菌苞、木屑和烟秆颗粒燃料成型特性研究

张得政，张 霞，杨 飞，何东成，刘 芮，蔡宗寿

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)



菌苞、木屑和烟秆颗粒燃料成型特性研究

张得政，张 霞，杨 飞，何东成，刘 芮，蔡宗寿

(云南农业大学 机电工程学院，昆明 650201)

压力和温度是影响生物质颗粒燃料成型品质的重要工艺参数。为此，在湿度12%、粉碎机筛眼直径2mm、压力4.5kN的条件下，研究温度为80℃、90℃、100℃、110℃、120℃对菌苞、木屑和烟秆3种生物质颗粒燃料成型品质的影响；在湿度12%、粉碎机筛眼直径2mm、温度100℃的条件下，研究了压力为1.5、3、4.5、6、7.5kN下对以上3种生物质颗粒燃料成型品质的影响；最后，通过对3种生物质颗粒燃料成型后的密度与径向抗压力进行对比分析，找到3种生物质颗粒材料成型品质达到最佳时所需的温度和压力，为不同生物质颗粒燃料的生产提供参考。

生物质；压力；温度；密度；径向抗压力

0 引言

菌苞、木屑和烟秆都是农业和林业生产中的废料或副产品，有很大一部分都是直接就地燃烧和当作废弃物扔掉，造成资源浪费和环境污染[1-2]。2016年7月到云南省保山市保山烟草公司参观，发现保山市的煤炭资源相对短缺，且绝大多数都是低热值褐煤[3]，而本地烟草公司本地资源化利用采用生物质颗粒来代替煤炭进行烤烟是一个很新的思路。生物质颗粒燃料要比直接燃烧更平稳，且具有灰分低、燃烧后不易结渣、易运输和保存等优点[4-6]。本文选了菌苞、木屑和烟秆3种生物质材料制备颗粒燃料，其平均热值分别为13.405、17.722、18.663MJ/kg，可以到达煤炭的1/2左右，是煤炭很好的替代燃料，且基本无污染，并能提高烤烟的品质。国内外对木屑和秸秆等生物质开展固化成型技术研究结果表明[7-9]：压力和温度是影响生物质致密成型品质的两个重要参数。为此，在实验的基础上研究菌苞、木屑和烟秆在同等湿度和粒径等的条件下，不同压力和温度对其成型品质的影响，并对3种材料成型后的颗粒密度和径向抗压力进行对比分析，找到3种生物质颗粒燃料成型品质达到最佳时所需的温度和压力，为不同生物质颗粒燃料的生产提供参考。

1 实验材料与方案

1.1 材料收集

实验材料与2016年7月在保山市烟草公司取得，刚收集到的材料较为潮湿，放在干燥通风的地方晾3周左右，待3种材料的湿度降低到20%以下后收集到实验室备用。

1.2 材料处理

将3种待处理的材料用筛眼直径为2mm的锤片式粉碎机打碎，然后按照国家农产品含水量测量标准(GB/T 14095-2007)测量材料原始含水量。具体步骤是：把粉碎后的3种原材料分别称重50g(W1)，放于质量为40g的钢盘中，放在烤箱中烘烤，温度设定在105℃，烤8h，直到其质量不再发生变化，记下此时的质量(除去盘重)W2，用公式(1)计算出菌苞、木屑和烟秆的初始含水量，分别是15.4%、14.6%和11.8%。

(1)

式中M—初始含水量(%)；

W1—原料湿质量(g)；

W2—原料干质量(g)。

下一步是把3种材料的湿度根据公式(1)调节到12%，具体做法是：取3种材料分别为100g，放入烤箱中烤8h，到质量不再发生变化，然后用喷壶加入定量的水，搅拌均匀，分别放入密封袋中放置24h，让其混合均匀，以作备用[10]。

1.3 实验仪器

图1为生物质颗粒燃料成型设备示意图。菌苞、木屑和烟秆的成型均在此设备上完成，需要配合电子万能试验机(CMT6104)，实验时通过控制箱来控制温度，电子万能试验机连接电脑，通过PC机控制压缩时的压力。

