第5章 生物質(zhì)秸稈致密成型試驗(yàn)研究
5.1成型塊質(zhì)量的評(píng)價(jià)
秸稈
顆粒燃料致密成型后品質(zhì)的好或者差主要是看成型塊的密度以及其燃燒熱值。最重要質(zhì)量特性是成型塊的密度，它直接決定了成型塊的熱值、強(qiáng)度和運(yùn)輸要求。
生物質(zhì)成型塊的塊物理特性的重要指標(biāo)一般包括壓塊的松弛密度和耐久性。對(duì)于常溫壓縮致密成型來(lái)說(shuō)，成型塊的物理特性受生物質(zhì)原料尺寸大小、擠壓的方式、成型壓力的大小、物料的含水率、模具的幾何形狀、原料物理特性等眾多因素的影響。
松弛密度是生物質(zhì)秸稈壓縮致密成型后在干燥的環(huán)境中放置一段時(shí)間后的最終密度。它對(duì)生物質(zhì)成型塊的耐久性有重大的影響，密度大的生物質(zhì)成型塊，它的耐久性大。生物質(zhì)成型塊的耐久性也反映了生物質(zhì)原料之間的粘結(jié)性能，耐久性好的成型塊強(qiáng)度高、儲(chǔ)存和運(yùn)輸性能也好。
生物質(zhì)壓塊的松弛密度比剛壓出成型的壓塊密度小，我們同常用松弛比描述成型塊的密度。即初始的成型密度與最終成型的密度的比值。可以表示為：
A=p
0/p
式中，Po-初始成型密度（剛從壓塊機(jī)擠出成型的密度）；
p-最終成型密度（成型塊在干燥環(huán)境中放置一段時(shí)間的密度）。
目前國(guó)內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)的質(zhì)量評(píng)價(jià)還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)對(duì)生物質(zhì)致密成型研究主要考察的是成型塊的最終成型密度、強(qiáng)度以及運(yùn)輸性能等，對(duì)其它性能方面的研究很少，比如成型塊的耐久性，燃燒熱值等。
5.2試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)
秸稈致密成型后，需對(duì)成型塊進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)分析，確定成型塊是否滿足運(yùn)輸、貯藏和搬運(yùn)等使用要求。對(duì)秸稈致密成型影響最大的是秸稈的物料特性和成型的工藝變量。物料特性變量主要包括秸稈的尺寸、含水率等；工藝變量主要包括成型機(jī)的機(jī)型、溫度、所施加的壓力等。對(duì)于一臺(tái)設(shè)計(jì)好的成型機(jī)，原料的含水率、施加壓力及溫度是影響生物質(zhì)致密成型的主要影響因素。本文采用自制的模具進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要考慮秸稈的尺寸、含水率以及成型壓力對(duì)秸稈致密成型的影響。
分別改變秸稈原料的含水率、原料尺寸、成型壓力等因素，以玉米秸稈為原料進(jìn)行致密成型試驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，找出成型效果較好的各種因素的最佳值。為生物質(zhì)秸稈致密成型過(guò)程提供工藝參數(shù)，增強(qiáng)成型塊的物理品質(zhì)，提高成型塊的致密成型率。
秸稈生物質(zhì)燃料致密成型流程如圖5-1所示。
5.3試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法
5.3.1 試驗(yàn)材料
1)不同尺寸原料的制備
用粉碎的方法制備不同尺寸的秸稈原料。粉碎是用工具將固體物質(zhì)由大塊碎裂成小塊過(guò)程。傳統(tǒng)的粉碎設(shè)備分為破碎機(jī)械和粉磨機(jī)械，它是根據(jù)粉碎成品的尺寸大小分類的。破碎機(jī)械是能將一半以上的物料粉碎到尺寸大于3mm的機(jī)器：粉末機(jī)械是能將一半以上的物料粉碎到尺寸小于3mm的機(jī)器。
破碎機(jī)械根據(jù)用途和結(jié)構(gòu)可分：鄂式破碎機(jī)、圓錐式破碎機(jī)、錘片式破碎機(jī)等。
生物質(zhì)秸稈類粉碎多用錘片式粉碎機(jī)。將粉碎過(guò)的玉米秸稈分級(jí)，得到小于
10mm，10~20mm，20—30mm三種不同尺寸的試驗(yàn)原料。
2)不同含水率的原料制備
