水稻秸稈熱壓成型工藝參數(shù)試驗(yàn)研究*

李安心，張傳佳，涂德浴，2**，何貴生

（1. 安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243032；2. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

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水稻秸稈熱壓成型工藝參數(shù)試驗(yàn)研究*

李安心1，張傳佳1，涂德浴1，2**，何貴生1

（1. 安徽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，馬鞍山 243032；2. 農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

摘要：水稻秸稈冷壓成型試驗(yàn)得到的成型燃料能耗較高且質(zhì)量不佳，為提高水稻秸稈成型燃料質(zhì)量，本次試驗(yàn)利用水稻秸稈成型設(shè)備，在不同成型壓力、原料粒徑、溫度以及含水率等工藝參數(shù)條件下對(duì)水稻秸稈進(jìn)行熱壓成型試驗(yàn)。通過分析成型燃料的物理性能，確定各工藝參數(shù)最佳選取范圍為：粒徑0～2mm、溫度70～100℃、成型壓力8.89～40MPa、含水率12%～25%。為進(jìn)一步提高水稻秸稈原料成型燃料的質(zhì)量，提出通過添加木質(zhì)素含量較高的木屑原料即形成混合原料，并通過對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，混合原料可以有效提高水稻秸稈成型燃料的綜合質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：水稻秸稈；木屑；熱壓成型；物理性能

李安心，張傳佳，涂德浴，等.水稻秸稈熱壓成型工藝參數(shù)試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2016，37（1）:26-35

生物質(zhì)能源即綠色植物通過光合作用將太陽能以化學(xué)能的形式貯存在生物體中的能量[1]。與其它可再生能源相比，生物質(zhì)能源具有地區(qū)性限制小、可控性強(qiáng)及轉(zhuǎn)化形式多樣等優(yōu)勢(shì)，且生產(chǎn)成本相對(duì)較低，在一定程度上能減少對(duì)礦物燃料的依賴[2-3]。中國是農(nóng)業(yè)大國，秸稈類作物資源豐富，但由于秸稈原料質(zhì)地蓬松，體積大，密度小，導(dǎo)致燃燒時(shí)熱值小，利用率低，運(yùn)輸成本高且不利于存儲(chǔ)和利用[4]。生物質(zhì)固化成型技術(shù)是將松散的生物質(zhì)原料經(jīng)過干燥、粉碎等預(yù)處理后，在一定外界條件（如溫度和壓力）下，采取機(jī)械加工的方式，將無固定形狀的生物質(zhì)散料壓制成具有規(guī)則形狀且致密的生物質(zhì)成型燃料[5]。

近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)秸稈類生物質(zhì)固化成型技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。Kaliyan等[6]對(duì)玉米秸稈顆粒進(jìn)行顯微觀察發(fā)現(xiàn)，固體橋接是物料顆粒間的主要結(jié)合方式；Gilbert等[7]研究壓力和溫度對(duì)切碎的柳枝、小麥稻稈成型顆粒的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)顆粒成型有很大影響。Carone等[8]對(duì)木材加工剩余物進(jìn)行研究得出，高溫、低含水率、較小粒徑條件下制得的成型燃料具有較大松弛密度和較好抗碎強(qiáng)度，150℃時(shí)，即使在較小壓力和較大含水率及較大粒徑的條件下得到的成型燃料的松弛密度及熱值仍很高。Rhe′n等[9]對(duì)挪威云杉木屑研究發(fā)現(xiàn)，高壓、低含水率可提高成型燃料松弛密度，壓力≤50MPa，溫度為90℃時(shí)成型燃料表現(xiàn)出最大抗?jié)B水性。Mani等[10]發(fā)現(xiàn)，原料粒徑對(duì)小麥秸稈成型燃料的松弛密度影響較小，原料粒徑3.2mm、含水率12%的條件下玉米秸稈成型燃料的松弛密度最大?；夭示闧11]對(duì)豆秸、木屑等5種原料進(jìn)行冷壓成型試驗(yàn)得到原料最佳含水率為15%，常溫高壓致密成型時(shí)含水率最好控制在5%～15%，最高不能超過22%，其壓力控制在15～35MPa即可滿足存放、運(yùn)輸要求[12]。王艷云等[13]采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)切碎棉桿進(jìn)行軸向壓縮試驗(yàn)研究，得到秸稈燃料的最優(yōu)含水率應(yīng)該控制在10%～13%，含水率＜7%時(shí)成型塊不密實(shí)，品質(zhì)較差，含水率＞16%會(huì)發(fā)生卸載現(xiàn)象，不能成型。李慶達(dá)等[14]研究了水稻秸稈的含水率對(duì)其成型燃料物理特性的影響，認(rèn)為隨著含水率的提高，水稻秸稈成型燃料的松弛密度和抗?jié)B水性呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，成型燃料的抗跌碎性隨著水稻秸稈含水率的增加而降低，稻草和稻殼的最佳含水率區(qū)間分別為6.50%～7.80%和6.80%～8.50%。

