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基于正交设计的复合生物质颗粒燃料实验研究

赵晓文1,矫振伟1,王瀚平1,赵武子2

(1.吉林大学热能工程系,吉林长春130022;2.中国人民解放军93279部队,吉林丹东118000)

  摘要:以玉米秸秆和水稻稻壳为原料,采用正交设计的实验方法,研究不同的配比、不同的成型温度、不同的成型压力对复合生物质颗粒燃料的影响,综合评定复合生物质颗粒燃料的灰熔融性、焦渣特性、成型密度和外观品质。实验结果表明:75﹪玉米秸秆和25﹪水稻稻壳的配比,在32MPa的成型压力、180℃的成型温度条件下压缩成型的复合生物质颗粒燃料的综合性能最佳。

  生物质作为一种可再生的清洁能源,具有能源替代、环境保护和促进农村经济发展三重功能,引起了国内外的广泛关注[1-3]。我国农作物秸秆年产量约6亿吨,除部分作为造纸原料和饲料外,大约3亿吨可作为燃料使用,折合约1.5亿吨标准煤[4-5]。由于生物质资源分散、形态各异、结构疏松、空间大、能量密度小、直接燃烧的热效率低、经济效益较差而成为规模化利用的主要瓶颈。颗粒成型技术就是将松散的、无定形的生物质原料压缩成有一定性状和密度较大的燃料,不仅提高了单位体积燃料的热值、便于运输、储存,还具有流动性,可实现燃烧过程自动化供料,改变传统的生物质的利用方式,成为生物质能源利用的一种有效途径。发达国家的技术与产品多用在木质生物质的处理,国内这方面起步较晚,且主要研究单一生物质的成型技术[6-7]。单质成分的生物质颗粒燃料,在燃烧过程中存在各自的特性,有的灰熔融性不好,结焦渣(如玉米秸秆颗粒);有的灰分大,热值偏低(如水稻稻壳颗粒)等。为了改善生物质颗粒燃料的燃烧特性和焦渣特性,本文进行了复合生物质颗粒燃料实验研究[8]。

  1实验设计

  生物质中都含有一定数量的木质素,例如玉米秸秆中的木质素含量15﹪左右。木质素是由苯基丙烷单元构成的三维空间聚合物,非晶体,无熔点,但有软化点。当温度为70~110℃时,变软而具有黏性;当温度达到200~300℃时,呈熔融状,黏性较高[9-10]。压力和温度是生物质热压成型中两个重要的影响因素。

  本实验的研究目标是以玉米秸秆和水稻稻壳为原料,在不同配比、不同成型温度、不同成型压力下成型的复合生物质颗粒燃料(以下简称燃料)的成型品质。用专家打分的形式综合评定燃料的灰熔融性、焦渣特性、热值和成型密度及外观的实验效应值。评价方法:(1)用灰熔融测定仪测定压缩成型的燃料的软化温度Ts值,Ts≥1000~1500℃,打分为0~30;(2)灰熔融测定仪中燃料温度达到1200℃时将其取出,评定焦渣特性,黏结序数1~7,打分为30~0;(3)用热值测定仪测定燃料的低位发热量,低位热值Qd,ad=13~20kJ/g,打分为20~60;(4)用电子天平和卡尺测量颗粒的质量密度,观察颗粒外观的光洁度,有无焦糊和焦糊的程度,打分在10~30之间。综合分值越高越好。实验为三因素、三水平,选用正交表L9(34)。因素、水平取值见表1。

  2实验装置

  本热压成型机是自行设计的,由成型机构、压缩机构和加热机构组成,实物如图1所示。

  成型机构由套筒、底座及柱塞组成,机械加工均达到精度要求,保证压缩成型的严密性。压缩机构由液压设备、压力表及支架组成。成型机构卡在液压设备与支架之间,对其定位,通过杠杆对液压设备给成型机构加压,使原料成型,压力表测得成型压力。加热机构是在成型模具的外表面上套上2个38mm×40mm的环形加热套,对模具外表面均匀加热,热量通过模具壁面传递给内部的生物质使其均匀受热。温度控制主要是用AI-518P型人工智能温度控制器,通过继电控制系统实现。测温系统由TESTO454多参数多功能测试仪和镍铬-镍硅热电偶组成。通过测量模具内部各点温度分布,可计算出生物质内部的温度。

