崔旭陽¹、楊俊紅¹、鄧?yán)?sup>1、雷萬寧²，黃濤²，白超²

（1.中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)試驗室，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津300072；2.陜西啟迪瑞行清潔能源科技有限公司，西安710100）

　　摘要：以陜西地區(qū)蘋果樹修剪枝為原料，采用自制的生物質(zhì)成型燃料多參數(shù)調(diào)控試驗系統(tǒng)，分析單顆粒成型過程中的壓力-位移曲線，考察基質(zhì)含水率（5%?20%）、成型溫度（70~150℃）和壓力（80~120MPa）對顆粒燃料成型能耗的影響。結(jié)果表明：隨著壓具位移的增加，擠壓過程的壓力變化呈3個階段:松散段、過渡段和壓緊段；推出過程的壓力變化總體呈波動下滑的趨勢，且初期壓力波動范圍較大。試驗范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，擠壓能耗降低、推出能耗升高；隨著壓力的增大，二者均升高；基質(zhì)含水率影響趨勢相同，15%均達(dá)到最低值（29.47、4.79J/g）。

　　引言

　　我國“十三五”能源規(guī)劃指出，生物質(zhì)成型燃料是生物質(zhì)能利用的重要途徑之一[1]，而成型燃料在制備過程中的能耗問題是影響生物質(zhì)成型燃料成本和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素。李在峰等[2]研究表明：生物質(zhì)原料在環(huán)模常溫成型過程中成型能耗占綜合能耗的90%以上。很多研究關(guān)注某種能源作物在單位時間內(nèi)生產(chǎn)成型燃料所消耗能量與該段時間內(nèi)生產(chǎn)成型燃料質(zhì)量的比值（比能耗）。O’Dogherty等[3]和Faborode等[4]研究均得出大麥秸桿的比能耗在5~25J/g之間，并建立比能耗與松弛密度的線性關(guān)系式；柴琦等[5]對黧蒴栲和工業(yè)油料餅粕混合燃料進(jìn)行壓縮試驗研究，在不同成型溫度、壓力、含水率條件下得到其成型比能耗為18~40J/g；邢獻(xiàn)軍等[6]對玉米秸稈進(jìn)行熱壓成型試驗，并得到其壓縮能耗為3.0~5.0kWh/t。可見，由于生物質(zhì)原料和壓縮條件的多樣性，不同生物質(zhì)顆粒成型的比能耗有所不同。

　　陜西地區(qū)以蘋果樹為代表的林業(yè)廢棄物年產(chǎn)量約為1×10⁵kg[7]，且以蘋果樹木屑為代表的生物質(zhì)顆粒燃料在整個成型環(huán)節(jié)（擠壓和推出）中的能耗關(guān)鍵參數(shù)研究鮮有報道。本文以陜西地區(qū)蘋果樹木屑為原料進(jìn)行單顆粒成型試驗，主要考察成型溫度、成型壓強(qiáng)、生物質(zhì)含水率對成型過程中擠壓能耗與推動能耗的影響，并進(jìn)行機(jī)理分析，以期為改善陜西地區(qū)蘋果修剪枝條制備顆粒燃料的規(guī)模化生產(chǎn)線提供科學(xué)依據(jù)。

　　1材料、設(shè)備及方法

　　1.1原材料及樣品制備

　　試驗原料：陜西地區(qū)蘋果樹修剪枝，由陜西漢灃新能源有限公司生產(chǎn)提供。

　　主要設(shè)備：101-1型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；FS-100型生物質(zhì)粉碎機(jī)，山東恒樂新科科技設(shè)備有限公司；LBGF-8000型工業(yè)分析儀，鶴壁市藍(lán)博儀器儀表有限公司；Flash EA1112型元素分析儀，美國Thermo ElectronSPA公司。

　　原料經(jīng)粉碎、篩分（20~30目），收集直徑約1mm的木屑。蘋果樹木屑，在熱風(fēng)干燥箱中干燥48h后利用超純水對原料進(jìn)行配水，控制其含水率為5%、10%、15%、20%。工業(yè)分析結(jié)果和元素分析結(jié)果如表1所示。