1.底座 2.控制箱 3.温度传感器 4.加热元件 5.冲模 6.冲头

1.4 实验方案

待备用材料放在密封袋均匀混合24h后，分别取菌苞、木屑和烟秆颗粒100g，接通电子万能实验机和PC机及温度控制箱的电源，调节温度控制箱，使其温度设定在100℃；通过电子天平(精确度0.1g)每次称取1g左右的菌苞材料，之后调节PC机设置电子万能试验机的压力为1.5kN，把菌苞材料倒入压缩腔内，等温度达到100℃时，点击PC机上开始按钮，使冲头向下运动，开始工作；达到1.5kN时保载5s左右，手动使冲头上升到冲模之外，关掉温度控制箱电源，取出压缩的菌苞颗粒。用同样方法依次设置PC机上的压力值压缩出3、4.5、6、7.5kN的菌苞颗粒，每个压力水平的颗粒压缩40粒，放入密封袋中以作备用；把PC机上的压力设置为4.5kN,把控制箱的温度设置为80℃，等温度到达设定值时，把菌苞材料放入压缩腔中，点击PC机的开始按钮进行工作，当压力到达4.5kN时保载5s，手动使冲头上升到冲模外，取出菌苞颗粒，依此方法做出90、100、110、120℃的菌苞颗粒分别40粒，放入密封袋中备用。木屑和烟秆材料用同样的方法，每种温度值和压力值水平各压40粒封于密封袋中。

2 实验结果与对比分析

2.1 实验结果

菌苞在不同加工参数下，从每个水平的40粒颗粒中各随机选出4粒，用来做实验测试。首先，用电子天平称量每个颗粒的质量m，用游标卡尺测量其直径和长度得到颗粒体积v，则密度为

(2)

其中，m为质量(g)；v为体积(mm3)；ρ为密度(g/mm3)。

将随机选取的各样品4粒实验颗粒，分别依次平放在电子万能实验机下压头的中心位置，通过PC机控制上压头向下移动压缩颗粒，直到颗粒破碎时记下此时的压力，即为径向抗压力。木屑和烟秆颗粒用等同菌苞的方法测试各样品的密度和径向抗压力。根据国内外文献记录得知[11-12]，生物质颗粒燃料的密度和径向抗压力越大，其成型品质就越好。测试结果如表1～表6所示。

表1 不同温度下菌苞颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力测试结果

Table 1 The test results of bacteria bract particle density and radially compressing strength under different temperature

温度/℃压力/kN颗粒质量/g颗粒长度/mm颗粒密度/kg·m-3径向抗压力/N80901001101204.51.015.971131.98628.221.016.671150.33702.371.016.371191.25798.781.016.471116.89580.921.015.901096.35563.85

表2 不同压力下菌苞颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力测试结果

Table 2 The test results of bacteria bract particle density and radially compressing strength under different pressure

压力/kN温度/℃颗粒质量/g颗粒长度/mm颗粒密度/kg·m-3径向抗压力/N1.53.04.56.07.51001.020.13859.09240.921.016.991033.87393.461.016.701191.25798.801.015.391248.71885.941.014.031214.79839.64

表3 不同温度下木屑颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力测试结果

Table 3 The test results of sawdust particle density and radially compressing strength under different temperature

温度/℃压力/kN颗粒质量/g颗粒长度/mm颗粒密度/kg·m-3径向抗压力/N80901001101204.51.019.45970.56671.001.019.24982.75710.161.019.801003.23847.121.018.721013.45933.121.018.93973.10886.13

表4 不同压力下木屑颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力测试结果

Table 4 The test results of sawdust particle density and radially compressing strength under different pressure

压力/kN温度/℃颗粒质量/g颗粒长度/mm颗粒密度/kg·m-3径向抗压力/N1.53.04.56.07.51001.025.71739.10424.691.020.24946.54771.591.019.801003.23847.121.017.771108.821004.741.017.801046.76962.58

表5 不同温度下烟颗粒燃料料的颗粒密度和径向抗压力测试结果

Table 5 The test results of tobacco stalk particle density and radially compressing strength under different temperature

