柠条固体燃料抗压强度及抗剪强度的研究

吴锴,张静,武翠卿

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

林木作为一种清洁能源，不仅蓄积量和可利用量大，能量密度高，而且品种丰富。随着能源需求压力加大和林木质能源显著优势的逐渐突出，国内外对林木再生能源的利用研究越来越多[1]。

柠条是抗旱性很好的一种灌木，可起到防沙、固沙、保护生态环境的作用，在山西省雁门关畜牧生态区及陕西、内蒙、甘肃等干旱地区大面积种植。多年生柠条木质化营养缺失不易进行饲草转化利用，但可作为固体成型燃料的优质原料。

在生物质固体成型燃料的各种品质特性中，除燃烧特性外，其物理特性是最重要的，它直接决定成型燃料的使用要求、运输要求和贮藏条件[2～4]。燃料需要能够承受在加工、运输、存储和燃烧过程中的破坏载荷，能够抵抗在传送带上传输、包装、倾倒过程中的跌落，还应能够承受在短途传输或长途搬运过程中的摩擦，保证成型燃料进入锅炉时的必要物理性状[5～7]。在过去的几十年里,研究人员已经确定的重要物理性能有产品密度、抗压强度、抗破碎性、抗冲击性、耐磨性、抗剪强度等，本文对成型燃料的抗压强度和抗剪强度进行了研究。

1 试验材料与方法

1.1 原料准备

本试验原料采用八年生以上柠条，于2012年4月取自山西省定襄市，原料于2011年秋天收割后于室外放置半年使其自然干燥，之后在实验室放置2个月。按照欧盟标准CEN/TS 14774-3，将1 g原料放在干燥温度定为105℃的烘箱中干燥，第一次干燥时间为4 h，取出后称量样品的重量，记录下数据，然后进行第二次干燥，直至被称量样品的重量不再变化即达到恒重，记录最终重量，计算得出原料自然含水率为7.94% (w.b.)。

将柠条原料在精工9F50-50双粉碎型粉碎机上进行粉碎之后，分别应用不同筛孔(0.16、0.63、1.25、2.5、5.0 mm)的筛子对原料进行筛选，得到了相应大小的颗粒。具体的粒度分布如下：<0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2.5、2.5～5.0 mm。另外选用经揉丝工艺加工的原料与粉碎原料进行比较。

1.2 试验设计

采用四因素五水平进行回归试验分析，回归试验设计的因素和水平见表1。将自制的单轴、内径为40 mm的不锈钢活塞圆筒压缩装置在WAW-300型万能材料试验机(最大载荷30吨)上加载，圆筒外部包一层陶瓷加热圈，加热到设定温度后，将按预定条件处理好的柠条原料加满，活塞在试验机的带动下，以0.05 MPa·s-1的速度对原料进行挤压，直至设定压力，保压10 s后撤除压力以防止材料回弹，最终成型的柠条固体燃料为直径约40 mm，长度根据不同的初始条件有所不同的压块。压缩过程未添加任何粘结剂。成型后的压块储存于自封袋中在室温下(约25℃)保存。

1.3 压块物理性能检测

压块的抗压强度及抗剪强度均在压缩成型1周后进行测量，5次重复，取平均值。

1.3.1 抗压强度

抗压强度又称作抗破碎性或硬度，此试验模拟了燃料在箱子或仓库内储存时上层试样施加在下层的重力或在螺旋输送带上被挤压破碎时所承受的压应力，是颗粒或压块在开裂或破碎前所能承受的最大载荷[8]。

表1 试验设计的因素及水平

1.3.2 抗剪强度

压块剪切装置如图1，剪切边实际长度为38.2 mm，为双边剪切，计算公式为：

(1)

式中：τ-抗剪强度/MPa；A-压块面积/m2；Fx-压块承受最大破坏力/N；38.2-剪切有效长度/mm。

图1 柠条压块剪切装置Fig.1 Shearing apparatus of briquettes

2 结果与讨论

2.1 试验结果

试验的检测结果见表2。由表2和图2可以看出，颗粒度为2.5～5.0 mm的柠条原料其抗压强度最高，而且均高于相同条件下0.16～0.63 mm原料，而<0.16 mm原料(T23)的抗压强度是最低的，仅为62.12 MPa。

表2 回归试验结果及分析

不同颗粒间以及相同颗粒间(图2a)，抗压强度的变化是不相同的，这充分说明了这两个性能除了受颗粒度和压力的极其显著影响外(p<0.0001)，还受到了各因素相互作用项的影响。

图2 各因素对压块物理性能的影响Fig.2 Effects of factors on physical properties注：a.试样T1～T16的抗压强度; b.试样T17～T25的抗压强度; c.试样T1～T16的抗剪强度; d.试样T17～T25的抗剪强度Note:a.compressive strength of T1～T16; b.compressive strength of T17～T25; c.shear strength of T1～T16; d.shear strength of T17～T25

