國槐、海棠和向日葵農林廢棄物熱壓成型工藝優化

張穎男，張 靜，鄭德聰，吳 鍇，張秀全，楊 瑞

(山西農業大學工學院，山西 太谷030801)

0 引言

近年來，能源問題一直受到廣大關注。化石燃料不可再生，生物質能源成本低、數量龐大、可循環再生且燃燒產物中氮氧化物和硫氧化物等環境污染物相對較少，可有效緩解大氣污染問題[1]。開發利用生物質能源來代替或減少化石能源的消耗是一條可行之路[2]。林木廢棄物作為一種可再生清潔能源，來源廣泛，但本身體積大、密度低、占地面積大，相對運輸困難，若加工成體積小密度大的生物質燃料，則可變廢為寶[3-5]。

目前，國內外學者對檸條、玉米秸稈和杉木等農林廢棄物固體燃料的壓縮成型進行大量的研究，但仍有大量的生物質資源有待開發利用[6-9]。該文以山西省2018年秋季收獲的國槐、海棠園林修剪廢棄物和向日葵秸稈為原料，研究顆粒度、含水率、溫度和壓力對3種物料熱壓成型的影響規律，采用Taguchi法對其成型工藝參數進行優化分析，為農林廢棄物能源化利用提供基礎數據。

1 材料和方法

1.1試驗設備

試驗所用儀器設備主要包括數顯立式油壓千斤頂(測力范圍0～200 kN)，加熱設備(由陶瓷加熱圈和溫控箱組成，溫控箱精度為0.1 ℃)，以及9F 50-50型粉碎機。其他試驗器材包括DL91150型游標卡尺(量程0～150 mm，分度值0.01 mm)，SY101-2型鼓風干燥箱(分度值1 ℃)，以及CP1502型分析天平(分度值0.01 g)。

1.2試驗方法

將國槐、海棠和向日葵秸稈物料在粉碎機中粉碎，用不同粒徑篩孔的篩子進行篩分，分別得到0～0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2.50和2.50～5.00 mm 5個粒徑范圍的粉末。將物料粉末放置入鼓風干燥箱中，在105 ℃的環境下放置72 h使其充分干燥。根據試驗需要，將適量水均勻噴于原料中攪拌均勻，以獲得不同含水率的原料。

1.3成型試驗

試驗采用內徑為40 mm的不銹鋼單軸圓柱形的壓縮模具，如圖1所示，成型過程不加任何添加劑[10]。在套筒外加置陶瓷加熱套筒，以控制不同成型溫度。先將一定量物料放置于套筒內，并打開加熱套筒，用溫度探頭測量到達指定溫度后，用油壓千斤頂進行施壓，到達設定壓力后進行3 min的保壓操作，之后對模具施壓將成型壓塊擠出。然后將成型壓塊放置于密封良好的密封袋中進行保存。

1.4Taguchi法

Taguchi法由日本學者田口玄一提出，是一種通過少數試驗便能指出最佳化趨勢的試驗方法[11]。

該方法用SN(信噪比)來衡量物料塊品質特性，有望大特性(其品質特性越大效果越好)、望小特性(其品質特性越小效果越好)和望目特性(品質特征值是一定值)3種類型計算[12]。對于生物質固體燃料而言，密度越大越能保證其運輸、儲藏與燃燒的品質，故采用望大特性，其LTB(SN)如式(1)計算。

(1)

式中yi——第i個品質特性(壓塊密度)

n——試驗的重復次數

比效應值(M)水平=i因素=I，即I因素水平SN(信噪比)的平均值如式(2)計算。

(2)

式中nIi——因素I在水平i中出現的總次數

j——信噪比的出現順序

各因素對成型效果(壓塊密度)的貢獻率，運用SAS對正交試驗結果進行方差分析，可得出各因素對密度的貢獻率，如式(3)所示[11]。

(3)

式中ρF——貢獻率， %

F——不同因素

SSF——總平方和

DOFF——各因素自由度

VEr——誤差方差

1.5試驗設計

試驗研究顆粒度、含水率、成型溫度和壓力4因素對國槐、海棠園林廢棄物和向日葵秸稈固體燃料的影響，各變量選取3個水平，按照正交表共進行9組試驗。由于密度是衡量生物質固體燃料物理特性的常規測量值，反應了固體燃料品質的優劣，研究僅以密度作為固體燃料物理性能指標[13]。

