雙超聲振動(dòng)壓縮生物質(zhì)壓塊抗跌碎性的影響因素研究

溫凱林，張永俊，姚　震，張　嬌

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

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雙超聲振動(dòng)壓縮生物質(zhì)壓塊抗跌碎性的影響因素研究

溫凱林，張永俊，姚震，張嬌

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

摘要：為提高雙超聲輔助壓縮生物質(zhì)所得壓塊的持久性，研究了雙超聲壓縮生物質(zhì)過程中顆粒度、含水率、預(yù)壓力、超聲電源功率和壓縮時(shí)間等單因素對麥草壓塊抗跌碎性的影響。結(jié)果表明：壓塊抗跌碎性隨著生物質(zhì)顆粒度的增大而逐漸減弱，隨著預(yù)壓力、超聲電源功率和壓縮時(shí)間的增加而增強(qiáng)，隨著含水率的增加呈先增強(qiáng)、后減弱的趨勢。

關(guān)鍵詞：雙超聲輔助壓縮；生物質(zhì)顆粒；抗跌碎性

纖維素生物質(zhì)原料的收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及預(yù)處理等環(huán)節(jié)的技術(shù)障礙一直制約著纖維素燃料實(shí)現(xiàn)高效率、低成本和大規(guī)模生產(chǎn)[1-2]。采用生物質(zhì)固體成形技術(shù)能大幅提高生物質(zhì)的密度、抗跌碎性和抗吸水性等物理特性，降低生物質(zhì)的儲(chǔ)運(yùn)成本。但是，傳統(tǒng)的纖維素生物質(zhì)壓縮成形技術(shù)一般需要高溫蒸汽、高壓力和額外添加粘接劑，其設(shè)備龐大、價(jià)格高，且添加劑易污染環(huán)境[3]。

超聲壓縮技術(shù)可使生物質(zhì)在常溫、低壓力和無添加劑條件下進(jìn)行壓縮。在壓縮過程中，高頻電源驅(qū)動(dòng)超聲振子進(jìn)行超聲頻率振動(dòng)，振動(dòng)能量通過工具頭施加在生物質(zhì)上，使生物質(zhì)密度迅速增大，從而顯著提高壓縮效率。Tang等[4]研究了單向超聲壓縮生物質(zhì)技術(shù)，指出小麥秸稈經(jīng)超聲壓縮后的出糖率比未經(jīng)超聲壓縮處理提高20 %以上。但從壓塊成形效果來看，單向超聲壓縮主要存在3個(gè)問題：一是壓塊厚度有限，成形時(shí)間較長、效率低；二是壓塊頂部和底部致密性不一致，影響抗跌碎性；三是特定條件下會(huì)出現(xiàn)“炭化現(xiàn)象”，影響出糖率。為此，本文采用“雙超聲同步壓縮”方法，通過工作臺(tái)和工具頭同步進(jìn)行超聲振動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓塊的高效壓縮，使超聲波對壓塊顆粒的預(yù)處理更充分，提高生物質(zhì)水解的出糖率。此外，壓塊在成形過程中，上、下表面同時(shí)承受超聲振動(dòng)，可使壓塊各部位的致密性保持一致，大大增加了壓塊的密度和抗跌碎性。

1　試驗(yàn)條件及過程

1.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)所用的生物質(zhì)原料為小麥秸稈（麥草）。試驗(yàn)儀器包含：超聲電源、WQS振動(dòng)篩、DT200A電子天平、TSL-1140B可控溫烘箱、秒表、加熱皿、干燥皿和噴霧器等。

顆粒度（D）是指粉碎后的生物質(zhì)顆粒粒徑，其大小通過不同的篩網(wǎng)直徑來區(qū)分。本試驗(yàn)研究6個(gè)水平的顆粒度，分別為：0～0.25、0～0.5、0～0.75、0～1、0～1.25、0～1.5 mm，對應(yīng)篩孔的目數(shù)分別為65、35、26、18、16、12。