　　1.2試驗系統(tǒng)及方法

　　本試驗在自行研制的生物質(zhì)成型燃料多參數(shù)調(diào)控試驗系統(tǒng)進(jìn)行（由山東濟(jì)南恒瑞金試驗機(jī)有限公司搭建），試驗系統(tǒng)由壓模、底座、加熱裝置、力傳感器、橫梁、電機(jī)、溫度控制器等組成，如圖1所示，壓制棒和模具孔相互配合，成型壓強(qiáng)和成型溫度分別由力傳感器和熱電偶分別監(jiān)控，這些傳感器直接與電腦相連接。此外，控制壓制棒下行的相關(guān)程序可由電腦端進(jìn)行編制控制（SmartTest軟件，山東恒樂新科科技設(shè)備有限公司）。顆粒制備過程中的壓力-位移曲線可從電腦中讀出。

　　主要的試驗步驟如下：

　　1）模具孔外配有溫度控制裝置。不同的溫度設(shè)定由石棉包裹的硅膠加熱片和熱電偶共同完成，在加熱過程中，熱電偶不斷監(jiān)控其溫度變化是否達(dá)到設(shè)定溫度（70~150℃），若已達(dá)到設(shè)定溫度則關(guān)閉硅膠加熱片，加熱過程保持60min，目的是維持模具內(nèi)壁溫度場穩(wěn)定，不銹鋼墊塊在加熱前被放置在模具底部；

　　2）稱取（1±0.01）g配好水分的樣品，加人成型孔中；

　　3）將壓制棒下端運(yùn)行至成型人口附近；

　　4）采用程序控制壓制棒，加壓棒底端壓力將由壓力傳感器測定得到（程序基本參數(shù)為：棒下移速度8mm/min，當(dāng)棒受力達(dá)到0.01N時下移速度變4rmn/min，當(dāng)棒底端壓力達(dá)到設(shè)定壓力廠（3.05~4.25kN）時，在尸值處停留30s，停止程序）；

　　5）取出不銹鋼墊塊，記錄壓制過程的試驗力-位移相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，記錄能耗數(shù)據(jù)（參考使用Matlab2015軟件中的積分循環(huán)計算處理試驗數(shù)據(jù)計算該過程能量消耗）；

　　6）通過軟件控制加壓棒以2mm/min由0N開始下移，將制成的顆粒推出壓制槽，記錄壓制過程的試驗力-位移圖及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，記錄能耗數(shù)據(jù)（方法同步驟5）；

　　7）將取出顆粒快速冷卻至室溫并稱量，每次試驗后，均用丙酮清洗模具并擦干凈，每一樣品試驗重復(fù)3次。

　　1.3能耗指標(biāo)

　　成型比能耗包括擠壓比能耗、推動比能耗。如圖2所示，前者表示擠壓原材料團(tuán)聚粘結(jié)過程中所需的能耗；后者表示產(chǎn)品成型之后，壓桿在對顆粒施力到將成型顆粒完全退出模具過程中所做的功。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1單顆粒成型燃料的擠壓過程蘋果樹木屑制備顆粒燃料成型擠壓過程的位移與擠壓力的變化關(guān)系曲線如圖3所示。

