煙稈粒度和喂入量對其壓縮成型影響的試驗(yàn)研究

孟輝 張富貴

摘 要：煙稈作為農(nóng)業(yè)秸稈資源的一種，較其它秸稈，它木質(zhì)化程度較高，是一種半木本化的非木材植物纖維原料。為便于對煙稈等秸稈資源的綜合利用，工程上通常采用先粉碎后壓縮的方式進(jìn)行預(yù)處理。本文，以煙稈粒度大小和喂入量為試驗(yàn)因素，分析研究了煙稈顆粒壓縮成型的影響規(guī)律，可為煙稈顆粒的最佳壓縮成型提供借鑒依據(jù)。由試驗(yàn)結(jié)果可知，基于不同粒度大小試驗(yàn)下，中粒值（10～20 mm）的煙稈顆粒壓縮后，松弛密度居中，松弛比最小;基于不同喂入量試驗(yàn)下，喂入量為2 kg時(shí)，煙稈顆粒的最終壓縮密度最小，但煙稈顆粒的松弛密度居中，松弛比也是最小。

關(guān)鍵詞：

煙稈顆粒;壓縮成型;粒度大小;喂入量;松弛密度

中圖分類號：S226.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

我國擁有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全國秸稈每年產(chǎn)量9億多噸，綜合利用率82%以上，秸稈利用方式多種多樣，基本形成了肥料化利用為主，飼料化、燃料化穩(wěn)步推進(jìn)，基料化、原料化為輔的綜合利用格局[1]。在自然狀態(tài)下，農(nóng)作物秸稈較為松散且容積密度小，在存儲和運(yùn)輸過程中需占用較大空間，造成秸稈儲運(yùn)成本增加。工程上通常采用壓縮的方式來解決，通過查閱秸稈壓縮的相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用壓縮設(shè)備對秸稈壓縮處理時(shí)，壓縮塊的產(chǎn)品特性是受粒度大小、喂入量、壓力、含水率、振動以及壓縮速度等多種因素的影響[2-7]，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外許多學(xué)者雖然已對牧草、小麥、玉米、棉稈等秸稈類物料壓縮過程做了大量的研究且取得了一定的成果，但基于煙稈顆粒的物料壓縮過程的試驗(yàn)研究尚未出現(xiàn)[2，3，5，8，9]。因此，煙稈顆粒在壓縮成型時(shí)勢必也存在著對不同影響因素參數(shù)權(quán)重的量化需求。

煙稈作為秸稈資源的一種，較其它秸稈資源，它的木質(zhì)化程度較高，是一種半木本化的非木材植物纖維原料，其化學(xué)成分、纖維形態(tài)和生物結(jié)構(gòu)介于闊葉材和禾本科原料之間[10，11]。其次，隨著對煙稈綜合利用研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)煙稈在制取有機(jī)肥、制取活性炭、制取纖維板、制備生物燃料（如乙醇）、提取化合物、造紙、制造可降解育苗盤等方面展現(xiàn)出較大的應(yīng)用前景，這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)煙稈生物質(zhì)的高效綜合利用與高值化轉(zhuǎn)化，同時(shí)還可以增加煙農(nóng)的經(jīng)濟(jì)收入和減少環(huán)境污染，優(yōu)化區(qū)域生態(tài)結(jié)構(gòu)[12-14]。然而，儲運(yùn)作為煙稈綜合利用的關(guān)鍵一步，與多種因素有關(guān)，壓縮塊的物理特性是影響儲運(yùn)的主要因素之一。

基于此，本文針對煙稈顆粒在不同粒度大小和喂入量下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)研究，探究分析影響煙稈顆粒壓縮成型及成型塊品質(zhì)的因素，以便為煙稈顆粒壓縮成型設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)煙稈采自貴州省畢節(jié)市威寧縣煙草植煙地，經(jīng)自然風(fēng)干后，含水率在30%以下。然后，經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后，用不同規(guī)格的篩網(wǎng)將煙稈顆粒篩分成3種等級，其粒度大小分別為0～10 mm（細(xì)粒）、10～20 mm（中粒）和20～30 mm（粗粒），并分別密封于塑料袋內(nèi)置于陰涼處以備試驗(yàn)使用。

