向日葵秸稈固體燃料成型工藝及儲(chǔ)運(yùn)條件優(yōu)化

錢曉亮，張 靜，鄭德聰，黃志杰

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030801）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，以農(nóng)作物秸稈壓縮成型制作固體燃料能有效解決能源短缺問(wèn)題，減少秸稈露天焚燒，提高秸稈綜合利用率。向日葵在北方被廣泛種植，每年收獲后都會(huì)剩余大量秸稈[1]。將其制成固體燃料可提升燃料品質(zhì)，降低儲(chǔ)運(yùn)成本，但生產(chǎn)后通常需經(jīng)6 個(gè)月的儲(chǔ)藏才可轉(zhuǎn)運(yùn)至燃燒地。在此期間，需對(duì)儲(chǔ)藏環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格把控以保證燃料不會(huì)出現(xiàn)霉變，而濕度會(huì)對(duì)燃料表面形貌、密度、全水分和磨損率產(chǎn)生影響[2]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其他固體燃料的成型及儲(chǔ)運(yùn)進(jìn)行了相關(guān)研究。謝祖琪等[3]監(jiān)測(cè)了麥稈捆的密度、含水率、芯部溫度和熱值等參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，麥稈捆在相對(duì)濕度較高的年份里，儲(chǔ)藏環(huán)境對(duì)絕對(duì)干熱值影響不顯著，能安全儲(chǔ)存并作能源利用。黃文等[4]認(rèn)為低溫低濕條件利于木薯干顆粒長(zhǎng)期儲(chǔ)藏，編織袋包裝材料可減緩全水分增長(zhǎng)，延長(zhǎng)儲(chǔ)藏期。樊峰鳴等[5]以華北地區(qū)玉米秸稈和大豆秸稈為原料，研究了粒度、含水率等對(duì)燃料物理性能的影響，生產(chǎn)出了便于儲(chǔ)運(yùn)的成型燃料。RENTIZELAS A A 等[6]認(rèn)為生物質(zhì)固體燃料可以在10%～15%較低全水分下大批量長(zhǎng)期儲(chǔ)存。

本文在梁少雄[7]研究?jī)?chǔ)運(yùn)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探討向日葵秸稈的成型工藝、儲(chǔ)藏條件和運(yùn)輸振動(dòng)狀況3 個(gè)重要環(huán)節(jié)的參數(shù)要求，優(yōu)化向日葵秸稈成型工藝，得到向日葵秸稈固體燃料（簡(jiǎn)稱燃料）的儲(chǔ)藏條件，確定最佳包裝材料及合理的振動(dòng)頻率，為向日葵秸稈的綜合利用和儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

向日葵秸稈用睿核TQ-1000Y 型粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎并篩分出粒徑范圍在0.16～0.63、＞0.63～1.25 和＞1.25～2.50 mm 的試驗(yàn)原料，密封烘干至恒定質(zhì)量。運(yùn)輸和儲(chǔ)藏所用成型燃料為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)自研的11JP-6 型生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)壓縮成型，其成型工藝參數(shù)為含水率4%～8%、溫度130～150 °C，壓力80～100 MPa，粒徑0.16～0.63 mm。成型燃料尺寸為直徑6 mm，長(zhǎng)（22.5±7.5）mm。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 成型試驗(yàn)方法

稱取一定量的干燥向日葵秸稈顆粒裝入自封袋中滴加定量純凈水后充分混合均勻，每次試驗(yàn)取10 g 加入孔徑40 mm 的筒狀模具中，并在模具外包裹陶瓷加熱圈，調(diào)節(jié)XMTD 型數(shù)顯調(diào)節(jié)儀至試驗(yàn)溫度后，停止加熱，并在YP-20TB 型油壓式粉末壓片機(jī)上以設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行加壓成型。保壓3 min 后取出成型燃料，用游標(biāo)卡尺測(cè)量3 次燃料厚度和直徑取平均值，稱量其質(zhì)量計(jì)算密度后，裝入自封袋中備用。