成型顆粒燃料的品質(zhì)包括燃燒特性品質(zhì)及物理特性品質(zhì)。通過燃燒特性能夠直觀評(píng)價(jià)成型顆粒燃燒品質(zhì)的優(yōu)劣，但在研究中投入大量的已成型好的顆粒進(jìn)行充分燃燒來測(cè)試其品質(zhì)顯然是不符合實(shí)際的，不僅增加了研究成本，還造成了原料的浪費(fèi)，而物理特性品質(zhì)不僅在一定程度上影響著燃燒特性品質(zhì)，還直接決定了成型顆粒的運(yùn)輸條件、貯藏條件及使用要求。所以通常將物理特性品質(zhì)作為評(píng)價(jià)成型顆粒燃料的重要指標(biāo)[15]。本試驗(yàn)選用成型燃料物性指標(biāo)中的松弛密度及耐久性作為檢測(cè)指標(biāo)。其中耐久性指標(biāo)包括抗碎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B水性。本課題組前期主要進(jìn)行的是水稻秸稈冷壓成型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)研究表明，水稻秸稈冷壓成型燃料品質(zhì)較差、能耗高[16-17]。因此，為提高成型燃料質(zhì)量，首先對(duì)水稻秸稈原料進(jìn)行了熱壓成型試驗(yàn)，試驗(yàn)研究了不同成型壓力、原料粒徑、溫度等條件下水稻秸稈成型燃料質(zhì)量，以尋求水稻秸稈熱壓成型一般參數(shù)范圍和各參數(shù)對(duì)不同成型指標(biāo)的影響。其次，由于木屑原料中含有較高的木質(zhì)素，木質(zhì)素作為大多數(shù)生物質(zhì)能源的組成成分之一，是一種天然有機(jī)物，其在一定溫度和壓力下可軟化，黏附和聚合生物質(zhì)顆粒從而提高成型燃料的結(jié)合強(qiáng)度和耐久性，起到黏結(jié)劑的作用[18]。因此，提出通過在水稻秸稈原料中加入木屑原料即形成混合原料來進(jìn)一步提高水稻秸稈成型燃料的質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料為皖南地區(qū)2012年成熟水稻秸稈及木材加工廠剩余物即松木屑。試驗(yàn)原料的工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)原料工業(yè)分析（%）Table 1 Proximate analysis of raw material（%）

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

成型試驗(yàn)使用的主要設(shè)備包括電子天平（FA2204B，上海產(chǎn)，精度0.001g），網(wǎng)篩（規(guī)格Φ200×50，浙江產(chǎn)），電子萬能試驗(yàn)機(jī)（WE-300B，浙江產(chǎn)），溫控加熱裝置（0～300℃，精度0.1℃）及成型模具。電子萬能試驗(yàn)機(jī)內(nèi)含液壓驅(qū)動(dòng)裝置，可以自由調(diào)節(jié)壓力大小，壓力測(cè)量范圍1～300kN。溫控加熱裝置主要由加熱圈、硅探頭及溫控箱組成。試驗(yàn)前在加熱系統(tǒng)上設(shè)定好試驗(yàn)溫度后打開加熱設(shè)備開關(guān)，加熱至設(shè)定溫度后，系統(tǒng)自動(dòng)跳至保溫狀態(tài)，誤差為±0.1℃。本研究自行設(shè)計(jì)成型模具，模具主要由壓桿、凹模、擋塊、底板及加熱裝置組成。成型?？變?nèi)徑為30mm，高度為285mm，如圖1所示。

1.3 試驗(yàn)方法

（1）配制試驗(yàn)材料。首先將水稻秸稈粉碎，然后用相應(yīng)密度的網(wǎng)篩進(jìn)行篩分，得到粒徑分別為0～0.4、0.6～1、1～2、0～2、2～4mm的水稻秸稈原料及粒徑為0～2mm的木屑原料。將粉碎好的試驗(yàn)原料在自然條件下放置兩個(gè)月風(fēng)干，測(cè)定水稻秸稈原料的含水率為12%，達(dá)到風(fēng)干標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，利用電子天平進(jìn)行配水及烘干處理，配制出含水率分別為12%、20%、25%、30%的水稻秸稈試驗(yàn)材料。配水量計(jì)算公式為