含水率（mc）是指一定質(zhì)量的生物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量占總質(zhì)量的比率。測量過程為：先將經(jīng)過天然干燥并粉碎后的麥草密封保存，用加熱皿盛取50 g置于設(shè)定溫度為120℃的烘箱內(nèi)，烘干24 h后取出，再置于干燥皿中冷卻至室溫，測得其質(zhì)量為45 g。故麥草原始含水率mc0為：

式中：m0、m1分別為烘干前、后的麥草質(zhì)量。經(jīng)計(jì)算，麥草的原始含水率為10 %。

本試驗(yàn)研究5個(gè)水平的含水率，分別為：5 %、10 %、15 %、20 %、25 %，各個(gè)水平的含水率可通過向烘干后的麥草（含水率為0）噴灑蒸餾水獲得，方法為：取烘干后的麥草10 g，則配制各水平的含水率所需噴灑的蒸餾水質(zhì)量mw為：

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

雙超聲輔助振動(dòng)壓縮生物質(zhì)顆粒成形試驗(yàn)裝置見圖1，主要包括超聲振動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)和成形模具等部分。超聲振動(dòng)系統(tǒng)包含1個(gè)超聲電源（將50 Hz的市電轉(zhuǎn)換為20 kHz以上的高頻脈沖電）和2個(gè)并聯(lián)使用的夾心式超聲振子（將高頻電能轉(zhuǎn)化成工具頭的超聲頻振動(dòng)），2個(gè)振子尺寸相同，諧振頻率和阻抗特性相近。上振子工具頭由氣缸帶動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對模具中的生物質(zhì)進(jìn)行壓縮；下振子安裝在工作臺(tái)上，其工具頭由下至上伸入成形模具的圓柱形型腔中。氣動(dòng)系統(tǒng)控制上振子的上下運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入氣缸的氣壓大小由氣動(dòng)三聯(lián)件調(diào)節(jié)。

麥草成形過程主要包括氣壓預(yù)壓縮、雙超聲壓縮和保壓階段。在氣壓預(yù)壓縮階段，氣缸向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上工具頭對麥草進(jìn)行預(yù)壓縮；當(dāng)氣缸停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，保持氣壓不變，使生物質(zhì)預(yù)壓5 s。啟動(dòng)電源，雙超聲壓縮階段開始，2個(gè)振子同時(shí)對麥草進(jìn)行振動(dòng)壓縮，持續(xù)時(shí)間由試驗(yàn)條件決定。關(guān)閉電源，進(jìn)入保壓階段，保持氣壓對麥草作用5 s。保壓完成后，氣缸帶動(dòng)上振子上行，打開模具取出麥草壓塊，完成壓縮成形。

圖1　雙超聲輔助振動(dòng)壓縮生物質(zhì)顆粒成形試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)針對顆粒度、氣缸預(yù)壓力、超聲電源功率、含水率及壓縮時(shí)間等5個(gè)單因素，分別研究其對雙超聲壓縮階段生物質(zhì)壓塊抗跌碎性的影響，試驗(yàn)條件見表1。麥草的顆粒度通過不同的篩網(wǎng)孔徑來區(qū)分，D=1 mm代表顆粒直徑范圍為0～1 mm。氣缸預(yù)壓力是指在麥草壓縮過程中氣缸內(nèi)的氣壓大小，其值反映工具頭作用于麥草的初始?jí)毫Υ笮?。超聲電源功率為?qū)動(dòng)雙振子的電功率，由于超聲功率太大時(shí)，振動(dòng)產(chǎn)生的熱易造成生物質(zhì)的炭化，影響后續(xù)水解發(fā)酵的出糖率，故取功率區(qū)間為50 %～60 %。壓縮時(shí)間是壓縮階段的持續(xù)時(shí)間，即每次壓縮超聲電源工作的時(shí)間。每次試驗(yàn)均取麥草成形質(zhì)量為2 g。

