谷子秸秆固体燃料热压缩工艺研究

张静，刘正光，郑德聪，吴锴，张秀全，赵春林

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

谷子是山西特色小杂粮中的一种重要农作物，种植面积位列全国第二[1,2]。作物秸秆作为非粮生物质新资源，其高效利用方式已经引起了社会的广泛关注。将作物秸秆热压成型为高品位固体燃料，是化石能源的理想替代能源之一。热压缩技术将不规则形状尺寸、低容积密度的生物质原料加工成具有高密度的颗粒状、块状固体燃料，改善燃烧特性，降低储运成本[3～5]。

国内外学者已经对高粱秸秆、玉米秸秆、小麦秸秆、芒草、柳枝稷、柠条、油棕榈等农林废弃物的热压缩技术做了相关研究[6～9]，但未见谷子秸秆热压缩成型的相关报道。本文研究含水率、温度、压力和颗粒度对谷子秸秆固体燃料成型效果的影响，得出各因素的合理取值范围、各参数与物理性能指标的多项式函数，并应用Taguchi法确定最佳成型条件及各因素对密度的影响贡献率，为谷秆压缩成型设备设计和粘结机理的研究提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 原料准备

谷子秸秆于2016年11月选自山西省左权县，室内放置3个月后，用睿核TQ-1000Y型粉碎机粉碎，筛分为<0.16 mm、0.16～0.63 mm、0.63～1.25 mm、1.25～2.5 mm和>2.5 mm的不同粒度，在105 ℃的烘箱内干燥72 h以上直至恒重后，将定量水加入原料中并搅拌均匀，得到含水率分别为5%、6%、8%、10%、12%、14%、16%和18%(w.b.)的谷秆原料。

1.2 试验方法

试验压缩设备选用WA-300型万能材料试验机及图1所示的自制活塞筒形压缩模具(高度120 mm，内径40 mm)。加载速率0.05 MPa·s-1，分别在50、70、90、110、130、150 MPa载荷下保压10 s后脱模。料筒外部包裹陶瓷加热环，加热温度分别为50、70、90、110、130 ℃。

1.3 物理性能指标

压缩成型后1周测量压块各项性能指标，每个指标取3个样本的平均值。压块密度(g·cm-3)为质量与体积(包含孔隙)的比值，其直径和高度用千分尺测得，质量用精度为0.01 g的电子天平称量。压块耐久性即耐磨性的测定依据欧盟标准CEN/TS 15210-2[10]采用防尘滚筒装置进行，其深度和内径均为598 mm，1个200 mm×598 mm的挡板垂直于圆柱形侧壁设置。滚筒转速固定在21 r·min-1，保持5 min，总旋转次数105转，用测量前后压块质量比乘以100表示耐久性/%。抗跌碎性又称作抗冲击性，其模拟产品在搬运过程中从卡车被倾倒至地面或箱柜中所受的力[11]，本试验参照ASTM D 440-86[12]测量，即燃料从1.83 m高处自由跌落至水泥地面共2次，燃料剩余质量与原始质量的比值即抗跌碎性/%。

图1 成型试验装置Fig.1 Molding test device

2 结果分析

2.1 单因素影响分析

2.1.1 原料含水率的影响

水分在生物质固体燃料粘结中的主要作用分为3类：润滑作用、组成液体桥和构成氢键力，从而对粘结效果和成型质量产生较大影响[13,14]。

由图2a可以看出，在90 ℃，90 MPa，颗粒度<0.63 mm成型条件下，当含水率在5%～10%时，固体燃料无掉渣、无裂缝、外观清晰，成型质量良好，含水率超过12%后，脱模后的燃料底部松散、易碎，当含水率为20%时，压块整体松散且从中部裂开，无法成型，同时发出爆鸣声，这可能是由于较多水分超出颗粒吸附能力，高温高压下形成的水蒸气遇到温度较低的模壁后凝结为液体水，水蒸气形成的高压气体在冲出模具时产生高速气流并发出爆鸣声。

由图3a可知，含水率在5%～14%之间时，固体燃料的密度均能保持在1.20 g·cm-3以上，并在8%时达到最大值1.28 g·cm-3。之后压块密度随含水率的增加而降低，直至18%时的最低值1.15 g·cm-3。由图3b可知，含水率在6%～12%之间时，压块耐久性和抗跌碎性分别在98.37%～98.97%和99.52%～99.74%之间变化，保持较高水平。含水率超过14%后，压块的密度、耐久性和抗跌碎性均随着含水率的增加而降低。

经多项式拟合，原料含水率(M)与压块密度(De)、耐久性(Du)和抗跌碎性(Di)的关系如下：

图2 不同成型条件下的压块Fig.2 The images of briguettes densified in differene condition

图3 含水率对压块物理性能的影响Fig.3 Effect of moisture contant on physical properties of briquettes

De= 1.099+0.047 26M-0.003 743M2+

0.000 071M3(R2=94.2%)

(1)

Du= 74.64+7.256M-0.670 4M2+

0.01882M3(R2=80.9%)