圖1 閉式熱壓成型試驗(yàn)裝置Fig.1 Equipment of closed compressing molding experiment

式中，m1為配水量（g）；m2為配水前質(zhì)量（g）；K1為配水前原料含水率（12%）；K2為設(shè)計(jì)含水率（%）。

（2）在加熱系統(tǒng)上設(shè)定好試驗(yàn)溫度后打開加熱設(shè)備開關(guān)，加熱至設(shè)定溫度后，系統(tǒng)自動(dòng)跳至保溫狀態(tài)。用電子天平稱量5g原料填充進(jìn)模具里。隨后打開萬能試驗(yàn)機(jī)，在壓桿上施加壓力（試驗(yàn)前，根據(jù)所需的壓強(qiáng)大小換算成壓力值輸入試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)），推動(dòng)其壓縮物料，達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定壓力值后系統(tǒng)自動(dòng)停止施壓并保持當(dāng)前壓力10s（此為保型時(shí)間），關(guān)閉萬能試驗(yàn)機(jī)。移除擋塊后，再繼續(xù)使用萬能試驗(yàn)機(jī)將已成型的燃料退模，成型燃料呈扁圓柱形。2h后進(jìn)行物理性能測(cè)試。

1.4 試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)試方法

（1）松弛密度

參照DB11/7541-2008北京地方標(biāo)準(zhǔn)[18]和Carone 等[8]的檢測(cè)方法，將成型燃料放置于密封袋中2h（本試驗(yàn)規(guī)定的松弛時(shí)間）后用精度為0.02mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量尺寸，根據(jù)式（2）計(jì)算其松弛密度。每組試驗(yàn)重復(fù)10次，檢測(cè)值剔除誤差后取平均值。

式中，ρ為松弛密度（g·cm?3）；m為成型燃料質(zhì)量（g）；d為成型燃料直徑（cm），h為成型燃料顆粒長度。

本試驗(yàn)成型燃料為圓柱體，截面直徑≥25mm，根據(jù)北京地方標(biāo)準(zhǔn)[19]，松弛密度≥0.6g·cm?3即為合格產(chǎn)品。

（2）抗碎強(qiáng)度

按照北京地方標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法[19]，將成型燃料從高2m處自由跌落到平坦的水泥地面5次后，測(cè)量成型燃料占原成型燃料的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，≥95%[19]表示該成型燃料成型品質(zhì)良好。選取相同成型條件下的3個(gè)成型燃料測(cè)試，取所有檢測(cè)值的平均值，其計(jì)算式為

式中，DS為抗碎強(qiáng)度；m1為經(jīng)過抗碎強(qiáng)度測(cè)試后成型燃料的質(zhì)量（g）；m為原成型燃料質(zhì)量（g）。

（3）抗?jié)B水性

參照Lindley等的檢測(cè)方法[20]，先向干凈的燒杯內(nèi)倒入200mL27℃的水，然后將成型燃料置于水面下25mm處，30s后取出，滴干后計(jì)算成型燃料所吸收的水量與原成型燃料質(zhì)量之比，即能反映成型燃料的抗?jié)B水性。目前抗?jié)B水性在國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)值越小說明抗?jié)B水性越好。同樣選取相同成型條件下的3個(gè)成型燃料測(cè)試，取檢測(cè)值平均值，其計(jì)算式為

式中，SS為抗?jié)B水性；m2為經(jīng)過抗?jié)B水性測(cè)試后成型燃料的質(zhì)量（g）；m為原成型燃料質(zhì)量（g）。

（4）抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是成型燃料所能承受的外界施加的最大壓力，它直接反應(yīng)了燃料在外界壓力下的抗變形能力?！伴]式”成型燃料呈規(guī)則的圓柱體形狀，燃料表面積大但長度小，一般軸向的承壓能力較好，因此，本試驗(yàn)僅進(jìn)行成型燃料徑向抗壓強(qiáng)度的測(cè)試試驗(yàn)，并將徑向承受的最大壓力值作為最終的抗壓強(qiáng)度。將成型燃料放在萬能試驗(yàn)機(jī)的工作臺(tái)上，在燃料的徑向做上標(biāo)記，對(duì)標(biāo)記處進(jìn)行緩慢施壓。當(dāng)出現(xiàn)裂紋時(shí)開始觀測(cè)，直至燃料完全斷裂立刻停止施壓，記錄下此失效壓力F徑，即為燃料所能承受的最大壓力值。壓力值越大說明其抗壓強(qiáng)度越好。選取相同成型條件下的3個(gè)成型燃料測(cè)試，取所有檢測(cè)值的平均值。

