不同粒径模具的颗粒燃料成型特性研究

朱家宝++周立岱

摘要：指出了随着可再生能源的开发利用越来越受到人们的关注，生物质能作为地球上唯一能够固定碳的清洁性能源而逐渐被世界各国所重视。生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大能源，约占全球总能源消耗的14%。将玉米秸秆粉碎然后压制成粒径不同的颗粒燃料，既解决了大气污染问题，又提高了能源利用率。为此，进行了在不同温度压制成不同的颗粒燃料的实验，测定了其密度、吸水性、硬度、热值等特性，以确定最佳的粒径及温度。研究表明： 粒径为6 mm温度为110℃时条件最佳，此时的颗粒燃料硬度最大，易保存、易运输、不易破碎，同时硬度也最大，而且消耗的能量也最小。

关键词：生物质能；温度；粒径；密度

中图分类号：TQ35

文献标识码：A文章编号：16749944（2017）16002903

1引言

世界重要资源短缺引发全球对快速发展中国家的普遍关注，找到资源需求的合理方法是中国经济和谐增长的唯一选择，是中国与世界各国和谐互动的先决条件。人们越来越依赖石油、天然气、煤炭等不可再生能源，不可再生能源价格飙升。据统计，地球上蕴藏可开发利用煤和石油等将分别在200年、40年内耗竭，天然气也只能用40年左右[1]。

生物质是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动植物并能再生的物质，因此，它是地球上一个巨大的能源库[2]。据估算[3]，地球上的绿色植物储存的总能量大约相当于8×1012t标煤，比目前地壳内已知可供开采的煤炭总储量还多11倍。地球上绿色植物一年固定的太阳能大约为3×1021 J，相当于人类目前年消耗能量的6～10倍[4]。并且生物质能对环境更友好，其储量大，燃烧容易、污染少，有害成分低，更具特色的是生物质能燃料燃烧所释放出的CO2大體上相当于其生长时通过光合作用所吸收的CO2，所以燃用生物质能时CO2的排放量可以认为是零，特别是在广大农村和经济不发达地区，生物质能的应用仍占有很大的比例[5]。

2材料与方法

2.1实验仪器

鼓风干燥箱、电子天平、万能试验机、恒温恒湿培养箱、温度控制仪、游标卡尺、粉碎机、全自动量热仪。

2.2实验材料

实验原料含水率为7%左右的秸秆。

2.3实验方法

2.3.1颗粒压制

在125 MPa压强下分别在70℃和110℃压制粒径为6 mm、8 mm、10 mm的颗粒燃料。

2.3.2能量损耗

通过压力传感器，得到压制棒压力和位移的关系曲线图，通过曲线图的积分可计算出成型颗粒的能耗。其公式如下：

W=∑ni=1Fi×Si （1）

式（1）中：W为挤压能耗或推动能耗，J/g；

F为压力，N；

S为位移，m。

2.3.3颗粒密度的测定

用游标卡尺测出颗粒的长L，粒径D，计算颗粒的密度，密度公式如下：

v=4mπD2L（2）

式（2）中：m为颗粒质量（g）；

V为颗粒体积（mm3）；

L为颗粒长度（mm）；

D为颗粒直径（mm）。

2.3.4颗粒硬度的测定

将颗粒放在万能试验机上，以1 mm/min的速度垂直向下移动，并对万能试验机压力和位移进行记录，根据peng等人得出的公式[6]：

HM=FπDh-h2D2p4-[D2p2+D·Dp2-D·h-Dp·h+h2D+Dp-2h]2 （3）

式（3）中：F为力（kN）；

D为颗粒直径（mm）；

Dp为破碎杆直径（mm）；

h为破碎深度（mm）。

2.3.5颗粒吸水性的测定

先将颗粒放在烘干箱中105℃、24 h后称其质量，在将其颗粒放入恒温恒湿保温箱中（温度30℃，湿度75℃）48 h后进行称重，吸水后和吸水前的差值即为吸收的水分，吸水性公式如下：

w=m1-m0m0×100%（2）

式（2）中：m1为吸水后质量（g）；

M0为烘干后质量（g）。

2.3.6颗粒热值的测定

在试验过程中，首先使用苯甲酸对仪器进行热容量标定，得出仪器的热容量然后测定试样的发热量。再将样品放进坩埚中进行测量。

3 结果与讨论

能量损耗见表1，其积分图见图1。

由图1可知，温度越高，所消耗的能量越少。

朱家宝，等：不同粒径模具的颗粒燃料成型特性研究

环境与安全

不同温度下颗粒燃料的密度见图2。由图2可知，温度越高密度越大，粒径越小，密度越大。

颗粒硬度见图3。

由图3可知，温度越高硬度越大，粒径越小，硬度越大。

颗粒吸水性及热值见表2。由表2可知粒径对吸水影响不大，吸水性和温度成反比，热值几乎没有变化。

4结论

（1）粒径为6 mm温度为70℃时能量密度为35.57 J/g，而在110℃时能量密度为31.42 J/g，粒径为8 mm

温度为70℃时能量密度为37.09 J/g，而在110℃时能量密度为33.74 J/g粒径为10 mm温度为70℃时能量密度为37.67 J/g，而在110℃时能量密度为33.97 J/g，因此温度越高能量密度越低，在其他条件相同时温度越高能量所需要的越少。

（2）温度越高，颗粒密度越大，粒径越小，颗粒密度越大。所有的颗粒密度都在0.95～1.20 g/cm3之间，所以温度和模具的粒径对颗粒的密度影响不大。endprint

（3）温度越高吸水性越差，粒径对吸水性无明显影响.

（4）温度越高颗粒燃料的硬度越大，模具的粒径越小，颗粒硬度越大。模具的粒径越大时，颗粒的粒子间作用力更小，颗粒的硬度越低。

（5）温度和模具的粒径对热值无明显影响，因为最高温度为110℃，不会改变颗粒的内部结构，只是改变颗粒的外观形式，所以对热值没有明显影响。

（6）综合以上特性，粒径为6 mm、温度为110℃时条件最佳，此时的颗粒燃料硬度最大，易保存、易运输，同时硬度也最大，而且消耗的能量也最小。

2017年8月绿色科技第16期

参考文献：

[1]

康铁良.秸秆壓块燃料替代煤炭用于北方农户采暖的探讨[EB/OL].[2017-04-01].www.ehome.gov.cn

[2]王革华. 我国生物质能利用技术展望[J]. 农业工程学报，1999（4）：19～22.

[3]沈兆邦.我国森林资源化学利用的发展前景[J].林产化学与工业，1994（4）：75～80.

[4]回彩娟，俞国胜. 影响生物质块状燃料常温高压致密成型因素的研究[J]. 林业机械与木工设备，2005（11）：10～14.

[5]荣桂安. 生物质能源的转化及应用[J]. 氮肥设计，1996（2）：39～42，66.

[6]Peng J， Wang J， Bi X T， et al. Effects of thermal treatment on energy density and hardness of torrefied wood pellets[J]. Fuel Processing Technology， 2015，129（13）：168～173.

[7]朱开伟，刘贞，吕指臣.中国主要农作物生物质能生态潜力及时空分析[J].中国农业科学，2015（21）.

[8]杨鹏宇.北京市农村生物质能利用现状与发展预测研究[D]. 北京：北京工业大学，2015.

[9]魏伟，张绪坤，祝树森.生物质能开发利用的概况及展望[J]. 农机化研究，2013（3）.

[10]杨艳华，汤庆飞，张立.生物质能作为新能源的应用现状分析[J].重庆科技学院学报（自然科学版） ， 2015（1）.endprint