固體燃料壓塊為規則圓柱形且顆粒分布均勻，故其密度的計算采用質量體積公式，如式(4)所示。每個樣品均測量3次取平均值。

(4)

式中De——壓塊密度，gcm3

d——壓塊直徑，cm

l——厚度，cm

M——壓塊質量，g

2 結果與分析

2.1單因素試驗分析

試驗研究顆粒度、含水率、成型溫度和壓力因素對國槐、海棠和向日葵秸稈物料固體燃料密度的影響規律。國槐、海棠以顆粒度0.63～1.25 mm、含水率6%、溫度90 ℃和壓力90 MPa為條件，向日葵以顆粒度0.63～1.25 mm、含水率10%、溫度150 ℃和壓力90 MPa為固定條件，分別以顆粒度、含水率、溫度和壓力4因素為變量，其他3個因素不變，觀察密度變化情況，試驗結果如圖2～5所示。

圖2為顆粒度對密度的影響，觀察圖2可以得出，隨著顆粒度的增大，密度大致呈下降趨勢，顆粒度過小能耗增大且不宜成型，故物料最佳顆粒度的范圍為0.16～2.50 mm[14]。

圖3為含水率對密度的影響，觀察圖3可以得出，含水率過高或過低成型效果不佳，故國槐、海棠含水率在4%～8%，向日葵含水率在4%～10%，密度較高且相對穩定[15]。

圖4為溫度對密度的影響，觀察圖4可以得出，在達到碳化溫度之前，密度隨溫度的升高逐漸增大，結合能耗考慮，國槐、向日葵最佳成型溫度為70～130 ℃，海棠最佳成型溫度為90～130 ℃[7]。

圖5為壓力對密度的影響，觀察圖5可以得出，國槐、海棠成型密度隨壓力的升高逐漸增大，最佳成型壓力為70～110 MPa，向日葵成型密度和壓力呈倒U曲線，故其最佳成型壓力為50～110 MPa[16]。

2.2Taguchi法優化

根據單因素試驗結果，取各因素中密度最優參數，進行Taguchi法優化，結果如表1所示。

2.2.1最優條件

表1為國槐、海棠和向日葵正交試驗結果及信噪比，顆粒度、含水率、成型溫度和壓力4因素均根據單因素試驗結果選取3個密度最佳水平，表中的Y1、Y2和Y3均為在密度均值上下選取，且與密度均值最為接近的3個數據，之后運用式(1)計算出信噪比。圖6為國槐、海棠和向日葵正交試驗成型壓塊，編號與表1中物料序號一一對應，1、2和3壓塊顆粒度相同為0.16～0.63 mm，4、5和6壓塊為0.63～1.25 mm，7、8和9壓塊為1.25～2.50 mm，觀察可得，成型效果與信噪比基本一致，7、8和9壓塊相比1～6壓塊平整，大粒徑通過機械互鎖使其粘結程度更高。國槐、海棠的3、6和9壓塊出現輕微裂縫，是由于選取含水率略高所致；國槐、海棠和向日葵的1、5和9壓塊成型效果不佳，是由于成型壓力70和60 MPa過低造成的，高壓可以使物料中粘結成分從粒子中擠出，且大小粒子相互交錯，成型效果越好。國槐、海棠的3、5和8壓塊及向日葵的2、4和9壓塊成型效果良好，其成型溫度為130 ℃和140 ℃，高溫使物料中木質素等天然粘合物分子運動加劇，粘合效果更好。觀察表1可得，國槐的9組試驗中，第7組的信噪比最大，為1.00；海棠的9組試驗中，第7組的信噪比最大，為0.84；向日葵的9組試驗中，第4組的信噪比最大，為0.32。