1.5 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1）通過設(shè)置不同溫度（50、70、90和110℃）、粒徑（0～0.4、0.6～1、1～2和2～4mm）、含水率（12%、20%、25%、30%）和成型壓力（4.44、8.89、13.33、17.78、22.22、31.11、48.88和53.33MPa）條件下對(duì)水稻秸稈試驗(yàn)材料進(jìn)行熱壓成型試驗(yàn)，通過測(cè)定各種條件下水稻秸稈成型燃料的松弛密度、抗壓強(qiáng)度、抗碎強(qiáng)度等指標(biāo)，確定各工藝參數(shù)的最佳選取范圍。

（2）將水稻秸稈原料與木屑原料按1:1質(zhì)量混合，在相同條件下進(jìn)行熱壓成型試驗(yàn)，對(duì)比成型燃料的物理性能研究不同原料成型燃料的特點(diǎn)，試驗(yàn)驗(yàn)證在水稻秸稈原料中添加木屑原料是否可以提高成型燃料質(zhì)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料粒徑對(duì)成型燃料物理性能的影響

選取含水率為20%，粒徑分別為＜0.4、0.6～1、1～2、2～4mm的水稻秸稈原料，在溫度為90℃，成型壓力分別為4.44、8.89、13.33、22.22MPa條件下進(jìn)行熱壓成型試驗(yàn)，所得成型燃料的物理性能見圖2。

由圖2a可見，原料粒徑＜0.4mm的水稻秸稈成型燃料在各種試驗(yàn)壓力下的松弛密度均最大，且均＞0.6g·cm?3，說明在該4種壓力條件下均可成型，且隨著壓力增大成型產(chǎn)品的松弛密度略有增加。其它粒徑原料在相同壓力下成型產(chǎn)品的松弛密度均較小，且原料粒徑越大產(chǎn)品松弛密度越小，甚至大多數(shù)產(chǎn)品（除0.6～1mm在較大壓力下外）的松弛密度＜0.6g·cm?3，說明產(chǎn)品不能成型。因此，可以認(rèn)為22.22MPa壓力下，原料粒徑為＜0.4mm的成型燃料松弛密度最高，為0.89g·cm?3，質(zhì)量較優(yōu)，而其它粒徑原料加工的成型燃料，松弛密度小且不合格，同時(shí)伴有成型燃料不密實(shí)、進(jìn)料不順等現(xiàn)象。這主要是由于原料粒徑較大時(shí)物料間的填充特性差，顆粒間彼此嵌入不好。與李慶達(dá)等[14]所做同類型試驗(yàn)具有一致結(jié)論。

如圖2b所示，原料粒徑＜0.4mm的水稻秸稈成型燃料，其抗碎強(qiáng)度在所有壓力下均達(dá)到98%且相差較小，說明當(dāng)原料粒徑＜0.4mm時(shí)，成型壓力對(duì)其抗碎強(qiáng)度影響較小。壓力為4.44MPa時(shí)，粒徑為0.6～1mm成型燃料的抗碎強(qiáng)度≥91%，1～2mm、2～4mm成型燃料的抗碎強(qiáng)度≤96%。但當(dāng)壓力為22.22MPa時(shí)，所有粒徑的成型燃料抗碎強(qiáng)度均可達(dá)98%左右。因此，得出原料粒徑對(duì)成型燃料抗碎強(qiáng)度的影響受壓力因素制約，壓力越大，原料粒徑對(duì)成型燃料抗碎強(qiáng)度的影響減小。

由圖2c可知，較小壓力4.44MPa下，原料粒徑＜0.4mm的水稻秸稈成型燃料的抗?jié)B水性最低。這是由于在壓縮過程中小粒徑原料成型塊內(nèi)部形成的內(nèi)應(yīng)力增大，從而造成成型塊的親水力上升，表現(xiàn)出更易滲水特質(zhì)[21]。如圖2d所示，相同壓力下，原料粒徑＜0.4mm的成型燃料的抗壓強(qiáng)度最好。這是由于相同壓力下，較小粒徑成型燃料內(nèi)部粒子間產(chǎn)生靜電引力、分子引力以及液相附著力，原料粒子在這些力的作用下鑲嵌緊密，成型燃料密實(shí)。

圖2 原料粒徑對(duì)成型燃料物理特性的影響Fig. 2 Effect of raw particle size on physical properties of biomass briquettes

可見，原料粒徑越小，成型燃料綜合質(zhì)量越好。但粒徑越小，加工工藝程序就會(huì)隨之變得繁瑣，并將導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)成本增高。又由于大粒徑原料的堆積密度小于小粒徑，不易發(fā)生模具孔堵死現(xiàn)象[22-23]，且Arshadi發(fā)現(xiàn)混合粒徑的原料可以增加制粒的耐久性[24]。因此，綜合考慮認(rèn)為，水稻秸稈原料最佳原料粒徑范圍為0～2mm。為便于比較，在研究其它因素影響試驗(yàn)時(shí)粒徑均選用0～2mm。

