不同因素對煙稈顆粒壓縮成型影響的試驗研究

張富貴,孟 輝,張 龍,陳 雪,符德龍,戚源明

(1.貴州大學 a.機械工程學院;b.現代制造技術教育部重點實驗室,貴陽 550025;2.貴州省煙草公司畢節市公司,貴州 畢節 551700;3.中國煙草總公司貴州省公司,貴陽 550001)

0 引言

我國擁有豐富的農作物秸稈資源,據不完全統計,目前全國秸稈每年產量9億t多,綜合利用率達82%以上,利用方式多種多樣,基本形成了以肥料化利用為主,飼料化、燃料化穩步推進,基料化、原料化為輔的綜合利用格局[1]。在自然狀態下,農作物秸稈較為松散且容積密度小,在存儲和運輸過程中需占用較大空間,造成秸稈儲運成本增加,工程上通常采用先粉碎后壓縮的方式來解決[2-3]。查閱大量文獻發現：影響秸稈壓縮成型的因素眾多,有喂入量、粒度大小、成型壓力、含水率、壓縮速度及振動等因素;同時,國內外許多學者在壓縮物料研究對象上,主要集中在牧草、稻草、小麥、玉米和棉稈等秸稈方面,并取得了大量的研究成果[4-12],但以煙稈顆粒作為研究對象的壓縮成型試驗尚未出現。

煙草是我國最重要的經濟作物之一,每年都會產生290萬t多的煙稈資源[13]。煙稈作為煙葉收獲后的主要副產品,是一種寶貴的可再生生物質資源,可用于能源化、肥料化、原料化和基料化等方面。在能源化方面,煙稈可用于制備生物質燃料,可以將煙稈壓塊作為燃料烘烤煙葉,也可用于制備乙醇,或是生產沼氣。在肥料化方面,煙稈可用于制取有機肥,煙稈中含有N、K、P等各種元素,以及較高的纖維素和木質素,可作為土壤腐殖質的重要來源,也可與其他動物糞便混合處理制作堆肥。在原料化方面,煙稈可用于制備活性炭,也可用于提取煙堿、果膠、蛋白質等,也可用于制造纖維板和造紙。在基料化方面,煙稈可用于食用菌的培養基質,替代常規的棉籽殼、稻草及木屑材料[14-16]。由此可以看出,煙稈資源具有十分廣泛的應用前景。

盡管目前秸稈類壓縮打包設備已相當成熟,但煙稈是一種半木質化的非木材植物纖維材料,其形態結構介于闊葉材和禾本科原料之間[17],與一般常見秸稈種類的物化特性有著很大區別。以現有9YF-70型玉米秸稈壓縮打包機試驗,發現并不能完成煙稈顆粒的壓縮打包。因此,開展煙稈顆粒壓縮特性的試驗研究對煙稈綜合利用和相關設備的研制意義重大。

為此,綜合分析了影響煙稈壓縮成型的各種因素,并結合實驗室現有設備,以煙稈顆粒粒度大小、喂入量和成型壓力為試驗因素進行壓縮特性試驗研究,探究分析其影響煙稈顆粒壓縮成型及成型塊品質的規律,為煙稈顆粒壓縮成型設備的設計提供理論依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料與設備

試驗煙稈采自貴州省畢節市威寧縣煙草植煙地,經自然風干后,含水率在30%左右;然后,經9Z-5.0型鍘草機粉碎后,用不同規格的篩網將煙稈顆粒篩分成3種等級,粒度大小分別為0～10mm(細粒)、10～20mm(中粒)和20～30mm(粗粒),并分別密封于塑料袋內置于陰涼處,以備試驗使用。

壓縮試驗采用鄭州鑫和機械制造有限公司生產的DLB-100型硫化機(見圖1),工作臺面積大小為600mm×600mm,柱塞直徑300mm,柱塞行程500mm,工作壓力9.8×105N。壓力表采用宜興市雙華儀表有限公司生產的電接點壓力表,可通過指針調節上限壓力大小。計時器采用欣靈電氣股份公司生產的HHS11(JS11S)型數顯時間繼電器,可用于設置保壓時間。

