基于固定密度的煙稈顆粒壓縮特性研究

符德龍，孟 輝，張富貴2，，張 龍2，，陳 雪

(1.貴州省煙草公司畢節市公司，貴州 畢節 551700；2.貴州大學機械工程學院，貴州 貴陽 550025；3.貴州大學現代制造技術教育部重點實驗室，貴州 貴陽 550025)

0 引言

煙草是我國最重要的農業經濟作物之一，其種植面積和產量均居世界首位，煙草種植及其產品加工在國民經濟中發揮著十分重要的作用[1]。我國煙草資源分布廣泛，河南、山東、云南、甘肅、貴州、湖南六省是我國重要的烤煙產地。其中云南、貴州、河南和湖南省的種植面積最大、產量最高[2]。作為煙草種植生產大國，我國每年煙草種植面積達1 500萬畝，生產煙葉450～500萬噸，產生的煙稈資源可達290多萬噸[3]。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[2]，在生產生活中有著十分重要的實際應用價值。比如煙稈可用于制備生物質燃料，也可用于制備乙醇，或是生產沼氣；煙稈也可用于制取有機肥，其中含有N、K、P等各種礦物元素，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；煙稈也可用于制備活性炭，也可用于提取煙堿、果膠、蛋白質等；煙稈也可用于制造纖維板和造紙[2]；同時，煙稈也可用于食用菌的培養基質，替代常規的棉籽殼、稻草材料[4-11]。由此可以看出，煙稈資源的應用前景十分廣泛[2]，其潛力價值巨大。

但通過對煙稈材料的材質及結構組成分析發現，由于煙稈本身材質較為松散中空且容積密度小，且在存儲和運輸過程中需占用較大的空間，造成煙稈收儲運成本增加，嚴重制約煙稈的資源化利用。為此，在工程上通常采用先粉碎后壓縮的方式來解決[2]。通過查閱大量秸稈壓縮成型文獻資料發現，當采用壓縮設備對秸稈壓縮預處理時，壓縮塊的壓縮特性是受粉碎顆粒粒度大小、喂入量、壓縮速度、含水率、壓縮頻率以及振動等多種因素的影響，同時也發現，國內外許多學者的試驗對象多為牧草、小麥、玉米、棉稈等物料[2]，對煙稈物料的壓縮試驗尚未在文獻中發現[12-18]，煙稈物料的壓縮特性尚需試驗分析和研究來確定。

本課題組在綜合分析了影響煙稈壓縮成型的各種因素后，結合實驗室現有壓縮試驗設備，自行設計煙稈壓縮模具，針對煙稈顆粒粒度大小、喂入量和成型壓力三個試驗因素進行了壓縮特性試驗研究[2]，并最終確定當煙稈顆粒的壓縮密度為500 kg/m3時，壓縮成型效果較好，基本達到客戶要求，且能夠滿足儲運條件[2]。為保證煙稈顆粒壓縮成型設備設計的參數合理性，為此，基于壓縮密度500 kg/m3下針對煙稈顆粒的喂入量與成型壓力之間的關系，進行了煙稈顆粒的壓縮特性試驗，探究分析在壓縮密度為500 kg/m3時，喂入量和成型壓力對煙稈顆粒壓縮成型及成型塊品質規律的影響。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料與設備

本試驗煙稈均采自貴州省畢節市威寧縣煙草植煙地，經自然風干后，含水率保持在30%左右[19-20]。之后采用河南一科重工生產的9Z-5.0型鍘草機粉碎，煙稈顆粒長度在0-30 mm之間，最后將粉碎好的試驗材料密封于黑色塑料袋內并置于陰涼處，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(如圖1所示)，工作臺的面積大小為600 mm×600 mm，柱塞直徑300 mm，柱塞行程500 mm，工作壓力100 T；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，該壓力表可通過紅色指針調節上限壓力大小，以此控制調整試驗中壓力的范圍；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[2]。

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組成，通過查找文獻[19]資料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300 mm×300 mm，高度為300 mm，壁厚20 mm，具體實物如圖2所示[20]。

1.2 試驗方案及過程

1.2.1 試驗方案設計

通過文獻資料和前期的試驗發現，壓縮密度是評價成型塊物理特性的重要宏觀參數，基于本課題組的前兩次試驗數據及結論，可以初步確定煙稈顆粒的壓縮密度為500 kg/m3時，其壓縮成型效果較好，基本達到客戶的要求，同時也能夠滿足煙稈的儲運條件。但通過試驗發現壓縮密度受喂入量、成型壓力、粒度大小等多種因素影響，為此，基于壓縮密度500 kg/m3下，又對喂入量及成型壓力進行了煙稈顆粒的壓縮成型試驗，分析在同等壓縮密度下喂入量與成型壓力之間的關系[19]。煙稈的喂入量試驗水平如表1。