2.2 成型壓力對(duì)成型顆粒燃料物理性能的影響

選取含水率為20%，粒徑為0～2mm的水稻秸稈原料，在溫度為80℃，成型壓力分別為8.89、13.33、17.78、31.11、48.88、53.33MPa條件下進(jìn)行熱壓成型試驗(yàn)，所得成型燃料物理特性見圖3。

由圖3可知，當(dāng)壓力≤31.11MPa時(shí)，成型燃料的物性指標(biāo)與壓力呈近似線性關(guān)系。8.89MPa壓力下成型燃料的松弛密度為0.64g·cm?3，抗碎強(qiáng)度為97.95%，抗?jié)B水性及抗壓強(qiáng)度分別為25.05%和4.30kN。31.11MPa下松弛密度可達(dá)0.74g·cm?3，抗碎強(qiáng)度為99.32%，抗?jié)B水性為19.99%，抗壓強(qiáng)度為4.75kN，各項(xiàng)指標(biāo)均漲幅較大。從成型過程看，壓力≤31.11MPa時(shí)，壓縮成型處在松散階段和過渡階段。成型初期主要克服的是物料間的空隙，壓力作用下物料間的空氣和水分很快被排除，空隙迅速減小，體積也隨之減小，松弛密度提高較大。隨著壓力的增大，成型進(jìn)入過渡階段。此階段大顆粒原料破裂成小粒子，在壓力作用下粒子位置不斷進(jìn)行排序填補(bǔ)小粒子間間隙。當(dāng)壓力≥31.11MPa后，成型燃料松弛密度穩(wěn)定在0.81g·cm?3，抗碎強(qiáng)度在99.35%上下小幅浮動(dòng)。因?yàn)椋穗A段為壓實(shí)階段，原料主要進(jìn)行塑形變形。隨著壓力的增大，粒子間相互錯(cuò)位，形狀和位置發(fā)生變化。在主應(yīng)力方向上粒子得到充分延展，粒子間以嚙合的方式緊密結(jié)合在一起。在與主應(yīng)力相垂直方向粒子厚度不斷減小，粒子間通過貼合的方式緊密接觸。此外，粒子間還存在一定的殘余應(yīng)力，使粒子能夠更加牢固地結(jié)合在一起[25]，成型燃料質(zhì)量較優(yōu)。

可見，較大的壓力可提高成型燃料質(zhì)量，但是當(dāng)壓力增至一定大小后成型燃料的松弛密度、抗?jié)B強(qiáng)度等質(zhì)量指標(biāo)趨于穩(wěn)定。因此，在相同成型效果下選取壓力較小，同時(shí)綜合考慮壓力與其它工藝參數(shù)之間的制約關(guān)系，壓力最佳選取范圍為8.89～40.00MPa。

圖3 成型壓力對(duì)成型燃料物理特性的影響Fig. 3 Effect of compressive force on physical properties of biomass briquettes

2.3 原料含水率對(duì)成型燃料物理性能的影響

選取粒徑為0～2mm，含水率分別為12%、20%、25%、30%的水稻秸稈原料，在溫度為50℃和70℃，成型壓力為13.33MPa條件下進(jìn)行熱壓成型試驗(yàn)，所得成型燃料的物理特性見圖4。