圖1 試驗設備Fig.1 The experimental equipment

試驗采用自行設計的鋼制方形模具,主要包括模具成型腔和壓縮推板兩部分,通過查找已有文獻和結合目前已有壓縮打包機現有截面尺寸,成型腔內截面尺寸取30cm×30cm,高度為30cm,壁厚20mm,實物如圖2所示。

(a) 壓縮推頭 (b) 壓縮模具圖2 試驗模具Fig.2 The experimental mold

1.2 試驗方案及過程

通過查閱文獻資料發現,秸稈物料壓縮成型與多種因素有關,喂入量、成型壓力、粒度大小是影響壓縮成型的3個重要因素。因此,結合實驗室現有設備,針對煙稈顆粒粒度大小、喂入量和成型壓力3個因素進行壓縮試驗,研究各因素對煙稈壓縮成型的影響規律,同時采用松弛密度和松弛比來表征煙稈顆粒成型塊的物理品質。松弛密度是指壓縮塊壓縮成型后,靜置一段時間(本試驗靜置36h)后壓縮塊的密度。松弛密度比模內的最終壓縮密度小,通常采用無量綱參數—松弛比,即模內物料最終壓縮密度與松弛密度的比值描述成型塊的松弛程度[18-19]。

1.2.1 試驗方案設計

本文分為兩個階段,設計研究了粒度大小、喂入量和成型壓力對煙稈壓縮成型的影響,首先分析了粒度大小與喂入量的影響;其次,分析了喂入量與成型壓力的影響。各階段試驗因素及水平選擇如表1和表2所示。

表1 試驗一的因素和水平表Table 1 The factors and levels of test one

表2 試驗二的因素和水平表Table 2 The factors and levels of test two

1.2.2 試驗過程

壓縮成型試驗在常溫條件下進行,壓縮煙稈顆粒未添加任何粘合劑,含水率保持在30%左右,壓縮速度約為300mm/min,柱塞提供最大壓縮力9.8×105N,并獲得相應條件下最大壓縮密度,同時保壓1min。試驗一：在喂入量保持2kg、最大壓力16MPa下,對不同粒度大小進行了試驗研究;在粒度為10～20mm、最大壓力16MPa下,對不同喂入量進行了試驗研究。壓縮成型塊出模后,先測量一次壓縮塊的高度h1,然后將其置于通風空曠平整處,經36h應力松弛后,再測量一次壓縮塊的高度h2。試驗二：壓縮試驗材料為直接粉碎后的煙稈顆粒,粒度大小為0～30mm、3MPa為例,依次對1、1.5、2、2.5、3、3.5、4kg煙稈顆粒進行壓縮試驗,壓縮成型后取出壓縮試樣,先測量一次壓縮塊的高度h1,然后將其置于通風空曠平整處,經36h應力松弛后,再測量一次壓縮塊的高度h2。為更好地貼合壓縮設備的實際壓縮環境,故每次壓縮煙稈顆粒時,都從自然蓬松狀態下開始,相同壓縮條件下,試驗一與試驗二都重復2次,并對所有試驗結果求平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 不同因素對煙稈顆粒壓縮的試驗結果

壓縮式樣如圖3、圖4所示。

(a) (b)圖3 試驗一的壓縮試樣Fig.3 The compressed samples of test one

(a) (b)圖4 試驗二的壓縮試樣Fig.4 The compressed samples of test two

2.2 不同粒度大小和喂入量對煙稈顆粒壓縮成型的試驗結果分析

2.2.1 煙稈顆粒不同粒度大小與喂入量對壓縮成型影響的分析

由圖5可知：隨著煙稈顆粒粒度的增大,在同等壓縮條件下,壓縮密度呈現逐漸降低的趨勢。由此可得出煙稈顆粒的粒度越小,其壓縮密度越大;相反粒度越大,壓縮密度則呈現下降的趨勢。考慮到煙稈顆粒下一步碳化處理的要求,即煙稈顆粒粒度不能太小,否則嚴重影響碳化效果和總產量。因此,經綜合考慮,在煙稈顆粒粒度選擇上不應小于10mm。

圖5 不同粒度下煙稈顆粒壓縮特性曲線Fig.5 The compression characteristic curve of tobacco stalk grains with different granularity