  成型机主要技术参数:压力范围:0~52MPa;温度范围:>室温;成型颗粒尺寸:φ10mm×(10~30)mm;粒度范围:0~10mm。

  测试灰熔融性和焦渣特性的仪器是长沙三德实业有限公司的SDAF-2000d灰熔融性自动测试仪。测热值仪器是长沙三德实业有限公司制造的SDACM-3000精英自动量热仪。密度测量采用上海梅特勒公司的PL2002电子天平和0~200mm游标卡尺。

  3实验结果与分析

  按正交表L9(34)设计9种实验方案,随机抽取实验序号,分别进行9次实验,将实验结果填入实验表,用正交试验方法计算、分析实验结果[11-12]

  热值测定结果是:80%秸秆和20%稻壳配比的热值为15772kJ/kg;75%秸秆和25%稻壳配比的热值为15644kJ/kg;70%秸秆和30%稻壳配比的热值为15517kJ/kg;因3种配比的热值相近,评定分值差别很小,对目标函数的影响很小,因此该项可以不做评定成分。

  实验数据见表2,分析结论见表3[13]

  实验结果是F(2,3,2)最佳,综合分值75,因素F1的极差值最大是23.4。经计算得因素F1、F2和F3的最优水平分别为F(2,2,2)和F(2,3,2)。F(2,2,2)的预测值为F(2,2,2)=F0+F21+F22+F23=58.3+8.4+3.4+3.4=73.5与F(2,3,2)的实验分值仅差1.5,但成型所消耗的功率却降低很多。F(2,2,2)组合的验证实验表明,结果与预测相符。

  4结论

  实验结果表明:复合生物质的配比对燃料的性能影响最大,主要体现在提高燃料的软化温度和抗结渣性;成型压力和成型温度的影响力基本相当,成型压力和成型温度的增加都能够提高成型密度,提高成型品质。但是,成型压力高于32MPa后,压力增高对提高成型品质贡献不显著,而消耗功率大大增加,不经济。

  成型温度达到200℃后,颗粒表面出现焦糊,燃料的挥发份析出,压缩过程易出现放炮现象。综合分析实验结果认为,75﹪玉米秸秆和25﹪水稻稻壳的配比,在32MPa的成型压力、180℃的成型温度条件下压缩成型的复合生物质颗粒燃料的综合性能最佳。

  参考文献

  [1]Saxenarc,Adhikaridk,Goyalhb.Biomass based energy fuel through biochemical routes:A review[J].Renewable and Sustainable Energy Review,2009,,13(1): 167-178.

  [2]景元琢,董玉平,盖超,等.生物质固化成型技术研究进展与展望[J].中国工程科学,2011,13(2): 72-77.

  [3]唐炼.世界能源供需现状与发展趋势[J].国际石油经济,2005,11(3): 30-33.

  [4]中华人民共和国国家发展和改革委员会.可再生能源中长期发展规划[R].2007.

  [5]刘春生.小型生物质气化系统的设计与性能实验研究[D].江苏:江苏大学,2008.

  [6]赵廷林,舒伟,邓大军,等.生物质致密成型技术研究现状与发展[J].特别关注,2007,12(4): 29-33.

  [7]苏俊林,赵晓文,王巍.生物质成型燃料研究现状及发展[J].节能技术,2009 ,27(154): 117-120.

  [8]袁艳文,林聪,赵立欣,等.生物质固体成型燃料抗结渣研究进展[J].可再生能源,2009,27(5): 48-51.

  [9]周春梅,来小丽.生物质秸秆成型工艺的试验研究[J].可再生能源,2009 ,27(5): 37-41.

  [10]孙勇,张金平,杨刚,等.玉米秸秆木质素氧化与改性的研究[J].光谱学与光谱分析,2007(27): 1997-2000.

  [11]张成军.实验设计与数据处理[M].北京:化学工业出版社,2009.

  [12]任露泉.试验设计及其优化[M].北京:科学出版社,2009.

  [13]赵武子.生物质混合颗粒燃料热工特性研究[D].吉林:吉林大学,2010.

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