試驗(yàn)表明，含水率在12%～30%的原料均可壓縮成型，但成型燃料質(zhì)量相差較大。從圖4a、b、c可知，成型燃料的松弛密度、抗?jié)B水性及其抗壓強(qiáng)度均隨著原料含水率的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)，與Theerarattananoona[26]的研究結(jié)論一致。在50℃條件下，原料含水率為12%的成型燃料松弛密度為0.69g·cm?3，抗?jié)B水性39.79%，抗壓強(qiáng)度4.59kN。當(dāng)原料含水率增至20%時(shí)，成型燃料的松弛密度為0.76g·cm?3，抗?jié)B水性15.71%，抗壓強(qiáng)度4.74kN。這是由于壓力作用下水與果膠質(zhì)或糖類混合形成膠體起到黏結(jié)劑的作用，同時(shí)一定范圍內(nèi)增加原料的含水率使粒子間內(nèi)摩擦減小，粒子流動(dòng)性增強(qiáng)，充分延展并與四周粒子緊密結(jié)合，從而提高了成型燃料的松弛密度及抗壓強(qiáng)度。含水率≥20%后，成型燃料的松弛密度、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B水性開始降低，原料含水率為30%的成型燃料其抗?jié)B水性甚至無法檢測(cè)出。這是由于原料的含水率較高時(shí)，粒子盡管在垂直于最大主應(yīng)力方向上能夠充分延展，粒子間能夠嚙合，但原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使粒子層間不能緊密貼合。而且，過多的水蒸氣使分子間距加大，影響熱量傳導(dǎo)，降低成型溫度，使原料中的木質(zhì)素難以熔融，粗纖維不易軟化，導(dǎo)致黏結(jié)力下降，從而導(dǎo)致成型燃料質(zhì)量降低[27]。由圖4d可見，成型燃料抗碎強(qiáng)度隨著含水率的增加而降低，下降趨勢(shì)不明顯。但含水率較大時(shí)，下降幅度較大。同時(shí)，試驗(yàn)表明，同一含水率、70℃條件下制得的成型燃料質(zhì)量比50℃較優(yōu)，說明含水率對(duì)成型燃料質(zhì)量的影響狀況受溫度影響。綜合考慮以上分析認(rèn)為，原料含水率最佳選取范圍為12%～25%。

圖4 含水率對(duì)成型燃料物理特性的影響Fig. 4 Effect of moisture content on physical properties of biomass briquette

2.4 溫度對(duì)成型燃料物理性能的影響

選取含水率為20%，粒徑為0～2mm的水稻秸稈原料，成型壓力為8.89MPa，分別在50、70、90、110℃條件下進(jìn)行熱壓成型試驗(yàn)，檢測(cè)成型燃料物理特性，結(jié)果見圖5。

圖5 溫度對(duì)成型燃料物理特性的影響Fig. 5 Effect of temperature on physical properties of biomass briquettes

由圖5可見，成型燃料的松弛密度、抗碎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B水性均隨著溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。由熱壓成型原理可知，壓縮成型主要是靠木質(zhì)素軟化和顆粒逐漸填充物料間的空隙完成[20]。50℃時(shí)，成型燃料的松弛密度為0.64g·cm?3，抗碎強(qiáng)度為98.61%，抗?jié)B水性為19.29%，抗壓強(qiáng)度為4.73kN。隨著溫度的升高，秸稈原料中的木質(zhì)素吸熱軟化，黏合力增加，此時(shí)在一定壓力作用下，木質(zhì)素與纖維素結(jié)合并同臨近的秸稈顆?；ハ嘟唤?，成型燃料變得密實(shí)緊致[9]，成型燃料表現(xiàn)出較好的質(zhì)量。70～90℃時(shí)，燃料松弛密度達(dá)到0.65g·cm?3，抗碎強(qiáng)度為99.51%，抗?jié)B水性為17.48%，抗壓強(qiáng)度為4.76kN。由此可得，溫度較大時(shí)，可在小壓力下獲得質(zhì)量較好的成型燃料，這與Carone等所得結(jié)論相近[8]。隨著溫度繼續(xù)升高，燃料松弛密度、抗碎強(qiáng)度、抗?jié)B水性及抗壓強(qiáng)度均變小。110℃時(shí)，松弛密度降至0.65g·cm?3，抗碎強(qiáng)度為98.98%，抗?jié)B水性為20%，抗壓強(qiáng)度為4.7kN。這是由于溫度較高時(shí)，燃料內(nèi)部形成水蒸氣使成型燃料內(nèi)部膨脹，同時(shí)成型燃料表面出現(xiàn)炭化，冷卻過程中吸收空氣中的水分，亦使成型燃料膨脹。這種膨脹致使成型燃料易開裂[24]，所以成型燃料質(zhì)量變差。溫度過低，原料不能成型且能耗較高，而一定范圍內(nèi)增加溫度可使成型燃料質(zhì)量提高。因此，綜合考慮認(rèn)為，最佳成型溫度宜選取70～100℃。

