生物质固体成型燃料热压成型实验研究

邢献军，李涛，马培勇，胡运龙，孙亚栋，李慧

(合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009)

　　摘要：以粉碎玉米秸秆为实验对象，利用自行设计压缩模具，采用正交实验法研究预热温度、物料粒度、物料含水率、压缩速度和保压时间对其热压成型的影响，分别得出各因素对成型燃料品质和成型功耗影响的强弱关系；利用综合平衡法对成型条件进行综合分析评价，得出此方式下最优的成型条件为：预热温度100℃、物料粒度3-6mm、物料含水率15％、压缩速度40mm／min、保压时间80S。

　　0引吾

　　近年来，随着能源短缺和环境污染问题的日益加剧，生物质能源的开发与利用逐渐受到人们的重视。全球生物质能储量丰富且可再生，因此如何高效转换并利用生物质能成为各国竞相研究的课题。生物质致密成型技术作为一种直接有效的利用方式，近年来得到了快速发展。目前，对于生物质固体成型燃料的研究主要集中在冷态成型条件下物料粒度、含水率等因素对固体成型燃料品质和功耗的影响等方面，而在有预热温度条件下，各因素对生物质固体成型燃料成型特性的影响还需开展进一步实验研究。

　　为此，本文在对物料进行预热条件下，综合考虑各因素(预热温度、物料粒度、物料含水率、压缩速度、保压时间等)对成型特性(松弛比、成型功耗等)的影响，采取闭式成型的方式，以粉碎玉米秸秆为实验对象展开实验研究，从而为实际的生产过程提供一定的理论依据和数据参考。

　　1材料与方法

　　1.1实验装置

　　实验采用自行设计的成型模具(如图1所示)，并在WDW-300D型微机控制电子式万能试验机上进行。成型模具包括推杆、套筒、底座、加热套以及温控模块；套筒内径12mm，长115mm；加热套最高加热温度为400℃，控制模块采用XMTA一308型智能温度控制调节器，该控制器具有PID调节自整定功能，控制精度能达到0.5℃；测温仪采用apuhuaTM-902C型便携测温仪，测量范围-50～750℃，精度(0.75％+1℃)；WDW.300D型微机控制电子式万能试验机采用液压驱动，压缩速度可调，范围为0.005500mm／min，采用压电传感器可实时采集压力与位移参数，压力精度为±1％，位移精度为±0.5％。称重采用威恒JM-B10002电子天平，量程为1000g，精度可达0.01g；含水率测定采用丹浩FD—G2型稻麦草水分测定仪，测量范围为0～80％，分辨率为0.01％。

　　1.2实验材料

　　本次实验材料为粉碎后的玉米秸秆，去除杂质，利用网筛对其分类为微粒(<3mm)、中粒(3～6mm)、大粒(6～10mm)，并采取烘干后配水的方式控制含水率分别为10％、15％、20％、25％，然后用密封袋进行密封保存。在实验前对粉碎后的玉米秸秆进行测试分析，其物理特性如表1所示。

　　1.3实验方法

　　1.3.1实验因子及水平确定

　　1)预热温度

　　预热温度对成型功耗和成型燃料品质有明显影响，对物料进行预热可改善物料内部组分的物理性能、促进成型，从而减小成型功耗，提升成型燃料品质口。实际生产中，通过工业废热、余热等对物料进行一定程度预热，可大大减小设备启动阻力、减轻设备磨损。根据生产实际确定预热温度因子水平为27(常温)、70、100、130℃。

　　2)物料粒度

　　已有研究表明物料粉碎粒度是影响成型燃料品质的重要因素之一，对不同成型方式的成型燃料，物料粒度选择具有较大差异。对于棒状或块状成型燃料，物料粉碎粒度可较大(10～30mm)，对于颗粒成型燃料，要求物料粉碎粒度较小(<10mm)；研究表明：粒度小的物料，粒子的延伸率较大，容易压缩，易于成型；粒度大的物料，填充性能较差，较难成型，物料形态不均匀也会对成型燃料品质产生影响。结合粉碎后的物料粒度，确定物料粒度因子水平取值为<3mm、3～6mm、6～10mm、<10mm(原始粉碎物料及其比例分别为：微粒、中粒、大粒各占51％、42％、7％)。

　　3)物料含水率

　　物料含水率是成型燃料压缩过程中需严密控制的重要参数之一。含水率过高会直接影响成型燃料品质或导致无法成型，含水率过低将大大增加成型功耗且导致成型燃料结合不紧密。不同成型方式对物料含水率要求也不同，研究表明，冷态压缩成型时，粉碎玉米秸秆含水率在10％～15％时，较易成型；约12％时，成型效果最佳。结合本实验条件和相关文献确定物料含水率因子水平为10％、15％、20％、25％。