由圖6可知：隨著喂入量的增加,壓縮密度呈現出先下降后上升的趨勢,說明存在著一個臨界最低密度喂入量,在這喂入量下,壓縮密度最小,而低于或是高于這個喂入量,壓縮密度有所回升,表現出逐漸增長趨勢。

圖6 不喂入量下煙稈顆粒壓縮特性曲線Fig.6 The compression characteristic curve of tobacco stalk grains with different feeding amount

究其原因,可解釋為當低于這個臨界最低密度喂入量時,主要是煙稈顆粒本身受到了不可變形的塑性形變;高于這個臨界最低密度喂入量時,煙稈顆粒間的空隙較多,可填充空間較大,在成型壓力下,主要是填充煙稈顆粒間的空隙;而處在這個臨界最低密度喂入量時,可填充的空隙較少。同時,此時的壓力不能對所有的煙稈顆粒造成塑性形變,因而此時的壓縮密度較低。

2.2.2 基于不同粒度大小和喂入量條件下煙稈壓縮成型塊物理特性分析

1)不同粒度對成型塊物理特性的影響。不同粒度大小對壓縮塊松弛密度和松弛比的效應,如表3所示。

表3 不同粒度大小對壓縮塊松弛密度和松弛比的效應Table 3 Effects of different particle sizes on relaxation density and relaxation ratio of compressed blocks

由表3可知：基于16MPa壓力下,從自然蓬松狀態下開始壓縮,發現細粒煙稈顆粒的最終壓縮密度最大,松弛密度最大,松弛比也最大;中粒煙稈顆粒壓縮密度和松弛比均低于細粒和粗粒煙稈顆粒。由此可知：煙稈顆粒越小越易壓縮成型,但壓縮成型后松弛比明顯較大;隨著粒度的增大,最終壓縮密度開始減小,松弛比也開始減小,但本試驗發現,并非粒度越大最終壓縮密度和松弛比越小,在喂入量2kg、最大壓力16MPa條件下,中粒值(10～20mm)的松弛密度居中,松弛比最小,壓縮成型效果較好,盡管壓縮密度最小,但已符合了壓縮成型的密度要求。

2)不同喂入量對成型塊物理特性的影響。不同喂入量對壓縮塊松弛密度和松弛比的效應如表4所示。

表4 不同粒度大小對壓縮塊松弛密度和松弛比的效應Table 4 Effects of different feeding amount on relaxation density and relaxation ratio of compressed blocks

由表4可知：在16MPa壓力下,從自然蓬松狀態開始壓縮,隨喂入量的增加,煙稈顆粒的壓縮密度和松弛密度呈先減小后增大趨勢。當喂入量為3kg時,煙稈顆粒的最終壓縮密度最大,松弛密度也最大;喂入量為1.5kg時,煙稈顆粒的松弛密度最小,但松弛比最大,即壓縮成型效果不佳,壓縮塊松弛情況嚴重;喂入量為2kg時,煙稈顆粒的松弛比最小,煙稈顆粒的松弛密度居中。這說明,在其它條件不變的情況下,盡管可以通過提高喂入量的方式來達到增加生產效率,但由此而來的松弛比增大也成為了壓縮塊性能的一個弊端。因此,在喂入量的選擇上,應該重點從壓縮效率和壓縮塊性能兩個方面考慮,在滿足壓縮塊儲運所需的物理特性的條件下,應適度增大喂入量,從而提高壓縮效率、減小功耗、降低成本。基于本試驗研究,排除偶然因素的影響,在粒度為10～20mm、壓力16MPa條件下,當煙稈顆粒的喂入量為2kg時,松弛密度居中,松弛比最小,能夠滿足壓縮成型的密度要求。

2.3 不同喂入量和成型壓力對煙稈顆粒壓縮成型的試驗結果分析

2.3.1 煙稈顆粒不同喂入量與成型壓力對壓縮成型影響的分析

由圖7可知：隨喂入量增加,不同成型壓力下,喂入量與成型壓力之間的關系各有不同,壓縮密度或是增加,或是減小。因此,基于本次試驗,可以推斷喂入量與成型壓力之間的關系并不顯著,壓縮密度的變化與喂入量之間的關系不具有普遍性;相反,隨著成型壓力的增大,壓縮密度都有了較大的增長,說明成型壓力與壓縮密度的關系十分顯著,增大成型壓力可以有效提高壓縮塊的壓縮密度。