1.3壓塊抗跌碎性的測量

抗跌碎性的測量方法為：先用電子稱測量壓縮成形后的壓塊質(zhì)量M（圖2a）；再將壓塊放置在2 m的高度，使其自由落下撞擊混凝土地面；重復(fù)跌落10次后，再用電子稱測量跌落試驗(yàn)后的壓塊質(zhì)量m（圖2b）。通過跌落后的壓塊質(zhì)量占跌落前的壓塊質(zhì)量的百分比來反映抗跌碎性DR：

DR值越大，說明抗跌碎性越好。試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)壓縮參數(shù)重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)，DR取3次測量結(jié)果的平均值。

表1　試驗(yàn)條件

圖2　壓塊跌落試驗(yàn)前后對比

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1顆粒度對壓塊抗跌碎性的影響

圖3是壓塊抗跌碎性與麥草顆粒度的關(guān)系圖。當(dāng)顆粒度從0.25 mm增大到1.5 mm過程中，壓塊的抗跌碎性從93.58 %下降到70.77 %，下降過程呈線性規(guī)律。出現(xiàn)這種趨勢的原因是麥草粒度越小，壓塊成形后的密度越大，麥草顆粒間的接觸面較大，顆粒間的粘接力較大，所以抗跌碎性越強(qiáng)。

圖3　壓塊抗跌碎性與顆粒度的關(guān)系

2.2氣缸預(yù)壓力對壓塊抗跌碎性的影響

圖4是壓塊抗跌碎性與氣缸預(yù)壓力的關(guān)系圖。隨著預(yù)壓力從0.2 MPa增大到0.6 MPa，壓塊的抗跌碎性先顯著增大，在預(yù)壓力為0.4 MPa時(shí)取得最大值為87.63 %，而后略微減小并保持在82 %左右。出現(xiàn)這種趨勢的原因是在氣壓預(yù)壓縮階段，氣缸預(yù)壓力先通過工具頭作用在壓塊顆粒上，使壓塊密度迅速增大；在雙超聲壓縮階段，超聲振動(dòng)使顆粒變得活躍，顆粒相互擠壓，密度進(jìn)一步增大，顆粒間的粘接力增大。故在一定范圍內(nèi)，預(yù)壓力的增大可提高壓塊的密度和抗跌碎性。但當(dāng)預(yù)壓力超過一定數(shù)值時(shí)，由于保壓結(jié)束后上振子工具頭撤離成形模具，壓塊上表面的力漸變?yōu)榱悖瑝簤K橫截面將產(chǎn)生拉應(yīng)力，且預(yù)壓力越大，壓塊的反彈越大，壓塊會(huì)變得松弛，粘接力降低，從而使抗跌碎性減弱。

圖4　壓塊抗跌碎性與氣缸預(yù)壓力的關(guān)系

2.3超聲電源功率對壓塊抗跌碎性的影響

圖5是壓塊抗跌碎性與超聲電源功率的關(guān)系圖。隨著超聲電源功率從50 %增加到60 %，壓塊的抗跌碎性從87.05 %增大到98.46 %，說明提高超聲電源功率有利于提高壓塊的抗跌碎性。出現(xiàn)這種趨勢的原因是在超聲壓縮過程中，工具頭的高頻振動(dòng)作用于麥草顆粒，使顆?；钴S起來，顆粒間的間隙被填充，壓塊密度增大。同時(shí)，超聲壓縮會(huì)使壓塊的溫度升高，使部分木質(zhì)素軟化，有利于提高顆粒間的粘接力，且功率越大，木質(zhì)素軟化效果越明顯。因此，超聲電源功率越大，麥草顆粒接觸力越大，抗跌碎性越強(qiáng)。