1.2.2 儲(chǔ)藏試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以表面形貌、密度、全水分和磨損率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)稱取約30 g 成型燃料置于HSP-80B 型恒溫恒濕培養(yǎng)箱內(nèi)并設(shè)定相應(yīng)的溫度和相對(duì)濕度。儲(chǔ)藏時(shí)間為30 d。對(duì)儲(chǔ)藏前后的成型燃料進(jìn)行密度（直徑、長(zhǎng)度、質(zhì)量）、全水分和磨損率3 項(xiàng)物理指標(biāo)的測(cè)定，通過(guò)改變儲(chǔ)藏環(huán)境濕度進(jìn)行單因素試驗(yàn)考察燃料密度、全水分和磨損率在儲(chǔ)藏過(guò)程中的變化，在環(huán)境溫度25 °C 時(shí)分別設(shè)定相對(duì)濕度為40%、50%、60%、70%、80%和90% RH。

1.2.3 運(yùn)輸試驗(yàn)方法

運(yùn)輸試驗(yàn)主要考量成型燃料對(duì)運(yùn)輸環(huán)境的適應(yīng)性及包裝的可靠性[8-10]。運(yùn)輸試驗(yàn)常用現(xiàn)場(chǎng)跑車或機(jī)械振動(dòng)臺(tái)模擬進(jìn)行，前者試驗(yàn)重現(xiàn)率較低、不能采用加速試驗(yàn)且試驗(yàn)成本較高，后者可以通過(guò)提高振動(dòng)量值來(lái)壓縮試驗(yàn)時(shí)間，并且其試驗(yàn)成本較低[11-12]。運(yùn)輸振動(dòng)是寬帶隨機(jī)振動(dòng)[13]。因振動(dòng)瞬時(shí)值服從高斯分布，故根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的幅值概率密度函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)3 個(gè)特征函數(shù)即可描述該振動(dòng)。

自相關(guān)函數(shù)描述隨機(jī)過(guò)程的時(shí)域特性，功率譜密度函數(shù)描述隨機(jī)過(guò)程的頻域特性，由維納—辛欽定理，功率譜密度函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)是一傅里葉變換對(duì)，如式（1）所示[14]。

當(dāng)兩個(gè)寬帶隨機(jī)振動(dòng)具有相同的幅值概率密度函數(shù)，在正態(tài)隨機(jī)振動(dòng)模擬中即可認(rèn)定兩者等效[15]。試驗(yàn)采用的模擬運(yùn)輸振動(dòng)臺(tái)需產(chǎn)生能滿足高斯分布的帶寬隨機(jī)振動(dòng)，并且功率譜和振動(dòng)量值相同，即可模擬汽車運(yùn)輸振動(dòng)。

試驗(yàn)依據(jù)ASTM D 4728、ASTM D 999 及GB/T 4857 標(biāo)準(zhǔn)[16-19]。選用LBT-5024 型模擬汽車運(yùn)輸振動(dòng)臺(tái)，其頻率為1.5～5.0 Hz，振幅為25.4 mm，采用回轉(zhuǎn)振動(dòng)方式，可模擬車速為25～40 km/h。試驗(yàn)依據(jù)式（2）計(jì)算速度選擇方式，總振動(dòng)次數(shù)14 200 次。

2 成型工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 數(shù)據(jù)分析

田口方法是一種有效的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，試驗(yàn)成本低、效益高，正交表和信噪比則是其重要工具[20]。采用L9（34）4 因素3 水平正交表，含水率水平為6%、9%、12 %，溫度水平為80、110、140 °C，壓力水平為60、90、120 MPa，粒徑水平為0.16～0.63、＞0.63～1.25、＞1.25～2.50 mm。密度的信噪比符合望大特性，其計(jì)算如式（4）所示，試驗(yàn)結(jié)果和信噪比（VSNR）如表1 所示。

由表1 可知，9 組正交試驗(yàn)中R5的信噪比最大為0.520，相比于R7、R8和R9可知，較高的含水率不利于燃料成型。少量水分會(huì)在燃料壓縮過(guò)程中與物料內(nèi)糖類和果膠質(zhì)結(jié)合成膠狀物，促進(jìn)顆粒間的黏結(jié)；也會(huì)加強(qiáng)熱傳導(dǎo)，加快木質(zhì)素軟化提高黏結(jié)性；同時(shí)也會(huì)在顆粒間形成較高的范德華力和較強(qiáng)的氫鍵[21]。然而，過(guò)高的水分會(huì)在高溫作用下形成水蒸氣，在燃料內(nèi)形成較高的內(nèi)應(yīng)力，在脫模時(shí)會(huì)因水蒸氣壓力造成燃料開裂甚至是“放炮”現(xiàn)象[22]。