原料含水率是秸稈致密成型中的一個(gè)重要影響因素。原料的含水率過(guò)高或過(guò)低都不能使產(chǎn)品很好的成型。原料含水率太低時(shí)，物料比較干燥，物料與成型模具之間以及物料與物料之間的摩擦力增大，雖然溫度升高，木質(zhì)素軟化，但是水分太少不能促進(jìn)木質(zhì)素塑化和物料之間的粘結(jié)，致密成型很困難，而且能耗較大。含水率過(guò)高，成型率低，且容易產(chǎn)生放炮現(xiàn)象，造成事故。國(guó)內(nèi)外目前都是根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取物料的含水率，沒(méi)有具體的含水率規(guī)范。
①含水率的計(jì)算
含水率有兩種表示方法，絕對(duì)含水率和相對(duì)含水率。
借鑒木材含水率的計(jì)算公式，計(jì)算玉米秸稈原料中所含水分質(zhì)量比，絕對(duì)含水率用木材所含水分的質(zhì)量除以絕干木材質(zhì)量的比值。
玉米秸稈的絕對(duì)含水率是指玉米秸稈所含水分的質(zhì)量占絕干秸稈質(zhì)量的百分率，表達(dá)式為：
W=（G-G
0）/G
0*100%
式中：G
0-絕干質(zhì)量，g
G-濕物料質(zhì)量，g
w—絕對(duì)含水率，%
玉米秸稈的相對(duì)含水率的測(cè)定方法是，它所含水分的質(zhì)量占總的濕秸稈質(zhì)量的百分率，表達(dá)式為：
W - (G -Go)/G x100%
本文選用絕對(duì)含水率計(jì)算。
②含水率的測(cè)定
生物質(zhì)秸稈含水率常用電測(cè)法和干燥法測(cè)定。
電測(cè)法是用含水率測(cè)量?jī)x器進(jìn)行直接讀數(shù)。
干燥方法是采用測(cè)量方法準(zhǔn)確度較高的爐干法。在不同尺寸秸稈原料中分別取出一定質(zhì)量作為樣本，并稱其重量記錄下來(lái)G(儀器為FA2004N型電子天平，精度為0.001g)，將樣本物料放入搪瓷盤(pán)里，然后再放入101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行烘干，將干燥溫度定為105±2℃，分時(shí)間段進(jìn)行干燥，第一次烘干時(shí)間為3小時(shí)，主要是看看烘干效果，取出后稱量樣品的重量，記錄下數(shù)據(jù)，計(jì)算所蒸發(fā)掉的水分，然后放回烘干箱繼續(xù)進(jìn)行干燥，直至被稱量樣品的重量前后兩次相差不到0.002g時(shí)，看作質(zhì)量達(dá)到恒重，干燥結(jié)束，記錄晟終重量Gq。用公式(5-2)計(jì)算得出含水率值。
本文選用干燥法測(cè)定含水率。將不同尺寸的秸稈試驗(yàn)原料分成三份，然后從中取出一定量進(jìn)行干燥，根據(jù)失去水分的多少計(jì)算出原料的含水率。本試驗(yàn)采用玉米秸稈作為原料，在河北科技大學(xué)工程訓(xùn)練中心力學(xué)試驗(yàn)室萬(wàn)能拉伸壓縮試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)原料取自石家莊周邊農(nóng)田本年度收割成熟玉米秸稈，去除根部，自然風(fēng)干至含水率10～20%。采用微型粉碎機(jī)對(duì)原料進(jìn)行粉碎，清除物料里的雜質(zhì)，然后將物料在101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱105℃條件下干燥，然后分別封存。待物料溫度降至室溫時(shí)，分別進(jìn)行配水試驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算每次加水量t，使原料含水率分別控制在5%、6.8%、10%、13%、15%、18%、20%、25%和30%，然后按照物料尺寸及含水率分別封存于寫(xiě)有標(biāo)記的白色塑料袋里。
5-3.2 試驗(yàn)裝置
試驗(yàn)中包括的試驗(yàn)儀器和設(shè)備包括：
液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)如圖5-2所示；101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱如圖5-3所示；游標(biāo)卡尺；天平；噴水器；自制成型模具如圖5-4所示等。
烘干機(jī)為101-2型電熱鼓風(fēng)干燥箱，如圖5-3所示，其工作溫度范圍為50～300℃。烘干器皿為350x230x50mm的搪瓷盤(pán)，物料均勻鋪開(kāi)，以達(dá)到最優(yōu)的烘干效果。由于秸稈顆粒較細(xì)小，應(yīng)把鼓風(fēng)調(diào)為最低，以免顆粒被吹出，造成質(zhì)量流失。
5.3.3試驗(yàn)程序