　　圖3a所示為在成型壓強(qiáng)110MPa、成型溫度1501條件下，不同含水率對顆粒成型的擠壓曲線，并以此為例來分析顆粒燃料在擠壓過程中的形變關(guān)系。在圖3a中，不同關(guān)鍵參數(shù)下，隨著擠壓深度的增大，擠壓力均呈類似的三段式變化，即鄧波等[8]提出的松散段一過渡段一壓緊段，NASYS的模擬結(jié)果也顯示生物質(zhì)顆粒燃料在壓縮過程中呈現(xiàn)這3個階段。松散段發(fā)生在0~40mm處，擠壓力變化與整體擠壓過程相比，其值增加并不明顯，如圖3b所示，這是一段發(fā)生在松散段的位移與擠壓力變化關(guān)系曲線，可以看出，擠壓力值隨著位移的深入，呈鋸齒狀抖動，并輕微爬升。從微觀角度來看，這主要是由于物料在初期的壓縮過程中，顆粒之間的空隙較大，顆粒粘結(jié)鍵和橋還未形成，顆粒受到擠壓力后在模具中的位置變化巨大，所以壓力傳感器在松散段接收到的擠壓力值呈銀齒狀波動。此外，由于含水率的減少，物料顆粒之間的粘結(jié)鍵和橋更難以形成[9]，以在圖3b中含水率5%的變化曲線相比10%、15%和20%的擠壓力值抖動得更加劇烈。從宏觀角度來看，由于位移深度的加深，物料在模孔中的體積變小，物料顆粒之間的粘結(jié)鍵和橋開始增多，物料顆粒逐步粘結(jié)聚團(tuán)，擠壓力隨之輕微爬升，當(dāng)物料聚團(tuán)效果進(jìn)一步明顯時[10]，擠壓過程進(jìn)人過渡段（40~53mm），如圖3c所7K，這是一段發(fā)生在過渡段的位移與擠壓力變化關(guān)系曲線，可以看出，與松散段的擠壓力值相比，過渡段的擠壓力值鋸齒狀抖動有所緩解擠壓，擠壓力值爬升更為明顯，這也說明物料聚團(tuán)效果與鍵、橋的形成數(shù)量在該階段有明顯提升，Chung等[11]研究給出了分子間牢固粘結(jié)的條件，并認(rèn)為牢固連接的必要條件是分子緊密接觸的距離在9A之內(nèi)。之后，物料擠壓成型進(jìn)人壓緊段（53~63mm )，如圖3d所示，這是一段發(fā)生在壓緊段的位移與擠壓力變化關(guān)系曲線，可以看到，在壓緊段擠壓力值隨位移深度的增大變化明顯，幾乎呈指數(shù)增長，顆粒燃料在該階段很快成型，而與松散段、過渡段相比，之前的鋸齒狀波動幾乎消失，在壓緊段 ，物料顆粒的蛋白質(zhì)被進(jìn)一步擠壓出來，顆粒之間的粘結(jié)鍵和橋得到進(jìn)一步加強(qiáng)，顆粒成型效果在該階段得到提升[12]。

　　2.2單顆粒成型燃料的推出過程

　　圖4是蘋果樹木屑制備顆粒燃料推出過程的位移與推出力的變化關(guān)系曲線。

　　圖4a所示為成型壓強(qiáng)110MPa、成型溫度150丈條件下，不同含水率對顆粒成型的推出曲線，以此為例來分析顆粒燃料在推出過程中的形變關(guān)系。不同關(guān)鍵參數(shù)下，隨著推出深度的增大，推出力均呈類似的變化關(guān)系，即推出力快速升至最大值后，隨之波動下滑，直至達(dá)到推出力最低值，且前期壓力變化較大，將顆粒燃料推出模孔。柴琦等[13]在不同預(yù)熱溫度下將生物質(zhì)顆粒推出模孔，也發(fā)現(xiàn)推出力與位移呈現(xiàn)波動曲線，且溫度越低，波動越強(qiáng)烈。由圖4b可看出，隨著含水率的降低，推出力的最大值逐漸變小，這主要是由于初始物料含水率較大時，成型之后的顆粒表面含水量也較大，物料表面和模具內(nèi)表面的潤滑程度變大，摩擦力降低，從而減小了推出力值。

　　2.3溫度對成型能耗的影響

　　如圖5a所示，成型溫度確實會影響擠壓能耗的值。在一定條件下（壓強(qiáng)100MPa，含水率10%），當(dāng)溫度在由70℃升高至150℃時，擠壓能耗的值逐步減小，并且最小值為33J/g，可見，此因素（溫度）對顆粒燃料生產(chǎn)有顯著影響。文獻(xiàn)[13]顯示，木質(zhì)原料中包含的木質(zhì)素是非晶體，溫度升高到一定值（90±20℃）時變會發(fā)生軟化，從而使粘結(jié)力增強(qiáng)，這說明升高溫度會降低木質(zhì)材料的韌性，木質(zhì)素軟化程度提升，這些事實造成顆粒擠壓能耗隨溫度的升高而逐漸減小。然而，在相同條件下，推出能耗與溫度的關(guān)系卻截然相反。當(dāng)溫度由70℃升至150℃時，推出能耗由3.394J/g增至4.257J/g，其原因可能是由于木質(zhì)顆粒的高分子材料屬性（彈性和塑性）。木質(zhì)生物質(zhì)材料在受到壓力后原料顆粒會由于壓縮而產(chǎn)生彈性形變，加之其擁有不完全塑形，材料會對成型孔的壁面作用較大的力而產(chǎn)生較大的壓力。結(jié)合文獻(xiàn)[9]，溫度越高，木質(zhì)材料越容易被壓縮，材料越容易對成型孔的空間進(jìn)行充分填充，且材料的不完全塑形會使顆粒對模具孔的壓力不斷增強(qiáng)。綜上所述，在一定條件下，溫度與推出能耗成正相關(guān)，溫度升高，能耗值增大。