　　4)压缩速度

　　研究表明，压缩速度对成型燃料成型品质和生产率有重要影响，在小麦秸秆开式成型中，随着压缩速度增大，压缩密度降低，比能耗减小，最佳压缩速度为40mm／min。为进一步探究最佳压缩速度，确定压缩速度因子水平为20、30、40、50mm／min。

　　5)保压时间

　　成型时间和保压时间是固体燃料成型的关键。有研究表明n，成型时间在40S内对成型燃料品质影响较明显，保压时间一般为2~3min，为进一步确定延长保压时间对成型燃料品质的影响，确定保压时间因子水平为60、80、100、120S。

　　1.3.2正交实验设计

　　根据实验因子与水平的确定，采用正交表L16(45)，得到玉米秸秆热压成型实验方案见表2。

　　2实验结果及分析

　　2.1实验结果

　　2.1.1松弛密度分析

　　生物质固体成型燃料的松弛密度是衡量成型燃料品质的一项重要指标。生物质固体成型燃料在被挤出模具后会发生弹性变形和应力松弛，其密度也会随之发生不同程度的减小，一段时间后密度趋于恒定，此时的密度被称为成型燃料的松弛密度。成型燃料的松弛密度一般比最终压缩密度小，最终压缩密度与松弛密度的比值被称为松弛比，此值也是考察成型燃料品质时经常参考的一项指标n。本次实验最终压缩密度均为1.6g／cm3，在成型燃料出模后5h进行松弛密度测定，测定结果见表3。

　　2.1.2成型功耗指标分析

　　成型功耗是实际生产中必须考虑的一项重要指标，在保证成型燃料满足一定品质要求的前提下，寻求成型功耗最低时的成型条件也是本实验的主要目标之一。本实验通过不同预热温度下，对燃料成型过程中物料压缩做功进行分析计算，来探究最优的成型条件。根据做功的定义：

　　2.2实验分析

　　由于表3中成型燃料松弛密度与松弛比为相关性指标，成型功耗与吨耗为相关性指标，故以成型燃料的松弛比和吨耗作为数据考核指标对成型实验进行分析。

　　2.2.1成型燃料松弛比结果分析

　　表4数据表明，对于成型燃料松弛比来说，物料预热温度极差最大，其次依次为物料含水率、物料粒度、压缩速度，保压时间的极差最小。这说明，各因素对成型燃料松弛比的影响强弱依次为：预热温度>物料含水率>物料粒度>压缩速度>保压时间。

　　预热温度对成型燃料松弛比的影响由图2可看出：随着物料预热温度的升高，成型燃料松弛比逐渐减小；在常温(27℃)下松弛比最大，为2.79，说明此时成型燃料内部粒子间结合不紧密，出模后发生较大的弹性变形；在7O℃和100℃条件下，松弛比较常温下减小36％，但两者间相差不大，分别为1.80和1.74；当预热温度达到130℃时，松弛比进一步减小，达到1.52，说明此时成型燃料内部粒子之间发生了一定程度的粘结，从而使成型燃料具有一定的保持能力。分析其原因：通过对干燥玉米秸秆进行工业分析可知，玉米秸秆中纤维素、半纤维素和木质素各占27.98％、10.80％、48.24％，而木质素普遍被认为是生物质内在的最好粘结剂，而木质素在70—110℃时开始软化，粘结力增强，在适当的压力作用下，木质素粘连聚合粉碎玉米秸秆颗粒，使成型燃料的保型能力大大增强，成型燃料的松弛比减小；而木质素在160℃条件下会发生熔融，产生胶状物质，故在130℃时木质素进一步软化而未发生熔融，使成型燃料松弛比进一步减小，而未发生大的松弛现象。

　　物料含水率对成型燃料松弛比的影响仅次于预热温度，为第二大影响因素。由图3可看出，随着物料含水率的增大，成型燃料松弛比先减小后增大，含水率为15％时，成型燃料松弛比最小。分析原因：物料含水率为10％时，物料粒子内部表现出的流动特性较差，不利于粒子间的相互填充，进而结合性较差，较低的含水率也不利于粒子间热量的传递，影响木质素的塑化和粘结力作用的发挥；物料含水率为20％、25％时，在一定温度作用下，物料内部会产生一部分蒸汽，在成型过程中，由于物料填满模具，导致蒸汽无法排出，在成型燃料出模后，物料粒子间的蒸汽瞬间逸出，造成成型燃料膨胀或开裂，导致松弛比较大，实验表明，粉碎玉米秸秆含水率为15％时，成型燃料松弛密度最大，松弛比最小。