本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)的模具為外徑45mm，內(nèi)徑30mm的圓筒形模具。試驗(yàn)前，用天平稱出物料的質(zhì)量，之后向模具內(nèi)填充物料，同時(shí)壓實(shí)物料直至物料充滿模具，并使物料起始厚度一定^。根據(jù)試驗(yàn)情況設(shè)定不同的壓力P，然后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，記錄每次壓桿位移s和壓力P。根據(jù)每組試驗(yàn)所測(cè)得的物料質(zhì)量m、壓桿位移s和壓力P，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
試驗(yàn)程序具體如下：
1)在同一物料、不同四種壓力的條件下，不同含水率下的致密成型；
2)在同一含水率、相同尺寸物料條件下，不同壓力下的致密成型；
3)在同一含水率、同一種物料條件下，不同尺寸的致密成型。
5.4試驗(yàn)結(jié)果及分析
5.4.1不同含水率條件下的致密成型試驗(yàn)
通過(guò)試驗(yàn)可得到玉米秸稈在不同含水率時(shí)的各種參數(shù)如表5-1所示。
表5-1玉米秸稈在不同含水率時(shí)致密成型試驗(yàn)結(jié)果
由表5-1可得到不同壓力時(shí)秸稈物料的含水率一密度關(guān)系圖，如圖5-4所示。
以上四圖是不同壓力下，不同含水率和密度曲線圖。經(jīng)對(duì)比從中可以看出，不同四種壓力下，成型塊密度值達(dá)到最大時(shí)秸稈物料的含水率均在13～18%之間成型效果較好。成型塊密度在含水率小于15%左右時(shí)隨著含水率的增加變大；在含水率大于15%左右時(shí)，成型塊密度隨含水率增大迅速變小，之后隨著含水率的增加，密度減小趨勢(shì)緩和，當(dāng)物料含水率大于25%時(shí)成型塊表面有裂紋，成型塊內(nèi)部密度不均勻，成型效果不理想，含水率大于30%時(shí)，很難成型。
5.4.2不同壓力條件下的致密成型試驗(yàn)
通過(guò)試驗(yàn)可得到玉米秸稈在不同壓力下的各種參數(shù)如表5-2所示。
表5-2在不同壓力下玉米秸稈致密試驗(yàn)結(jié)果玉米秸稈成型塊密度與成型壓力之間的關(guān)系如圖5-5所示。
本文試驗(yàn)原料尺寸主要分布在5—20mm之間。玉米秸稈含水率為130/0，接近上個(gè)試驗(yàn)所得結(jié)果15%左右，分別施加5~70MPa不等壓力進(jìn)試驗(yàn)，每次施加壓力相差SMPa，其他因素不變。得到在不同壓力下玉米秸稈致密試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果記錄如表5-2所示。
通過(guò)觀察試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在壓力較小時(shí)，物料擠壓不是很實(shí)在，成型塊密度較小，表面粗糙，無(wú)法滿足運(yùn)輸、貯存的要求，容易出現(xiàn)裂痕，強(qiáng)度低；隨著壓力的增大，在壓力大于60MPa時(shí)，成型塊密度變大，表面光滑，可以滿足運(yùn)輸、貯存的要求，強(qiáng)度提高，成型效果比較好。
從圖5-5中還可看出，在玉米稈進(jìn)行致密成型過(guò)程中，密度隨著壓力的增加而變
大，當(dāng)密度達(dá)到1.1g/m3左右時(shí)，壓力繼續(xù)增大時(shí)密度變化不明顯。
5.4.3不同尺寸的秸稈致密成型試驗(yàn)
通過(guò)試驗(yàn)可得到不同玉米秸稈致密成型的各種參數(shù)如表5-3所示。
表5-3不同尺寸玉米秸稈致密成型試驗(yàn)結(jié)果
一般情況在相同壓力下，原料尺寸小容易壓縮成型，尺寸大的較難壓縮成型。由致密成型原理可知，成型主要是秸稈粒子間相互擠壓填充物料間的空隙進(jìn)而密度變大，秸稈原料尺寸越小，粒子間填充性越高，粒子之間分子吸引力、粘結(jié)力大，在相同的壓力下很容易粘結(jié)在一塊，成型密度高，成型物表面光滑，強(qiáng)度高，成型效果很好。秸稈物料尺寸越大，粒子間填充性變低，粒子接觸比較松散，彼此間嵌入不好，分子間的吸引力變小導(dǎo)致成型效果不好。
秸稈的尺寸對(duì)成型燃料的致密成型效果有很大影響，本文對(duì)三種不同尺寸的玉米秸稈進(jìn)行了試驗(yàn)研究，雖然具有局限性，但也能一定程度上說(shuō)明問(wèn)題。圖5-6為不同物料尺寸的壓力一密度關(guān)系。
由圖5-6可知，不同的尺寸的玉米秸稈致密成型密度不同，隨著壓力的增大，小于10mm和10～20mm尺寸的秸稈的致密程度增加，成型效果比較好，密度達(dá)到了1.1g/cm3左右，而20—30mm尺寸的秸稈成型密度較小，才達(dá)到0.9g/cm3左右，效果不理想。當(dāng)壓力達(dá)到一定值時(shí)，密度增大趨勢(shì)緩和。試驗(yàn)表明10~20mm左右的顆粒大小較適于進(jìn)行致密成型，而且成型效果比較好。