從本文所得出的多元線性回歸模型中我們可以發(fā)現(xiàn)，河南省人口老齡化與城鎮(zhèn)化率、老齡人口撫養(yǎng)比和衛(wèi)生機(jī)構(gòu)數(shù)量高度相關(guān)。

4 因素3 水平正交試驗(yàn)的比效應(yīng)值如表2 所示，4個(gè)因素比效應(yīng)最大值分別為—0.463、—0.303、—0.203、0.024，對(duì)應(yīng)最優(yōu)因素/水平組合為A/0、B/0、C/1、D/—1，即固體燃料的最佳工藝參數(shù)組合為含水率9%、溫度110 °C、壓力120 MPa、粒徑0.16～0.63 mm。

表2 比效應(yīng)值Tab.2 Ratio effect value

2.2 方差分析

將表1 中數(shù)據(jù)導(dǎo)入SAS 軟件中進(jìn)行方差分析，分析含水率、溫度、壓力及粒徑對(duì)燃料密度的影響，其結(jié)果如表3 所示。分析表明，向日葵秸稈固體燃料成型過(guò)程中各工藝參數(shù)對(duì)密度貢獻(xiàn)率分別為含水率59.26%、溫度1.59%、壓力32.96%、粒徑0.59%，其中誤差貢獻(xiàn)率為5.6%。含水率和壓力P值均＜0.01，對(duì)成型燃料密度影響極其顯著；溫度P值＜0.05，對(duì)成型燃料密度影響顯著；粒徑P值＞0.05，對(duì)成型燃料密度影響不顯著。

表1 燃料成型試驗(yàn)結(jié)果及其信噪比Tab.1 Fuel molding test results and signal-to-noise ratio

表3 方差分析結(jié)果Tab.3 ANOVA results

3 儲(chǔ)藏試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 燃料表面形貌

燃料在儲(chǔ)藏30 d 后，在相對(duì)濕度40%～60% RH時(shí)，燃料表面光滑無(wú)裂紋，體積狀態(tài)良好。在相對(duì)濕度70%～80% RH 時(shí)，燃料表面粗糙，體積略有膨脹，顏色略微增暗。在相對(duì)濕度90% RH 時(shí)，燃料表面附著大量霉菌，顆粒粗糙，顏色暗淡，體積漲大。

3.2 燃料密度

因成型燃料密度的不確定性，每組試驗(yàn)重復(fù)5 次取平均值，結(jié)果如圖1 所示。在同等溫度下，相對(duì)濕度的增加導(dǎo)致了燃料密度小幅增長(zhǎng)后大幅度降低，相對(duì)濕度低于50% RH 時(shí)，燃料與環(huán)境濕度達(dá)到平衡后能吸收環(huán)境中的水分而體積尚未膨脹，故而出現(xiàn)小幅度的密度增長(zhǎng)。隨著相對(duì)濕度的升高，燃料吸收大量水分，體積大幅膨脹甚至是脹裂，密度大幅下降，燃料品質(zhì)下降。因此，為保證燃料密度的穩(wěn)定性，適宜的儲(chǔ)藏濕度＜ 60% RH。

圖1 儲(chǔ)藏環(huán)境對(duì)密度差值的影響Fig.1 Influence of storage environment on density difference

3.3 燃料全水分

全水分指燃料達(dá)到空氣干燥時(shí)保持的水分和燃料在與周圍濕度平衡時(shí)所丟失的水分之和，以及內(nèi)在水分與外在水分之和，其計(jì)算如式（6）所示。

m4—干燥前參照盤質(zhì)量（室溫稱量），g

m5—干燥后參照盤質(zhì)量（熱態(tài)稱量），g

m6—包裝內(nèi)水分質(zhì)量，g

圖2 儲(chǔ)藏環(huán)境對(duì)全水分差值的影響Fig.2 Influence of storage environment on total moisture difference