2.5 原材料種類對(duì)成型顆粒燃料物理性能的影響

將粒徑為0～2mm的水稻秸稈、木屑及1:1混合原料分別在50℃、不同壓力（8.89、13.33、22.22、31.11、40.00、44.44MPa）條件下進(jìn)行熱壓成型試驗(yàn)，檢測(cè)成型燃料各物理特性指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見圖6。由圖6a可知，3種原料成型燃料的松弛密度隨著壓力的增大均呈現(xiàn)先增大后平緩趨穩(wěn)的趨勢(shì)。其中水稻秸稈成型燃料隨著壓力的增大變化較大。13.33MPa壓力下水稻秸稈成型燃料的松弛密度為0.69g·cm?3，當(dāng)壓力為22.22MPa時(shí)，水稻秸稈成型燃料的松弛密度增至0.83g·cm?3，增幅較大。這是由于在成型初期，散布于原料間的水分和空氣在壓力作用下被排出，秸稈間隙不斷減小，體積也隨之迅速減小，因此，成型燃料松弛密度大幅上升。但是松弛密度并不隨著壓力的增大持續(xù)增大。當(dāng)壓力增至40MPa后，水稻秸稈成型燃料的松弛密度基本維持在0.94g·cm?3，上下波動(dòng)較小。這是由于隨著壓力的增大，成型經(jīng)過到達(dá)壓實(shí)階段，此階段原料粒徑及顆粒內(nèi)部間隙已基本被填充完畢，因此，隨著壓力的增大成型燃料松弛密度變化不大。木屑和1:1混合原料成型燃料的松弛密度隨著壓力的增大緩慢增長。壓力為8.89MPa時(shí)，水稻秸稈、木屑、混合原料成型燃料的松弛密度分別為0.66、0.69、0.68g·cm?3，均達(dá)標(biāo)。由于木屑中木質(zhì)素含量較高，而木質(zhì)素在成型過程中經(jīng)軟化后具有黏結(jié)劑的作用，因此，在壓力＜22.22MPa時(shí)，木屑及1:1混合原料成型燃料的松弛密度均大于水稻秸稈成型燃料。當(dāng)壓力增至22.22MPa時(shí)，木屑成型燃料的松弛密度為0.77g·cm?3，水稻秸稈成型燃料與1:1混合原料成型燃料的松弛密度增至0.83g·cm?3左右。可見，較小壓力下1:1混合原料成型燃料的松弛密度比水稻秸稈成型燃料的松弛密度要高。

圖6 不同原材料成型燃料的物理性能Fig. 6 Physical properties of different materials pellets

從圖6b可見，相同壓力下，水稻秸稈、木屑以及1:1混合原料成型燃料的抗碎強(qiáng)度差異較大。壓力為8.89MPa時(shí)，水稻秸稈、木屑、1:1混合原料成型燃料的抗碎強(qiáng)度分別為84.61%、91.49%、94.83%，1:1混合原料成型燃料的抗碎強(qiáng)度最大。當(dāng)壓力增至13.33MPa時(shí)，木屑以及1:1混合原料成型燃料的抗碎強(qiáng)度分別為95.01%、98.15%，二者抗碎強(qiáng)度均較好，而水稻秸稈成型燃料抗碎強(qiáng)度為89.95%，未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)。壓力增至22.22MPa時(shí)，木屑原料成型燃料抗碎強(qiáng)度為95%，相對(duì)于13.33MPa壓力下成型燃料抗碎強(qiáng)度無明顯變化，水稻秸稈成型燃料抗碎強(qiáng)度為98.93%，達(dá)標(biāo)，而此時(shí)1:1混合原料成型燃料的抗碎強(qiáng)度為99.08%。當(dāng)壓力大于22.22MPa后，3種原料成型燃料的抗碎強(qiáng)度均趨于某一穩(wěn)定值。因此，可以認(rèn)為，較小壓力下，相對(duì)于水稻秸稈原料，1:1混合原料成型燃料的抗碎強(qiáng)度較好。

由圖6c可知，當(dāng)壓力小于13.33MPa時(shí)，1:1混合原料的抗壓強(qiáng)度最大，即1:1混合原料＞木屑＞水稻。當(dāng)壓力為22.22MPa時(shí)，水稻秸稈抗壓強(qiáng)度達(dá)到4.79kN，與木屑成型燃料的抗壓強(qiáng)度接近。1:1混合原料成型燃料的抗壓強(qiáng)度隨著壓力的增長變化不大，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，可以認(rèn)為，在較小壓力下可得到具有較好抗壓強(qiáng)度的1:1混合原料成型燃料。

由圖6d可知，8.89MPa壓力下水稻秸稈成型燃料的抗?jié)B水性最好，木屑原料成型燃料在抗?jié)B水性檢測(cè)時(shí)，30s內(nèi)幾乎完全松散在燒杯中，無法檢測(cè)。這是因?yàn)橄鄬?duì)于水稻秸稈，木屑結(jié)構(gòu)中蠟質(zhì)含量低，纖維結(jié)構(gòu)較為疏松，密度小，易吸水膨脹，而較小壓力制得的成型燃料內(nèi)部黏結(jié)不緊致，原料粒子間的黏結(jié)作用力較小。隨著壓力的增加，3種原料成型燃料的抗?jié)B水性逐漸變好，其中水稻秸稈成型燃料的抗?jié)B水性最佳。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，較小壓力下1:1混合原料成型燃料綜合物理性能比水稻秸稈成型燃料好，此方法可作為提高水稻秸稈原料成型燃料質(zhì)量方法。