5.5本章小結(jié)
對(duì)玉米秸稈的含水率、尺寸、成型壓力各個(gè)因素單獨(dú)進(jìn)行考慮，用自制的模具進(jìn)行試驗(yàn)。
1)對(duì)玉米稈在不同含水率的條件下致密成型進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明含水率在25%以下的物料幾乎都可以致密成型，含水率大于30%的物料成型率較低，含水率在15%左右(13—18%)為最佳致密成型范圍。
2)對(duì)玉米秸稈同樣含水率和同樣的尺寸條件下進(jìn)行了試驗(yàn)，在壓力較小時(shí)，物料擠壓不是很實(shí)在，成型塊密度較小，表面粗糙，強(qiáng)度低，容易出現(xiàn)裂痕，無(wú)法滿足運(yùn)輸、貯存的要求：成型塊密度變大，表面光滑，強(qiáng)度提高，成型效果比較好。試驗(yàn)結(jié)果表明60MPa左右多數(shù)原料能夠成型，并且成型產(chǎn)品表面光滑，密度較大，品質(zhì)較高。隨著壓力的增大，在壓力大于60MPa時(shí)，密度的增加幅度不明顯。
3)對(duì)玉米秸稈在不同尺寸的條件下進(jìn)行了致密成型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)秸稈尺寸太大或太小成型效果都不理想。試驗(yàn)結(jié)果表明，10—20mm左右的秸稈較適于進(jìn)行致密成型。結(jié)論
可再生能源將是人類社會(huì)未來(lái)能源的基石，是常規(guī)化石能源很好的替代能源，由于生物質(zhì)能是可再生能源的重要組成部分，是方便儲(chǔ)存和可以運(yùn)輸?shù)目稍偕茉矗泻艽蟮陌l(fā)展?jié)摿Γ匝芯亢桶l(fā)展生物質(zhì)致密成型技術(shù)成為全世界最熱門(mén)的課題之一。
本文通過(guò)對(duì)環(huán)模式
秸稈壓塊機(jī)成型機(jī)理的研究，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)秸稈致密成型過(guò)程的主壓縮階段進(jìn)行模擬分析，通過(guò)試驗(yàn)研究得到影響秸稈致密成型的主要參數(shù)。研究過(guò)程總結(jié)如下：
1)對(duì)環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，針對(duì)其特點(diǎn)，提出了影響環(huán)模式成型機(jī)工作效率的主要技術(shù)參數(shù)，如主電機(jī)功率、環(huán)模長(zhǎng)徑比、環(huán)模的開(kāi)孔率以及環(huán)模和壓輪之間的工作間隙等。
2)對(duì)生物質(zhì)彈塑性變性理論進(jìn)行了研究，從生物質(zhì)成型的非線性問(wèn)題出發(fā)，對(duì)秸稈擠壓有限變形采用歐拉法進(jìn)行了研究。選用了適合生物質(zhì)秸稈的Druker-Prager屈服條件；根據(jù)致密成型中靜水壓力及屈服條件的影響，推導(dǎo)出彈塑性本構(gòu)方程，為ANSYS數(shù)值模擬秸稈致密成型過(guò)程奠定了理論基礎(chǔ)。
3)對(duì)秸稈致密成型的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行了分析。在擠壓過(guò)程中，秸稈與模具內(nèi)壁的摩擦力作用以及靜水壓力的改變，造成秸稈成型塊應(yīng)力應(yīng)變分布的不均勻，易出現(xiàn)成型表面裂紋等缺陷。等效應(yīng)變隨相對(duì)密度的增大而增加，擠壓力也增加，在模具錐角處，其等效應(yīng)力應(yīng)變達(dá)到最大值。
4)通過(guò)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行致密成型試驗(yàn)研究，得出原料含水率、尺寸大小、工作壓力對(duì)成型塊質(zhì)量的影響規(guī)律，確定了其最佳應(yīng)用參數(shù)。
綜上分析，通過(guò)對(duì)玉米秸稈成型過(guò)程的研究和有限元分析，突破了以往傳統(tǒng)研究方法，能有效的用于生物質(zhì)致密成型的工藝設(shè)計(jì)和設(shè)備的改進(jìn)優(yōu)化，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)能起到積極的指導(dǎo)作用。
三門(mén)峽富通新能源生產(chǎn)銷售
顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的生物質(zhì)顆粒燃料出售。