3.4 燃料磨損率

燃料磨損率是對(duì)燃料粘結(jié)程度的表征，是評(píng)價(jià)燃料儲(chǔ)藏運(yùn)輸過(guò)程中因非人為因素造成質(zhì)量缺損的指標(biāo)。依照歐盟標(biāo)準(zhǔn)CEN/TS 15210-2 進(jìn)行儲(chǔ)藏前后燃料磨損率的測(cè)定，其結(jié)果如圖3 所示。環(huán)境濕度對(duì)燃料磨損率影響極大，相對(duì)濕度40% RH 和90% RH 的兩組試驗(yàn)分別對(duì)應(yīng)磨損率的最高點(diǎn)97.52%和最低點(diǎn)70.65%，兩者相差26.87 個(gè)百分點(diǎn)。NY/T 2909—2016 中將生物質(zhì)燃料磨損率分為3 級(jí)，第1 級(jí)＞97.5%，只有相對(duì)濕度＜ 40% RH 時(shí)滿足此要求；第2 級(jí)＞95%，此時(shí)相對(duì)濕度＜60% RH；第3 級(jí)＞90 %，相 對(duì) 濕 度＞70% RH[24]。故在燃料儲(chǔ)藏過(guò)程中應(yīng)始終保持相對(duì)濕度＜70% RH，才可使燃料磨損率符合使用要求。

圖3 儲(chǔ)藏環(huán)境對(duì)磨損率的影響Fig.3 Influence of storage environment on wear rate

4 運(yùn)輸試驗(yàn)分析

分別試驗(yàn)蛇皮袋、紙箱、木箱和鐵皮箱4 種包裝方式下向日葵秸稈固體燃料承受運(yùn)輸振動(dòng)的能力。如圖4 所示，記錄成型燃料在不同試驗(yàn)速度下各包裝方式模擬運(yùn)輸振動(dòng)前后的質(zhì)量，并計(jì)算其差值記為質(zhì)量缺損（g）。

圖4 包裝材料對(duì)燃料質(zhì)量缺損的影響Fig.4 Effect of packaging materials on fuel quality defects

偏心軸轉(zhuǎn)速120、150、180、210 r/min 分別對(duì)應(yīng)頻率2.0、2.5、3.0 和3.5 Hz，在2 Hz 振動(dòng)頻率下燃料質(zhì)量缺損最低，分別為2.59、7.07、3.38 和0.27 g，而在2.5 Hz 頻率時(shí)質(zhì)量缺損最高。試驗(yàn)中鐵皮箱在不同試驗(yàn)速度下均能保持較低的質(zhì)量缺損，而紙箱包裝的燃料受試驗(yàn)速度影響較大，發(fā)生了較多的質(zhì)量缺損。

向日葵秸稈固體燃料在鐵皮箱包裝下以2 Hz 即偏心軸轉(zhuǎn)速120 r/min 運(yùn)輸時(shí)能保持較低的質(zhì)量缺損。從燃料運(yùn)輸過(guò)程中質(zhì)量缺損情況來(lái)看，包裝材料的選擇順序?yàn)殍F皮箱＞木箱＞蛇皮袋＞紙箱。

5 結(jié)束語(yǔ)

以向日葵秸稈為原料，研究秸稈成型、儲(chǔ)藏和運(yùn)輸3 個(gè)重要環(huán)節(jié)中影響燃料品質(zhì)的因素，以成型后密度為衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行成型工藝優(yōu)化，以環(huán)境濕度為變量研究燃料表面形貌、密度、全水分及磨損率的變化情況，試驗(yàn)研究了蛇皮袋、紙箱、木箱和鐵皮箱4 種包裝方式對(duì)燃料運(yùn)輸過(guò)程中質(zhì)量缺損的影響。正交試驗(yàn)表明，向日葵秸稈固體燃料成型最佳工藝參數(shù)是含水率9%、溫 度110 °C、壓 力120 MPa、粒 徑0.16～0.63 mm。儲(chǔ)藏試驗(yàn)表明，要求環(huán)境濕度＜60% RH，因此在年均濕度40%～60% RH 的北方地區(qū)，成型燃料能存儲(chǔ)較長(zhǎng)時(shí)間。運(yùn)輸過(guò)程中用鐵皮箱包裝并以偏心軸轉(zhuǎn)速120 r/min 運(yùn)輸能保持較低的質(zhì)量缺損。