表1 試驗因素和水平表

1.2.2 試驗過程

煙稈壓縮成型試驗安排在常溫條件下進行，試驗材料為直接粉碎后的煙稈顆粒，其粒度大小為0～30 mm，含水率保持在30%左右，壓縮速度約為300 mm/min，柱塞提供最大壓縮力100 T。分別以喂入量1、1.5、2、2.5、3、3.5和4 kg進行壓縮成型試驗，當煙稈壓縮成型達到壓縮密度500 kg/m3時，依次記錄此時的成型壓力，壓縮成型塊出模后，先將其置于通風空曠平整處，經36 h應力松弛后，再測量一次壓縮塊的高度h1。煙稈顆粒壓縮試驗時，每次都從自然蓬松狀態下開始，相同壓縮條件下，同等試驗因素水平下試驗重復3次，并對試驗結果求平均值[2，20]。

2 試驗結果與分析

2.1 基于500 kg/m3下煙稈顆粒喂入量與成型壓力之間關系的分析

本次壓縮試驗在保持煙稈壓縮成型密度為500 kg/m3的條件下，就喂入量和成型壓力之間的關系對煙稈進行了壓縮成型試驗研究[2]，試驗后試樣如圖3所示。根據實驗數據作曲線如圖4所示，通過對曲線觀察分析發現，隨著喂入量的增加，壓縮塊所需的成型壓力或增或減，沒有一定的統計規律，但是所有的成型壓力都限定于5 MPa和7 MPa之間。由此可以說明，在基于相同壓縮密度500 kg/m3下，壓縮成型壓力可能存在一個最小成型壓力5 MPa和最大成型壓力7 MPa，同時也說明了，喂入量與成型壓力之間的數學關系不顯著，兩者的關聯性較差[2]。

2.2 基于煙稈顆粒壓縮密度500 kg/m3下成型塊物理特性分析

從表2可以看出，盡管使所有壓縮塊都保持相同壓縮密度500 kg/m3和同等保壓時間下，但是隨著煙稈喂入量的不斷增加，壓縮塊的松弛密度逐漸減小，松弛比逐漸增大。這說明，喂入量的增加雖然對煙稈顆粒的成型壓力影響不明顯，但會使出模后的壓縮塊物理特性變差，使壓縮塊在出模后反彈程度增大，這將嚴重影響壓縮塊的儲運。經分析，出現該情況的主要原因可能是由于隨著喂入量的增加，壓力主要用于克服煙稈顆粒間的空隙，沒有形成煙稈顆粒間的持續聯接，而當壓縮塊出模后，沒有了壓力的束縛，加之空氣中水分的潮解，使煙稈壓縮塊內殘余應力得到完全釋放，從而出現壓縮塊松弛程度增大，甚至垮塌的現象。基于這一問題，查閱文獻發現，可以通過保壓處理來消除或是減小壓縮塊內殘余應力，也可在壓縮過程中使用生物粘合劑提高煙稈間的粘結性，促進壓縮塊壓縮成型，減少出模后壓縮塊的反彈，同時也可以采用打捆或是打包的方式來對壓縮塊進行約束，同樣可以有效減小殘余應力對壓縮塊的作用效應[2]。

表2 基于500kg/m3下的壓縮成型塊的物理特性[2]

3 結語

本文以基于滿足成型要求的500 kg/m3壓縮密度作為試驗條件，分析了在該密度下喂入量與成型壓力之間的關系，發現：

1)煙稈壓縮的成型壓力并不隨煙稈喂入量的增加而表現出一定的數學統計規律性，即喂入量與成型壓力之間的關系不顯著[2]，但成型壓力總限定在5～7 MPa之間。

2)隨煙稈喂入量的增加，壓縮塊松弛密度逐漸減小，松弛比逐漸增大，即喂入量的增加會造成壓縮塊的物理特性變差，將嚴重影響壓縮塊的儲運。

3)針對壓縮塊的物理特性變差的問題，可考慮通過保壓和捆扎的方式來消除或減小壓縮塊內的殘余的應力，也可通過增加粘結劑提升煙稈間的粘結力。