表2所示為國槐、海棠和向日葵比效應值，其中的A、B、C和D分別表示顆粒度、含水率、溫度和壓力，由表2可得出國槐4個因素在3種水平下SN比效應最大值分別為0.33(顆粒度0.63～1.25 mm)、0.66(含水率5%)、0.43(溫度130 ℃)和0.51(壓力100 MPa)，并以此組合進行驗證試驗，所得結果的信噪比為1.23，大于第7組的信噪比1.00。海棠的比效應最大值分別為0.18(顆粒度0.63～1.25 mm)、0.37(含水率5%)、-0.01(溫度130 ℃)和0.15(壓力100 MPa)，并以此組合進行驗證試驗，所得結果的信噪比為0.91，大于第7組的信噪比0.84。向日葵比效應最大值分別為-0.54(顆粒度0.16～0.63 mm)、0.02(含水率6%)、-0.30(溫度140 ℃)和-0.11(壓力120 MPa)，并以此組合進行驗證試驗，所得結果的信噪比為0.87，大于第4組的信噪比0.32。由此得出國槐、海棠固體燃料成型的最優條件：顆粒度0.63～1.25 mm，含水率5%，溫度130 ℃，壓力100 MPa；向日葵固體燃料成型的最優條件：顆粒度0.16～0.63 mm，含水率6%，溫度140 ℃，壓力120 MPa。

2.2.2各因素百分比貢獻率

對各因素水平下的試驗數據借助SAS軟件進行方差分析，得出各因素對成型效果即密度大小的貢獻率，結果如表3所示。

表中A、B、C和D分別表示顆粒度、含水率、溫度和壓力，分析方差結果可知：除顆粒度對國槐固體燃料密度不顯著外(可能是試驗誤差所致)，其余因素對國槐、海棠和向日葵固體成型密度均有極顯著影響。觀察各因素對成型效果即密度大小的貢獻率，可知含水率對國槐、海棠和向日葵固體成型密度的貢獻率分別為69.06%、69.15%和53.72%，遠高于其他因素的貢獻率；壓力(18.42%、11.99%和33.27%)次之；國槐、向日葵溫度(7.54%、9.47%)較顆粒度(0.67%、2.01%)貢獻率高，海棠溫度(2.67%)較顆粒度(12.13%)貢獻率低；誤差對國槐、海棠和向日葵固體成型密度的影響較小，為4.31%、4.06%和1.53%。

表2 比效應值

表3 方差分析

3 結論

對國槐、海棠園林廢棄物和向日葵秸稈固體燃料的熱壓成型工藝進行研究，分析顆粒度、含水率、溫度和壓力對成型效果的影響，結論如下。

(1)國槐原料在含水率為4%～8%，溫度70～130 ℃，壓力為90～110 MPa，顆粒度0.16～1.25 mm的條件下成型密度可達到1.0 gcm3以上，成型效果較好。海棠原料在含水率4%～8%，溫度90～130 ℃，壓力90～110 MPa，顆粒度0.16～2.50 mm的條件下成型密度均在0.977 gcm3之上，成型效果良好。向日葵原料在含水率4%～10%，溫度90～150 ℃，壓力70～110 MPa，顆粒度0.16～1.25 mm的條件下成型密度較高且穩定。

(2)國槐、海棠固體燃料成型的最優條件：顆粒度0.63～1.25 mm，含水率5%，溫度130 ℃，壓力100 MPa，密度達到最高值1.153和1.111 gcm3。向日葵固體燃料成型的最優條件：顆粒度0.16～0.63 mm，含水率6%，溫度140 ℃，壓力120 MPa，密度達到最高值1.108 gcm3。在各自最優條件下，國槐壓塊密度高于海棠和向日葵壓塊密度，向日葵壓塊密度最低。根據方差分析，國槐、海棠和向日葵物料的顆粒度、含水率、溫度和壓力對固體燃料的成型均有顯著效果，且各因素對成型效果的影響率，含水率對國槐、海棠和向日葵固體成型密度的貢獻率分別為69.06%、69.15%和53.72%，遠高于其他因素的貢獻率；壓力(18.42%、11.99%和33.27%)次之；國槐、向日葵溫度(7.54%、9.47%)較顆粒度(0.67%、2.01%)貢獻率高，海棠溫度(2.67%)較顆粒度(12.13%)貢獻率低。