率為15%左右時成型效果是最佳的，但在現實的加工批量生產過程中，含水率參數是很難控制得非常精確的。

通過對不同粒度的秸稈原料進行壓縮成型實驗研究，雖然在實驗過程中具有一定的限制與局限性，但在很大程度上能解釋一些問題。研究結果表明：較大粒徑的原料成型效果不如小粒徑的效果明顯；粒度范圍在0～20mm成型效果不錯，表面光滑，明顯優于20～40mm范圍的粒徑成型質量。同時，從實驗中能夠直觀地了解成型燃料的密度與成型壓力成正比例關系。壓力范圍在15～25MPa時能滿足原料試樣的壓縮成型條件，且燃料外表面光滑，成型效果較好。

實際壓縮過程中，各個因素對成型效果的影響是交錯復雜的，不能僅從單一因素的角度進行考慮，而應顧及各個因素之間存在的相互影響和相互聯系。

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Study on the Influencing Factors of Straw Biomass Pressure Forming Process Design of the Divided No-till Wheat Planter

Ji Aimin, Zhao Rongxuan, Li Haiying, Zhang Ze

(College of Metallurgy and Energy, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, China)

Using straw biomass as raw material, the pressure forming equipment was used to study the influence of moisture content, forming pressure and particle size forming factors on the forming effect. The results showed that the size of the final density of the water content, molding pressure and particle size of raw material forming factors not only affect the molding products and affect shape the final product of the forming effect, directly determines the quality of molding products. After comprehensive analysis shows that: the biomass by controlled rate within a range of about 15% moisture content, the particle size range of control in 0 ～ 20mm, molding pressure control in the range 15 ～ 25MPa, can be a molding products of the density of molding and shaping effect to reach the optimal value. Provide the best technological parameters for straw biomass molding.

biomass; solidification molding; moisture content; particle size; molding pressure

2016-01-14

河北省科技廳計劃項目(14227309D)

姬愛民(1980-),男，河北滄州人，講師，博士，(E-mail) 32483530@qq.com。

趙榮煊(1988-)，男，河北秦皇島人，碩士研究生，(E-mail) 291462226@qq.com。

TK62

A

1003-188X(2017)02-0220-06