(2)

Di= 82.222+4.5891M-0.384 1M2+

0.009 3M3(R2=96.2%)

(3)

压缩成型加工时，谷秆原料的含水率控制在6%～10%之间可成型质量良好的固体压块。因北方地区空气湿度不高，原料自然存放一段时间含水率均低于10%，加工时根据不同设备情况适当添加水分即可成型。

2.1.2 温度的影响

植物体内含有纤维素、半纤维素、木质素、糖类和淀粉等天然有机粘结剂，适当的温度、可增强其活性并促进粘结，成型品质优良的固体燃料[3]。

由图2b可看出，在90 MPa，含水率10%、颗粒度<0.63 mm成型条件下，在50～130 ℃范围内压块均可成型，但50 ℃时，压块周围有碎屑散落，质量较差。温度为70～90 ℃时，成型质量良好，易脱模。110 ℃时，压块底部稍有焦化、碳化现象，130 ℃时，碳化现象严重，且有烟从料筒上方溢出，并伴随轻微爆鸣声，脱模困难，降低了压块的合格率。这可能是由于生物质材料在高温下形成的一部分微小碳颗粒黏附于料筒内壁，并伴有粘稠焦油类物质形成，腐蚀模具内壁，降低了内壁光滑度，造成模具冲头卡死，脱模困难。由图4a可知，温度在50～90 ℃范围内时，压块密度与温度成正比，90 ℃时达到最大值1.26 g·cm-3，之后随温度升高而降低，130 ℃时密度降到1.21 g·cm-3。图4b中，压块耐久性在50～130 ℃范围内总体趋势为先增加后减小，其中在70 ℃时达到最大值99.68%，90 ℃时耐久性为98.92%，略低于周围值。压块抗跌碎性的变化与其耐久性相似，在70 ℃时达到最大值99.42%。

图4 温度对压块物理性能的影响Fig.4 Effect of temperature on physical properties of briquettes

经多项式拟合，温度(t)与压块密度(De)、耐久性(Du)和抗跌碎性(Di)的关系如下所示：

De= 0.475 7+0.020 03t-0.000 164t2

(R2=98.8%)

(4)

Du= 73.77+0.829 4t-0.008 648t2+

0.000 028t3(R2=87.1%)

(5)

Di= 80.75+0.604 0t-0.006 286t2+

0.000 021t3(R2=97.9%)

(6)

谷秆压缩成型设备温度在70～100 ℃之间即可成型质量良好的压块，温度太低压块掉渣且物理性能均较低，影响后期储存运输，温度太高则增加生产能耗并损坏模具。

2.1.3 压力的影响

压力是生物质原料压缩成型的必要条件。一定压力下机械啮合力存在于生物质颗粒间并形成力链，强力链所占的比例越高，产品强度越大[15]。由图2c可知，在90 ℃、含水率10%、颗粒度<0.63 mm成型条件下，在70～130 MPa压力范围内，秸秆压块均能成型，且品质良好。50 MPa条件下，压块出模后有碎屑散落，表明其内部粘结效果不佳。压力达到130 MPa时，部分压块出现裂缝，有的甚至裂为两部分，无法成型，因此130 MPa的高压可能导致压块内部网状骨架结构破坏。由图5a、b可知，在50～150 MPa压力范围内，压块密度总体呈上升趋势，90 MPa后上升趋势减缓，在130 MPa时密度达到最大值1.30 g·cm-3。而50 MPa和70 MPa时，压块耐久性变化不大，分别为97.82%和97.67%，但抗跌碎性变化较大，分别为97.8%和99.42%，之后抗跌碎性持续降低，而耐久性在110 MPa达到最大值98.73%。这可能是由于过大压力卸载后，颗粒回弹作用使脱模后的压块出现明显裂缝，从而造成耐久性、抗跌碎性等指标下降[16]。

经多项式拟合，压力(p)与压块密度(De)、耐久性(Du)和抗跌碎性(Di)的关系如下：

De= 0.855 6+0.009 62P-0.000 083P2

(R2=77.1%)

(7)

Du= 100.7-0.118 6P+0.001 464P2-

0.000 005P3(R2=89.8%)

(8)

Di= 85.84+0.408 4P-0.003 959P2+

0.000 012P3(R2=89.2%)

(9)

成型压力控制在 70～110 MPa之间即可成型质量良好的压块，压力过低颗粒间粘结不可靠，各项性能指标均较低，过高则增加能耗并破坏粘结颗粒间力链和网状结构。

2.1.4 颗粒度的影响

原料颗粒度对生物质固体燃料质量的影响主要体现在颗粒间隙的填充，颗粒比表面积及相互间机械摩擦。较大颗粒塑性变形能力有限，填充能力弱，颗粒间出现空隙并造成接触面积、短程力(范德华力、氢键等)降低，密度减小，不利于成型[17]。