圖7 基于定值成型壓力下的不同喂入量煙稈顆粒壓縮特性曲線Fig 7 The compression characteristic curves of tobacco stalk grains with different feeding amounts based on fixed forming pressure

由圖8可知：對應喂入量下的每條曲線,壓縮密度隨著成型壓力的增加而逐漸上升,而后趨于一個穩定值,即最大壓縮密度。由此可以說明：成型壓力對增大壓縮密度的作用效果十分顯著,相比與喂入量而言,增大成型壓力是提高壓縮密度的一種較為有效方式。同時,對比各喂入量下的穩定值上下之間的間距,可以發現：隨著喂入量的增加,間距逐漸減小,即相鄰兩喂入量的壓縮密度差值在減小,由此可以判斷出,煙稈顆粒的壓縮過程必然存在一個最佳喂入量。

圖8 基于定值喂入量下的不同成型壓力煙稈顆粒壓縮特性曲線Fig 8 The compression characteristic curves of tobacco stalk grains with different forming pressures based on fixed feeding amount

2.3.2 基于煙稈顆粒不同喂入量和成型壓力條件下成型塊物理特性分析根據試驗數據,對煙稈在不同喂入量和成型壓力條件下的松弛密度和松弛比進行了計算,具體數據分別如表5所示。

表5 不同喂入量和成型壓力下的壓縮塊的松弛密度和松弛比Table 5 The relaxation density and relaxation ratio of compressed blocks on different feeding amounts and forming pressures

1)成型壓力取定值時,不同喂入量對成型塊物理特性的影響。當成型壓力取定值時,以9MPa成型壓力為例：隨喂入量的增加,松弛密度呈現先增后減的變化趨勢,在1.5kg時,松弛密度為最大;松弛比則隨著喂入量的增加呈逐漸遞增的趨勢變化。若舍棄喂入量為1kg時的試驗數據,只分析喂入量1.5～3kg的松弛密度和松弛比,可以發現：隨喂入量的增加,松弛密度逐漸減小與松弛比逐漸增大是相吻合的,說明喂入量增加后,松弛密度變化較大,松弛比較大,壓縮塊的物理特性開始變差,這與樣機實際試驗情況相符。

2)喂入量取定值時,不同成型壓力對成型塊物理特性的影響。當喂入量取定值時,以1.5kg為例：隨成型壓力的增大,松弛密度呈現逐漸遞增的變化趨勢,但在9MPa以后,松弛密度的增長趨勢減緩,可能是因為已達到了該喂入量下的最大壓縮密度;松弛比則隨成型壓力的增大呈現出先增加后減小的趨勢,當成型壓力為9MPa時,松弛比最大,可能是由于在9MPa時,盡管達到了一定的壓縮密度,但因成型壓力較小,不足以使煙稈顆粒內部發生足夠多的塑性變形,當壓力撤除后,壓縮塊的松弛程度比較明顯。

3 結論

1)粒度大小對煙稈顆粒壓縮影響作用較為顯著。當煙稈顆粒粒度較小時,成型后的壓縮密度較大,可達823kg/m3,但松弛比也較大,為1.2。因此,說明壓縮塊反彈嚴重,同時考慮到下一步碳化處理工藝,煙稈顆粒粒度不能小于10mm。

2)喂入量對煙稈顆粒壓縮影響作用并不顯著。綜合兩次試驗發現,喂入量的變化對壓縮成型的影響,不具有一般統計規律,隨喂入量增加,壓縮密度和松弛比變化趨勢或增或減,但鑒于喂入量對實際生產重要性,非常有必要對喂入量的作用機理做進一步研究。

3)成型壓力對煙稈顆粒壓縮影響作用十分顯著。由試驗二可知：煙稈顆粒壓縮密度隨成型壓力的增加而逐漸增大,并最后趨于一個穩定值,即最大壓縮密度,此時可達512kg/m3。