2.4含水率對壓塊抗跌碎性的影響

圖6是壓塊抗跌碎性與含水率的關(guān)系圖。隨著含水率從5 %增大到25 %，壓塊抗跌碎性先增強(qiáng)、后減弱。當(dāng)含水率為15 %時(shí)，抗跌碎性達(dá)最大值為92.86 %。出現(xiàn)這種趨勢的原因是生物質(zhì)中的水分作為天然的粘接劑，對壓塊的成形有較大的影響。含水率太低，粒子沒有充分延展，顆粒間結(jié)合不緊密，壓塊密度減小，顆粒間結(jié)合力減小，抗跌碎性減弱；含水率太高，過多的水分會(huì)在顆粒間形成薄膜分布在粒子層之間，使各層之間不能緊密貼合，壓塊密度減小，顆粒間結(jié)合力減小，抗跌碎性減弱。此外，在雙超聲壓縮過程中，壓塊溫度會(huì)顯著提高，過多的水分蒸發(fā)導(dǎo)致壓塊內(nèi)部氣體含量增加，使壓塊蓬松，顆粒間結(jié)合力也會(huì)減小。因此，保持含水率在一定范圍內(nèi)，有利于超聲壓縮生物質(zhì)成形。

圖5　壓塊抗跌碎性與超聲電源功率的關(guān)系

圖6　壓塊抗跌碎性與含水率的關(guān)系

2.5壓縮時(shí)間對壓塊抗跌碎性的影響

圖7是壓塊抗跌碎性與壓縮時(shí)間的關(guān)系圖。隨著壓縮時(shí)間從10 s增加到30 s，壓塊的抗跌碎性從88.02 %增大到97.41 %；壓縮時(shí)間繼續(xù)增大，抗跌碎性基本保持不變。出現(xiàn)這種趨勢的原因是在超聲壓縮過程中，若持續(xù)時(shí)間較短，超聲作用不明顯，壓塊成形后的密度較低，顆粒間結(jié)合力較低，抗跌性較弱。當(dāng)持續(xù)時(shí)間達(dá)到某個(gè)值（圖7所示30 s）后，超聲振動(dòng)已充分作用于壓塊，顯著提高了壓塊的密度和抗跌碎性，繼續(xù)延長壓縮時(shí)間只是提高壓塊溫度，使其炭化，并不能提高壓塊的抗跌碎性。因此，為避免生物質(zhì)炭化，較好地發(fā)揮超聲作用效果，超聲壓縮時(shí)間應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。

圖7　壓塊抗跌碎性與壓縮時(shí)間的關(guān)系

4　結(jié)論

本文研究了在雙超聲輔助壓縮生物質(zhì)過程中，顆粒度、含水率、氣缸預(yù)壓力、超聲電源功率和壓縮時(shí)間對生物質(zhì)壓塊抗跌碎性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，隨著顆粒度的增大，壓塊抗跌碎性逐漸減弱；隨著氣缸預(yù)壓力、超聲電源功率和壓縮時(shí)間的增加，壓塊抗跌碎性增強(qiáng)；隨著含水率的增加，壓塊抗跌碎性先增強(qiáng)、后減弱。

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Study on Factors Affecting Pellet Drop Resistance During Dual Ultrasonic Vibration-assisted Pelletizing of Biomass

Wen Kailin，Zhang Yongjun，Yao Zhen，Zhang Jiao
（School of Electro-mechnical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Abstract：The influence of 5 factors such as particle size，moisture content，preload，ultrasonic power and compression time to the drop resistance of wheat straw pellet in dual ultrasonic vibration assisted pelletizing were investigated to improve pellet durability. With the increase of particle size，the drop resistance of wheat straw pellet decrease. As preload，ultrasonic power and compression time increase，the drop resistance of wheat straw pellet increase. Moreover，with the increase of moisture content，the drop resistance of wheat straw pellet increase and then decrease.

Key words：dual ultrasonic vibration-assisted pelletizing；biomass pellet；drop resistance

第一作者簡介：溫凱林，男，1990年生，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275097）；機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（MSV-2013-08）

收稿日期：2015-09-01

中圖分類號(hào)：TG663

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）01－0047-04