　　物料粒度与压缩速度对成型燃料松弛比的影响作用相当，极差分别为0.48和0.42；物料粒度对成型燃料松弛比的影响由图4可看出：粒度越小，松弛比越小，且未经筛分的原始粉碎物料的成型燃料松弛比与<3mm物料的成型燃料松弛比相差不大。分析原因：物料粒度越小，在压缩过程中粒子的填充特性、流动特性和压缩特性越好，在相同压力作用下，粒度越小，粒子结合更紧密，宏观表现为成型燃料的松弛比越小。物料粒度较大时，粒子之间容易架桥，且阻碍各粒子间紧密结合，进而表现为成型燃料表面粗糙，松弛比较大。尽管未经筛分的原始粉碎物料形态差异较其他3个水平大，但微粒与中粒所占比例达90％以上，故成型燃料松弛比亦与<3mm物料的成型燃料松弛比相差不大。

　　压缩速度对成型燃料松弛比的内在影响机制表现为成型燃料的成型时间。通过实验，由图5可看出，4种压缩速度对成型燃料松弛比的影响作用相差不大，其中，压缩速度为30mm／min的6号实验燃料未成型，故松弛比最大为2.2l，20、40、50mm／min时松弛比依次为1.79、1.85和1.98，随着压缩速度的增大，松弛比呈增大趋势。分析原因：在压缩成型过程中，物料粒子发生流动填充，并在轴向挤压力作用下发生径向延伸，压缩速度较快时，物料粒子得不到充分填充和延伸，粒子之间嵌合性不足，因而在成型燃料挤出模孔之后表现出较大的松弛比。

　　保压时间对热压成型中成型燃料松弛比的影响作用较小。由图6可看出，不同保压时间下成型燃料的松弛比变化不大，极差仅为0.26，这表明具有预热温度条件下，成型燃料保压60S以后，随着保压时间的延长，成型燃料松弛密度基本趋于稳定。分析原因：对于大多数生物质物料来说，成型段结束后成型燃料进人保型段，此时成型燃料在内部应力作用下会发生膨胀和松弛，成型燃料密度也会相应减小，随着保型时间的延长，成型燃料密度逐渐趋于稳定，这个稳定值即松弛密度。本次实验保压时间60S后，成型燃料的松弛密度基本趋于稳定，这表明保压时间60S能确保成型燃料具有相对稳定的形状和密度。

　　用成型燃料松弛比反映成型燃料的成型品质，由以上分析和表4可得：对于保证成型燃料品质的较优方案为：A4B1C2D1E1，即预热温度130℃、物料粒度<3mm、物料含水率15％、压缩速度20mm／min、保压时间60s。

　　2.2.2成型燃料吨耗结果分析

　　成型功耗反映了成型条件的优劣，也是成型燃料经济性的一项重要考核指标。通过计算，将实验中成型燃料成型功耗转换为成型燃料吨耗来反映成型方案的优劣。对成型燃料吨耗来说，物料存在最大极差的因素为预热温度，其次为物料含水率、物料粒度、保压时间和压缩速度。各因素对成型燃料吨耗的影响强弱依次为：预热温度>物料含水率>物料粒度>保压时间>压缩速度。

　　由图2可看出，预热温度对成型吨耗的影响，随着预热温度的升高，成型吨耗先减小后增大，在预热温度100℃时，成型吨耗最小。分析原因：由2.2.1节分析可知，木质素在70～110℃时软化，此时物料松软，易产生塑性变形，故成型吨耗较低，在130℃时，靠近模孔内壁的部分物料在高温下发生部分硬化，导致物料与模孑L内壁摩擦力增大，从而使成型吨耗增大。

　　物料含水率对成型吨耗的影响由图3可看出，随着含水率的增大，成型吨耗逐渐减小。分析原因：水分作为成型过程中的润滑剂，对成型功耗有很重要的影响；物料含水率低时，物料与模孔内壁以及物料粒子之间摩擦力较大，导致成型吨耗较高，随着物料含水率的增大，物料与模孔内壁以及物料粒子之间摩擦力变小，且粒子流动性增强，从而使成型吨耗减小。由实验结果可看出，物料含水率25％时，成型吨耗最小。

　　通过图4可看出，物料粒度对成型吨耗的影响趋势与对成型燃料松弛比的影响趋势大致相同：随着物料粒度的增大，成型吨耗逐渐增大，未经筛分的原始粉碎物料成型吨耗也相对较小。分析原因：物料粒度对成型吨耗的影响机制也与对成型燃料松弛比的影响机制类似，物料粒度越小，在压缩过程中表现出越好的填充特性、流动特性和压缩特性，物料更易于成型，从而减小了成型吨耗，未经筛分的原始粉碎物料由于微粒、中粒比重较高，成型吨耗也相对较小。