1.2 試驗(yàn)因素及水平的選擇

根據(jù)粉碎煙稈顆粒的特點(diǎn)，影響其壓縮成型的主要因素有：粒度大小、喂入量、含水率、壓力以及壓縮速度等。在本試驗(yàn)中，根據(jù)對相關(guān)文獻(xiàn)中影響壓縮成型因素的統(tǒng)計(jì)分析以及試驗(yàn)設(shè)備的局限性，優(yōu)選粒度大小和喂入量作為試驗(yàn)因素，具體參數(shù)如表1。

1.3 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用鄭州鑫和機(jī)械制造有限公司生產(chǎn)的DLB-100型硫化機(jī)（如圖1所示），工作臺面積大小為600 mm×600 mm，柱塞直徑300 mm，柱塞行程500 mm，工作壓力100 T;壓力表采用宜興市雙華儀表有限公司生產(chǎn)的電接點(diǎn)壓力表，該壓力表可通過紅色指針調(diào)節(jié)上限壓力大小;計(jì)時(shí)器采用欣靈電氣股份公司生產(chǎn)的HHS11（JS11S）型數(shù)顯時(shí)間繼電器，可用于設(shè)置保壓時(shí)間。

1.4 試驗(yàn)方法與過程

壓縮成型試驗(yàn)在常溫條件下進(jìn)行，壓縮煙稈顆粒試樣未添加粘合劑，含水率保持在30%以下，壓縮速度約為300 mm/min，柱塞提供最大壓縮力100 T，并獲得相應(yīng)條件下最大壓縮密度，同時(shí)保壓1 min。壓縮成型塊出模后，置于通風(fēng)空曠平整處，經(jīng)36 h應(yīng)力松弛，測定壓縮塊的松弛密度和松弛比，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。為了更好地貼合壓縮設(shè)備的實(shí)際壓縮環(huán)境，故每次壓縮煙稈顆粒時(shí)，從自然蓬松狀態(tài)下開始，相同壓縮條件下，試驗(yàn)重復(fù)2次，對試驗(yàn)結(jié)果求平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了更好地表征煙稈顆粒壓縮塊的物理品質(zhì)特性，本試驗(yàn)采用松弛密度和松弛比[16，17]來表示，松弛密度是指壓縮塊壓縮成型后，靜置一段時(shí)間（本試驗(yàn)靜置36 h）后壓縮塊的密度。松弛密度要比模內(nèi)的最終壓縮密度小，通常采用無量綱參數(shù)——松弛比，即模內(nèi)物料的最終壓縮密度與松弛密度的比值描述成型塊的松弛程度。

2.1 不同粒度大小對壓縮成型的影響

通過對目前秸稈類壓縮相關(guān)文獻(xiàn)的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)粒度大小是影響秸稈壓縮成型的重要因素之一，故本次試驗(yàn)在喂入量保持2 kg，最大壓力16 MPa下，以不同粒度大小為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，不同粒度大小對壓縮塊松弛密度和松弛比的效應(yīng)如表2所示。

由表2可知，基于相同最大壓力，從自然蓬松狀態(tài)下開始壓縮試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)粒煙稈顆粒的最終壓縮密度最大，松弛密度最大，松弛比也最大;粗粒煙稈顆粒次之;中粒煙稈顆粒各值均低于細(xì)粒和粗粒煙稈顆粒。由此可知，煙稈顆粒越小越易壓縮成型，但壓縮成型后松弛比明顯較大;隨著粒度的增大，最終壓縮密度開始減小，松弛比也開始減小，但基于本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，并非粒度越大最終壓縮密度和松弛比越小，由本試驗(yàn)可知，基于喂入量2 kg，最大壓力16 MPa條件下，且在滿足壓縮成型的壓縮密度要求下，中粒值（10～20 mm）的松弛密度居中，松弛比最小。