3 結(jié)論與討論

本文以水稻秸稈為原料，以松弛密度和耐久性作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，水稻秸稈熱壓成型工藝參數(shù)選取范圍為：粒徑0～2mm、溫度70～100℃、壓力8.89～40MPa、含水率12%～25%。與冷壓成型試驗(yàn)結(jié)果相比[15]（成型壓力120～180MPa、粒徑＜0.9mm、含水率15%～25%）其成型壓力變小，降低了能耗；熱壓成型試驗(yàn)原料粒徑范圍變大，同時(shí)由于加入溫度的因素使原料含水率范圍也變大，一定程度上降低了生產(chǎn)成本，可為秸稈燃料實(shí)際生產(chǎn)中工藝參數(shù)的選擇提供數(shù)據(jù)支持。

相對(duì)于單一水稻秸稈原料成型燃料，加入了木屑原料的1:1混合原料成型燃料具有較好的物理性能，并且與傳統(tǒng)的通過在一定范圍內(nèi)降低原料含水率、提高加熱溫度、增大成型壓力或在原料中加入黏結(jié)劑[28-29]來提高成型燃料質(zhì)量的方法相比，此方法工藝程序更為簡(jiǎn)便，且不會(huì)增大成型燃料的灰分含量以影響其熱值。但是由于木屑本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使1:1混合原料成型燃料的抗?jié)B水性較差，因此，在使用混合原料方法前有必要進(jìn)一步對(duì)混合原料成型燃料進(jìn)行研究。

相對(duì)于以往學(xué)者的試驗(yàn)研究[10，13]，本試驗(yàn)制得的成型燃料在抗?jié)B水性測(cè)試時(shí)吸水量較大，這主要是由于本試驗(yàn)制得的顆粒較小，在保證松弛密度要求的條件下（≤0.6g·cm?3）壓力較小，加之木屑原料本身的結(jié)構(gòu)特征，使此工況下制得的成型燃料抗?jié)B水性較低。成型燃料抗吸濕性是指將成型燃料放置在恒定溫度和水分含量的容器中直至質(zhì)量恒定后所吸收的水量[9]。成型燃料存儲(chǔ)時(shí)一般都會(huì)采取防水措施，因此，抗吸濕性最能指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)中燃料的儲(chǔ)備和運(yùn)輸。但由于條件限制，本試驗(yàn)選擇了檢測(cè)其抗?jié)B水性，抗?jié)B水性檢測(cè)條件比實(shí)際儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)臈l件惡劣，因此，后續(xù)成型燃料試驗(yàn)研究應(yīng)盡量選取抗吸濕性為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

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Lab-scale Experimental Study on the Compressing Molding Parameters under Hot Condition for Rice Straw Pellets

LI An-xin1, ZHANG Chuan-jia1, TU De-yu1,2, HE Gui-sheng1
（1.School of Mechanical Engineering， Anhui University of Technology， Maanshan 243032 ，China；2.Key Laboratory of Energy Conservation ＆ Waste Management of Agricultural Structures， Ministry of Agriculture， Beijing 100081）

Abstract：Rice straw cold press process had been done early and the result showed that the energy consumption of pellets was high and the quality of pellets was bad. In order to increase the quality of pellets， the rice straw hot-press forming experiment was carried out under different technological parameters （compressive forces， particle size，temperature， moisture content） by utilizing special briquetting equipment. By checking pellets’ physical properties （loose density， shatter resistance， compressive forces and water resistance）， the confirmed best process parameters were as follows: particle size 0-2mm， temperature 70-100℃， compressive forces 8.89-40MPa， moisture content 12%-25%. In order to increase the quality of rice straw pellets， some wood chips were added to the rice straw materials forming the mixed raw material.By analyzing the results of contrast tests， we found that under low compressive forces， the physical property of 1:1 blended material pellets were better than that of pure rice straw and wood chips pellets， and the results also indicated that adding wood chips into the rice straw material could improve the quality of single rice straw pellets.

Key words：Rice straw；Wood chips；Hot molding；Physical properties

作者簡(jiǎn)介：李安心（1990-），女，碩士生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)能源。E-mail:15755511791@163.com

基金項(xiàng)目：安徽省教育廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目（KJ2013A060）；農(nóng)業(yè)部設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)能與廢棄物處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（2013KT02）

* 收稿日期：2015-08-18**通訊作者。E-mail:tudeyu@ahut.edu.cn

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.004