图5 压力对压块物理性能的影响Fig.5 Effect of pressure on physical properties of briquettes

由图2d可知，在90 ℃、90 MPa，含水率10%成型条件下，所有颗粒度原料成型效果均较好，颗粒度<0.16 mm的谷秆压块表面光洁，随着颗粒度增加，压块表面逐渐粗糙，>2.5 mm时表面松弛，有轻微碎屑散落。这可能是由于颗粒度较大的长纤维相互叠加，其间隙中没有细小颗粒填充，粘结力较弱造成的。由图6a、b可知，压块密度随颗粒度的增大而减小，<0.16 mm的谷秆压块密度达到最大值1.19 g·cm-3，>2.5 mm的谷秆压块密度最小，仅为1.05 g·cm-3。压块耐久性与抗跌碎性均随颗粒度的增大而先降后增，0.63～1.25 mm原料的耐久性(91.01%)和抗跌碎性(95.42%)值均降至最低，之后随颗粒度增大而增大。

由于颗粒度是一定范围内的不确定参数，故无法拟合颗粒度与压块各物理性能间的关系函数。谷秆原料粉碎至<0.63 mm时，压块各项物理性能均较高。

2.2 基于Taguchi法的参数影响贡献率分析

2.2.1 试验方法

各因素对生物质固体燃料成型品质影响程度不同，主要影响因素的微小改变在很大程度上决定成型品质的优劣。因密度是生物质固体燃料物理性能中最重要的一个指标，本试验采用Taguchi法仅研究温度、压力、含水率和颗粒度对谷秆压块密度的影响程度。Taguchi法基于正交表试验和信噪比技术，大幅度缩减试验量。信噪比(S/N比)即信号杂音比，为Taguch法评价品质特性的标准。性能期望值越小越好称为望小特性(LB)、期望值越大越好称为望大特性(HB)，期望值固定不变称为望目特性(NB)，而谷秆燃料的密度值越大越好，因此，其信噪比(S/N)满足望大特性[18]，如式(10)所示：

(10)

其中，S/N—信噪比；n—试验重复次数；y—特征值，即谷秆压块密度。

(11)

应用方差分析法可分析试验因子对特征值影响的贡献率ρF[19]，如式(12)所示：

(12)

其中，ρF—贡献率/%，F代表不同因素，分别为A、B、C、D；SSF—各因素的平方和；SST—总平方和；DOFF—各因素自由度；VEr—误差方差，如式(13)所示：

(13)

其中，k—试验组数目，本试验k=9；n—相同试验重复次数，即n=3。

本试验综合上述单因素试验结果，在4个因素合理取值范围内分别选择3个水平，进行正交试验。方差分析过程中，利用SAS软件直接计算SSF、SST、VEr和DOFF的值，对其过程不再赘述。正交试验设计方案、S/N、S/N比效应值及方差分析结果分别列于表1、表2、表3中。

表1 正交试验结果及信噪比值Table 1 Orthogonal test results and the value of Signal-To-Noise Ratio

2.2.2 结果分析

2.2.2.1 最优成型条件分析

由表1、表2可看出，第9组试验信噪比1.89为最大值，A、B、C、D 4因素S/N比效应最大值分别为0.66(A/2)、0.72(B/3)、0.83(C/3)和1.61(D/1)，因此，A/2、B/3、C/3和D/1构成了谷秆固体燃料的成型最优条件。即温度为90 ℃，压力为110 MPa，含水率为8%(w.b.)，颗粒度为0.16～0.63 mm。验证试验结果列于表1中，其信噪比为1.98，压块平均密度1.26 g·cm-3，高于第9组试验的1.24 g·cm-3。

表2 S/N比效应值Table 2 The value of S/N ratio response

2.2.2.2 各因素百分比贡献率分析

应用SAS软件对正交试验结果进行方差分析，得出温度、含水率、压力和颗粒度对谷秆燃料密度的影响。由表3可知，各因素对谷秆压块密度的贡献率等级次序为：颗粒度(61.4%)、含水率(11.2%)、压力(9.1%)和温度(8.1%)，误差贡献率10.3%。因此，闭式成型条件下谷秆压块密度主要决定因素是颗粒度，其P值<0.001，对压块密度有极其显著影响，含水率、压力和温度对谷秆压块密度有显著影响。

表3 基于分析的各因子对压块密度影响的显著及贡献率Table 3 Significance and percentage contribution of factors's on density based on One-Way ANOVA

3 结论

本文研究了含水率、压力、温度和颗粒度对谷秆固体燃料密度、耐久性和抗跌碎性的影响规律。结果表明：谷秆原料含水率在6%～10%之间，温度在70～100 ℃、压力在70～110 MPa、颗粒度<0.63 mm条件下即可成型品质优良的谷秆压块燃料。各因素对谷秆压块密度的贡献率分别为：颗粒度(61.4%)、含水率(11.2%)、压力(9.1%)和温度(8.1%)。在90 ℃，110 MPa，8%(w.b.)含水率，0.16～0.63 mm颗粒度的最佳工艺条件下成型的谷秆压块密度可达1.26 g·cm-3。

参 考 文 献

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(编辑：李晓斌)