温度/℃压力/kN颗粒质量/g颗粒长度/mm颗粒密度/kg·m-3径向抗压力/N80901001101204.51.017.561101.67660.981.016.781115.67685.311.017.311106.52745.761.017.481079.35679.411.017.401050.56631.01

表6 不同压力下烟杆颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力测试结果

Table 6 The test results of tobacco stalk particle density and radially compressing strength under different pressure

压力/kN温度/℃颗粒质量/g颗粒长度/mm颗粒密度/kg·m-3径向抗压力/N1.53.04.56.07.51001.021.22895.56319.771.018.281034.43631.491.017.311106.52745.761.016.361155.31833.351.015.791164.68961.89

以上数据均为在湿度12%、粉碎机筛眼直径为2mm条件下测得的4粒颗粒样品的平均值。

2.2 试验结果的对比与分析

为方便对3种原材料的成型品质进行对比分析，把以上表中数据绘成折线图。

2.2.1 温度的影响

图2、图3分别为温度对3种颗粒的颗粒密度和径向抗压力的影响。

图2 温度对3种颗粒成型后密度的影响

图3 温度对3种颗粒成型后径向抗压力的影响

由图2可以看出：当压力为4.5kN、湿度为12%、粉碎机筛眼直径为2mm时，随着温度的增加，烟秆颗粒的密度在温度90℃时达到最大，为1 115.67kg/m3，所需温度最低；温度100℃时，菌苞颗粒的密度为1 191.25kg/m3，达到最大值；温度到110℃时，木屑颗粒的密度为1 013.45kg/m3，达到最大值，所需温度最高。随温度继续增加，3种颗粒燃料的密度随之减小。当3种颗粒燃料的密度在随温度增加达到最大值时，菌苞颗粒的密度是最大的，烟秆颗粒次之，木屑颗粒的密度最小。由图3可以看出：在压力为4.5kN、湿度为12%、粉碎机筛眼直径为2mm条件下，温度增加到100℃，烟秆颗粒和菌苞颗粒的径向抗压力达到最大值，分别为745.76N和798.78N，所需温度较低；温度增加到110℃时，木屑颗粒的径向抗压力达到最大，为933.12N，所需温度较高；随着温度的增加，3种颗粒燃料的径向抗压力随之减小。当3种颗粒燃料在径向抗压力达到最大值时，木屑颗粒最大，菌苞颗粒次之，烟秆颗粒最小。

2.2.2 压力的影响

图4、图5分别为压力对3种颗粒的颗粒密度和径向抗压力的影响。

图4 压力对3种颗粒成型后密度的影响

图5 压力对3种颗粒成型后径向抗压力的影响

由图4可以看出：在温度为100℃、湿度为12%、粉碎机筛眼直径为2mm条件下，压力增加到6kN时，菌苞颗粒和木屑颗粒达到最大值，分别为1 448.71kg/m3和1 108.82kg/m3；随着压力的增大，两种颗粒燃料的密度随之减小，而烟秆颗粒在压力为7.5kN时为1 164.68kg/m3，还没达最大值，需要继续加压，所需压力条件较高。由图5可看出：在温度为100℃、湿度为12%、粉碎机筛眼直径为2mm条件下，当压力增加到6kN时，菌苞颗粒和木屑颗粒的径向抗压力达到最大，分别为885.94N和1 004.74N；随着压力继续增加，两种颗粒燃料的径向抗压力随之减小，烟秆颗粒在压力为7.5kN时为961.89N，还没达最大值，还需要继续增加压力。

3 结论

1)在其他条件相同的情况下，随着温度的增加，当达到90℃时，烟秆颗粒密度率先达到最大值，为1 115.67kg/m3；当温度到达100℃时，菌苞颗粒的密度和径向抗压力达到最大值，分别为1 191.25kg/m3和798.78N，烟秆颗粒的径向抗压力也达到最大值为745.76N；当温度达到110℃时，木屑颗粒的密度和径向抗压力达到最大值，分别为1 013.45kg/m3和933.12N。

2)在其条件相同的情况下，随着压力的增加，达到6kN时，菌苞和木屑的密度及径向抗压力达到最大值，分别为1 248.71kg/m3、885.94N及1 108.82kg/m3、1 004.74N。烟秆颗粒在7.5kN时的密度和径向抗压力为1 164.68kg/m3和961.89N，还未达到最佳值，要让烟秆颗粒的成型品质达到最佳，压力还需继续增加。

[1] 冯伟，张利群，庞中伟，等. 中国秸秆废弃焚烧与资源化利用的经济与环境分析[J]. 中国农学通报，2010，27(6)：350-354.