由图2可知，0.16～0.63 mm原料的抗剪强度在所有原料最高，而且均高于相同条件下2.5～5.0 mm原料，这与抗压强度恰恰相反。除了试样T10之外，<0.16 mm原料(T23)的抗剪强度是最低的。压块燃料抗压强度与抗剪强度的变化趋势是不一致的，这充分说明了这两个性能除了受颗粒度和压力的极其显著影响外(p<0.0001)，还受到了各因素相互作用项的影响。

2.2 多因素试验结果分析

用SAS软件对试验结果进行显著性检验和方差分析，结果见表3、表4。由表3可见，颗粒度(S)、压力(P)对燃料抗压强度有极显著影响。颗粒度与压力(S×P)、颗粒度、含水率与温度(S×M×T)、颗粒度、含水率、压力与温度(S×M×P×T)的互作对燃料抗压强度有显著影响(以上所有项的P<.0001)。结果表明，颗粒度(S)、压力(P)及其在相互作用下对燃料抗压强度有显著影响，含水率(M)与温度(T)对燃料抗压强度有影响(P<0.005)，只有在与其他两个因素相互作用下才会对抗压强度产生显著影响。其他因素的互作对其均无显著影响，例如颗粒度和温度(S×T)，即使颗粒度改变，如果温度不变，燃料抗压强度也不会显著改变。

由表4可见，颗粒度(S)、压力(P)对燃料抗剪强度有极显著影响。压力与温度(P×T)、颗粒度、含水率与压力(S×M×P)、含水率、压力与温度(M×P×T)的互作对燃料抗剪强度有显著影响(以上所有项P<.0001)。颗粒度(S)、压力(P)对燃料抗剪强度有显著影响，含水率(M)与温度(T)对燃料抗剪强度有影响(P<0.005)，只有在与其他两个因素相互用下才会对抗剪强度产生显著影响。其他因素的互作对其互作对燃料抗剪强度有显著影响(以上所有项P<.0001)。结果表明，颗粒度(S)、压力(P)对燃料抗剪强度有显著影响，含水率(M)与温度(T)对燃料抗剪强度有影响(其P<0.005)，只有在与其他两个因素相互用下才会对抗剪强度产生显著影响。其他因素的互作对其均无显著影响，例如颗粒度和温度(S×T)，即使颗粒度改变，如果温度不变，燃料抗剪强度也不会显著改变。

表3 因变量对压块抗压强度影响的方差分析结果

表4 因变量对压块抗剪强度影响的方差分析结果

2.3 回归分析

利用回归分析法，建立了各变量与响应函数之间的多元线性回归数学模型，如式(2)。

y=b0+bsS+b2M+b3P+b4T+b5SM+

b6SP+b7ST+b8MP+b9MT+

b10PT+b11SMP+b12SMT+

b13MPT+b14SPT+b15SMPT+

b16S2+b17M2+b18P2+b19T2

(2)

其中，y-响应函数；S-颗粒度/mm；M-含水率/%；P-成型压力/MPa；T-温度/℃。

将式中各因素的回归系数转化为标准化分数后， 直接比较得出该项对响应函数的影响值。表5仅列出所有对函数影响极其显著项(P<0.0001)。结果表明，颗粒度和含水率是压块抗压强度的主要影响因素，其回归系数分别为2.56和0.44，压块燃料的抗压强度随着颗粒度和含水率的增大而增大，此模型决定系数R2=0.88。抗剪强度主要影响因素依次为颗粒度、含水率，其回归系数分别为3.31和0.78，说明抗剪强度随着颗粒度和含水率的升高而增大，温度和压力及其他相互作用项和二次项对其有显著影响却是次要的，此模型决定系数R2=0.74。对压块抗压强度和抗剪强度影响的主次顺序依次为颗粒度、含水率，温度和压力为边际影响因素。

表5回归模型中各回归系数值

Table5 Summary of the regression coefficient in the regression model

响应函数Response抗压强度Compression strength抗剪强度Shear strength常数-3.49-2.68S2.563.31M0.440.78P0.070.03T0.08-0.09S×P0.02-P×T--0.05S×M×P--0.05S×M×T0.04-M×P×T--0.05S2-0.02-0.28P20.04-0.05M20.03-0.06T20.04-0.05R20.880.74

注：“-”代表其值大于0.0001。

Note:"-"represent terms whose P value are more than 0.0001.

3 结论

通过分析柠条原料的初始条件(颗粒度、含水率)及主要成型参数(压力、温度)对固体燃料压块抗压强度和抗剪强度的影响，得到结论：

(1)较大颗粒度、较高含水率(以此顺序)是增大柠条压块燃料抗压强度和抗剪强度的重要因素。温度和压力与燃料的抗压强度和抗剪强度相关性较小。

(2)颗粒越细小，燃料的塑性及强度会越差，要保证柠条压块燃料在运输储存过程中具有足够的强度而保持完整，柠条原料颗粒度不宜过小，含水率在8%～14%为宜，从节能和低成本角度考虑，成型温度至少为80℃，最高不能超过150℃，压力在60～110 MPa即可。

以此条件加工的柠条压块燃料具有较高抗压强度和抗剪强度，可以抵抗在运输和储存过程中经受的载荷，但柠条原料在成型加工时的初始条件及成型参数还要综合考虑燃料的其他物理性能才能最终确定。

参 考 文 献

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