　　由图6可看出，在本次实验中保压时间对成型吨耗影响的总体趋势为：随着保压时间的延长，成型吨耗减小，但减幅很小。分析原因：由保压时间对成型燃料松弛比的影响可知，保压时间越长，成型燃料松弛比越大，即成型燃料松弛密度越小，因而在推移阶段所需要的推力越小，成型吨耗也越小。

　　通过极差分析，由表4可看出，压缩速度对成型吨耗的影响作用最小。在20、30、40、50mm／min不同压缩速度下，成型所需吨耗差别不大，其中由图5可看出，在40mm／min时成型吨耗最小。分析认为：压缩速度对成型设备生产率影响作用较大，而在模孔长度不变的情况下，压缩速度对成型吨耗的影响作用较小。

　　以成型吨耗反映成型过程中能量消耗，综上分析，成型功耗较优方案为：A3B1C4D3E4，即预热温度100℃、物料粒度<3mm、物料含水率25％、压缩速度40mm／min、保压时间120s。

　　2.2.3多指标综合评价分析

　　本文所设计的实验为两指标正交实验，测定了成型燃料松弛比和成型吨耗来分别反映成型燃料品质和成型功耗。实验中，为了兼顾每项指标，找出更优的成型条件，需要使用综合平衡法来对各指标做综合评价。通过各因素对成型燃料松弛比和成型吨耗的分析，得出成型燃料松弛比最佳方案为：A4B1C2DIE1，成型吨耗最佳方案为：A3B1C4D3E4。由分析可知，预热温度由100℃升高到130℃，成型燃料松弛减小幅度较小，而成型吨耗增幅较大，并且更高的预热温度对设备和成本的要求更高，综合考虑实际生产中对物料预热温度100℃作用为宜。

　　实验表明，物料粒度越小，对成型燃料品质和成型功耗越有利，但过小的物料粒度会增加粉碎物料的成本，且由图4可看出，物料粒度在6mm以上时成型吨耗大幅增大；在<3mm和3～6mm时，成型燃料松弛比和成型功耗相差不大，因此综合考虑物料的粉碎成本及物料粒度对成型过程的影响，得出实际生产中物料粒度在3～6mm为宜。物料含水率在15％时松弛比最小，25％时成型吨耗最小，但此时成型燃料松弛较大，成型效果欠佳，考虑到成型燃料首先应满足一定的强度要求，所以实际生产中物料含水率15％为宜。

　　由表4可看出，成型燃料松弛比在压缩速度40mm／min时仅比20mm／min时增大0.06，而压缩速度为40mm／min时成型吨耗最小，且较高的压缩速度可提高成型燃料生产率，故综合考虑压缩速度40mm／min较为适宜。保压时间对成型燃料松弛比的影响比成型功耗小，且保压时间60s以后，成型燃料松弛密度基本趋于稳定，对于成型吨耗，虽然保压时间越长，成型吨耗越低，但过长的保压时间严重影响了成型燃料的生产率，且保压时间80S以后，成型吨耗变化很小，故分析认为保压时间80s较合适。综上分析所述，成型燃料热压成型最佳成型方案为：A3B2C2D3E2，即预热温度100℃、物料粒度3~6mm、物料含水率15％、压缩速度40mm／min、保压时间80S。

　　3结论

　　2)在粉碎玉米秸秆热压成型的各影响因素中，各因素对成型燃料松弛比的影响强弱依次为：预热温度>物料含水率>物料粒度>压缩速度>保压时间；各因素对成型燃料吨耗的影响强弱依次为：预热温度>物料含水率>物料粒度>保压时间>压缩速度。

　　3)提高预热温度、减小物料粒度可减小成型燃料松弛比，减小成型功耗，但过高的预热温度、过小的物料粒度对成型燃料品质和功耗的提升效果不明显，反而会使前期物料预处理成本大大增加。物料含水率、压缩速度对成型燃料松弛比和吨耗具有相同的影响规律：随着物料含水率、压缩速度的增大，成型燃料松弛比和吨耗先减小后增大，在中间某值处均达到最小。在粉碎玉米秸秆热压成型过程中，保压时间对成型的影响作用较小。

　　4)综合分析考虑各因素对成型燃料品质和功耗的影响，得出粉碎玉米秸秆热压成型最佳成型方案为：A3B2C2D3E2，即预热温度100℃、物料粒度3-6mm、物料含水率15％、压缩速度40mm／min、保压时间80S。