　　2.4壓強(qiáng)對成型能耗的影響

　　如圖5c、圖5d所示，成型過程中的壓力會影響擠壓能耗和推出能耗的值。當(dāng)壓力由80MPa升至120MPa時，擠壓能耗增大約43.9%（由23.27J/g升至33.49J/g），推出能耗增大約25.2%（由3.53J/g升至4.42J/g）。究其原因，壓力使木質(zhì)材料在水平方向（模具的徑向方向）延展，原本細(xì)條狀的木質(zhì)材料開始朝薄片狀轉(zhuǎn)變，且由于木質(zhì)顆粒的高分子材料屬性（彈性和塑性），在升至屈服極限之前，壓力增大則彈性形變增大，也就是說，在成型過程中，擠壓能耗和壓力變化成正相關(guān)。然而，在擠壓成型結(jié)束后，顆粒已成型但此時木質(zhì)材料由于不完全塑性，其對成型孔壁面的壓力卻隨顆粒形變程度的增大而增大。綜上所述，升高壓力會使顆粒成型能耗增加。

　　2.5含水率對成型能耗的影響

　　如圖5e、圖5f所示，材料含水率會影響擠壓能耗和推出能耗的值。在一定條件（溫度為150壓強(qiáng)為110MPa）下，當(dāng)含水率由5%升至20%時，無論是擠壓能耗還是推出能耗的變化趨勢都類似，兩者都在含水率15%時呈最低值（分別為29.47、4.79J/g），可見此因素（含水率）會對顆粒燃料生產(chǎn)能耗有顯著影響，且在含水率較低和含水率較高時，其成型能耗均較高。文獻(xiàn)[5，9]顯示，水分在木質(zhì)生物材料成型過程中，既扮演潤滑劑的角色又起到粘結(jié)劑的作用。結(jié)合圖5e、圖5f，含水率過高或過低均會對成型能耗造成不利影響，究其原因，過低的含水率會降低木質(zhì)材料中木質(zhì)素的軟化溫度，這樣會使相同溫度下的木質(zhì)材料更難成型，所以為了獲得滿足要求的木質(zhì)顆粒，需要更高的成型能耗以滿足產(chǎn)品要求。

　　然而，當(dāng)含水率過高時，多余的自由水在顆粒之間蒸發(fā)，造成材料與壁面之間的摩擦加劇，這是在高含水率條件下造成能耗值增加的主要原因。綜上，當(dāng)含水率處于某一適度值時（在本文為15%），水分在木質(zhì)材料顆粒之間起到很好的潤滑和粘結(jié)功效，且一些天然粘結(jié)劑軟化程度被逐步加深，這些事實促進(jìn)了生物材料的快速粘結(jié)與成型，且水分的存在也降低了顆粒被推出時燃料顆粒與成型孔之間的摩擦。也就是說，適宜的水分含量將極大地降低顆粒燃料制備時的成型能耗。

　　3結(jié)論

　　1）蘋果樹木屑制備顆粒燃料的擠壓過程可分為松散段、過渡段、壓緊段。松散段的成型過程擠壓力值成銀齒狀波動，緩慢提升；壓緊段的擠壓力值無鋸齒狀波動，指數(shù)升高；過渡段是物料顆粒間粘結(jié)鍵、固橋形成的主要階段，其擠壓力特征介于松散段與壓緊段之間。而蘋果樹木屑制備顆粒燃料的推出過程力值呈波動下降趨勢。

　　2）升高預(yù)熱溫度和減小成型壓力均可有效降低蘋果樹木屑制備顆粒燃料的成型擠壓能耗；同時預(yù)熱溫度和成型壓力的提升均會加大顆粒燃料的推出能耗。

　　3）對于蘋果樹木屑制備顆粒燃料，其含水率在15%時，推出能耗和擠壓能耗均為最低，分別為29.47、4.79J/g。

　　本文標(biāo)題：生物質(zhì)顆粒燃料的成型能耗試驗研究　　地址：http://www.naisplc.com/?company/23.html