2.2 不同喂入量對壓縮成型的影響

喂入量作為影響壓縮成型的另一個(gè)重要因素，不僅對壓縮成型本身具有一定的影響，如壓縮比、壓縮塊物理特性等，而且對壓縮設(shè)備的功耗、效率及壽命等也有一定的影響。因此，為了找到合理的喂入量（既能保證壓縮比適宜，同時(shí)也能保證設(shè)備效率和壽命最佳），本次試驗(yàn)在粒度為10～20 mm，最大壓力16 MPa下，以不同喂入量為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，不同喂入量對壓縮塊松弛密度和松弛比的效應(yīng)如表3所示。

由表3可知，基于相同最大壓力，從自然蓬松狀態(tài)開始壓縮試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，隨著喂入量的增加，煙稈顆粒的最終壓縮密度和松弛比呈先減小后增大趨勢，而松弛密度呈逐漸增大趨勢。當(dāng)喂入量為3kg時(shí)，煙稈顆粒的最終壓縮密度最大，松弛密度也最大，同時(shí)松弛比也達(dá)到了最大;喂入量為1 kg時(shí)，煙稈顆粒的最終壓縮密度和松弛比次之，但松弛密度最小;喂入量為2 kg時(shí)，煙稈顆粒的最終壓縮密度和松弛比最小，但此時(shí)，煙稈顆粒的松弛密度居中。這說明，在其它條件不變的情況下，盡管可以通過提高喂入量的方式來達(dá)到增大最終壓縮密度，但是與此而來的較大松弛比也成為了壓縮塊性能的一個(gè)弊端。因此，在喂入量的選擇上，應(yīng)該重點(diǎn)從壓縮效率和壓縮塊性能兩個(gè)方面考慮，在滿足壓縮塊儲運(yùn)所需的物理特性的條件下，應(yīng)適度增大喂入量，從而提高壓縮效率，減小功耗，降低成本?；诒驹囼?yàn)研究，排除偶然因素的影響，在粒度為10～20 mm，最大壓力16 MPa條件下，且在滿足壓縮成型的壓縮密度要求下，當(dāng)煙稈顆粒的喂入量為2 kg時(shí)，松弛密度居中，松弛比最小，符合實(shí)際生產(chǎn)的要求。

3 結(jié)論

1） 煙稈顆粒粒度大小對其壓縮成型影響非常顯著。粒度越小越易壓縮成型，成型塊的最終壓縮密度也最大。但同等喂入量下，由于其粒度的減小造成其總數(shù)量的增加，從而使各煙稈顆粒之間的間隙數(shù)增加，這將對壓縮成型后的煙稈壓縮塊松弛有著直接的影響。因此，可以說明，煙稈顆粒的粒度并非越小或越大就越適宜，針對本次試驗(yàn)，煙稈顆粒的適宜粒度為中粒（10～20 mm）。

2） 喂入量對壓縮塊物理特性和壓縮效率、設(shè)備壽命等都有一定的影響。同等壓縮條件下，當(dāng)喂入量增加時(shí)，壓縮比隨之增大，松弛密度也相應(yīng)增加，但松弛比和最終壓縮密度都出現(xiàn)了先減后增的變化趨勢。這說明，提高喂入量固然可以減小煙稈顆粒所占體積，但壓縮塊的物理特性有明顯的降低，故基于本試驗(yàn)研究，在該試驗(yàn)條件下，煙稈顆粒的喂入量為2 kg時(shí)，松弛密度居中，松弛比最小，能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。

3） 鑒于煙稈經(jīng)粉碎設(shè)備粉碎后，煙稈顆粒在實(shí)際壓縮過程中，各粒度大小顆粒并非試驗(yàn)情況下有明確粒度的分類，故煙稈顆粒壓縮成型時(shí)應(yīng)考慮將不同粒度大小的顆粒在一定比例混合的情況下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)研究，從而為粉碎設(shè)備的進(jìn)一步設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：曾 晶）