[2] Easterly J L, Burnham M. Overview of biomass and wastefuel resources for power production[J]. Biomass and Bioenergy, 1996, 10(2):79-92.

[3] 袁三畏.中国煤质评论[M].北京:煤炭工业出版社,1999.

[4] 刘圣勇. 生物质(秸秆)成型燃料燃烧设备研制及试验研究[D]. 郑州：河南农业大学，2004.

[5] Kashaninejad M, Tabil L G. Effect of microwave-chemical pre-treatment on compression charactristics of biomass grind[J]. Biosystems Engineering, 2011, 108(1):36-45.

[6] Samuelsson R, Larsson S H, Thyrel M, et al. Moisture content and storage time influence the binding mechanissms in biofuel wood pellets[J].Applied Energy, 2012, 99(11): 109-115.

[7] Stahl M, Berghel J, Frodsons S, et al. Effects on pellet properties and Energy Use When Starch Is Added in the Wood-Fuel Pelletizing Praess[J].Energy & Fuels, 2012,26(3): 1937-1945.

[8] Adapa P K, Tabil L G, Schoenau G J. Compression characteristics of selected ground agricultural biomass[J].Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal, 2009, 11(6): 1-19.

[9] Liu Z G, Quek A, Balasubramanisa R, et al. Preparation characterization of fuel pellets from woody, agro-residues and their corresponding hydrochars[J]. Applied Engerey, 2014, 113(1): 1315-1322.

[10] 张霞，蔡宗寿，陈丽红，等. 压力和粒径对水葫芦颗粒燃料成型品质的影响[J].可再生能源，2015，33(10):1541-1546.

[11] Adapa P K, Tabil L G, Schoenau G J. Compression characteristics of selected ground agricultural biomass[J]. Agricultural Engineering International: the CIGR Ejournal, 2009, 11(6): 1-19.

[12] Liu Z G, Quek A, Balasubramanisa R, et al. Preparation characterization of fuel pellets from woody, agro-residues and their corresponding hydrochars[J]. Applied Engerey, 2014, 113(1): 1315-1322.

Study on the Forming Characteristics of the Particles Fuel in the Bacteria Bract, Sawdust and Tobacco Stalk

Zhang Dezheng, Zhang Xia, Yang Fei, He Dongcheng, Liu Rui ， Cai Zongshou

(College of mechanical and electrical engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

Pressure and temperature are important parameters affecting the quality of biomass pellet fuel. In this paper 12% humidity mill mesh diameter 2mm, the pressure under the condition of 4.5kN, study the effects of different temperatures (80℃, 90℃, 100℃, 110℃, 120℃) on the molding quality of bacteria bract,sawdust andtobacco stalk biomass pellets. In 12% humidity, mill sieve diameter 2mm, temperature 100℃ conditions, study the effects of different pressures (1.5, 3, 4.5, 6, 7.5kN) on the molding quality of the above three kinds of biomass pellets. Finally, through the comparison of the density and the radial pressure of the three kinds of biomass pellet fuel, find temperature and pressure of the molding quality of the three kinds of biomass pellets to be the best, which could provide reference for the production of different biomass pellet fuels.

biomass ; pressure; temperature; density; radial anti pressure

2016-08-21

国家自然科学基金项目(51265051)；云南农业大学研究生科技创新项目(2015ykc37)；云南省烟草公司保山市公司、中国烟草总公司云南省公司科技计划项目(2016YN13)

张得政(1989-)，男，山东莒县人，硕士研究生，(E-mail)978038306@qq.com。

蔡宗寿(1970-)，男，云南禄劝人，副教授，(E-mail)847433071@qq.com。

S126

A

1003-188X(2017)10-0241-05