吳鍇,張靜,武翠卿

(山西農(nóng)業(yè)大學 工學院，山西 太谷 030801)

林木作為一種清潔能源，不僅蓄積量和可利用量大，能量密度高，而且品種豐富。隨著能源需求壓力加大和林木質(zhì)能源顯著優(yōu)勢的逐漸突出，國內(nèi)外對林木再生能源的利用研究越來越多[1]。

檸條是抗旱性很好的一種灌木，可起到防沙、固沙、保護生態(tài)環(huán)境的作用，在山西省雁門關(guān)畜牧生態(tài)區(qū)及陜西、內(nèi)蒙、甘肅等干旱地區(qū)大面積種植。多年生檸條木質(zhì)化營養(yǎng)缺失不易進行飼草轉(zhuǎn)化利用，但可作為固體成型燃料的優(yōu)質(zhì)原料。

在生物質(zhì)固體成型燃料的各種品質(zhì)特性中，除燃燒特性外，其物理特性是最重要的，它直接決定成型燃料的使用要求、運輸要求和貯藏條件[2～4]。燃料需要能夠承受在加工、運輸、存儲和燃燒過程中的破壞載荷，能夠抵抗在傳送帶上傳輸、包裝、傾倒過程中的跌落，還應(yīng)能夠承受在短途傳輸或長途搬運過程中的摩擦，保證成型燃料進入鍋爐時的必要物理性狀[5～7]。在過去的幾十年里,研究人員已經(jīng)確定的重要物理性能有產(chǎn)品密度、抗壓強度、抗破碎性、抗沖擊性、耐磨性、抗剪強度等，本文對成型燃料的抗壓強度和抗剪強度進行了研究。

1 試驗材料與方法

1.1 原料準備

本試驗原料采用八年生以上檸條，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，之后在實驗室放置2個月。按照歐盟標準CEN/TS 14774-3，將1 g原料放在干燥溫度定為105℃的烘箱中干燥，第一次干燥時間為4 h，取出后稱量樣品的重量，記錄下數(shù)據(jù)，然后進行第二次干燥，直至被稱量樣品的重量不再變化即達到恒重，記錄最終重量，計算得出原料自然含水率為7.94% (w.b.)。

將檸條原料在精工9F50-50雙粉碎型粉碎機上進行粉碎之后，分別應(yīng)用不同篩孔(0.16、0.63、1.25、2.5、5.0 mm)的篩子對原料進行篩選，得到了相應(yīng)大小的顆粒。具體的粒度分布如下：<0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2.5、2.5～5.0 mm。另外選用經(jīng)揉絲工藝加工的原料與粉碎原料進行比較。

1.2 試驗設(shè)計

采用四因素五水平進行回歸試驗分析，回歸試驗設(shè)計的因素和水平見表1。將自制的單軸、內(nèi)徑為40 mm的不銹鋼活塞圓筒壓縮裝置在WAW-300型萬能材料試驗機(最大載荷30噸)上加載，圓筒外部包一層陶瓷加熱圈，加熱到設(shè)定溫度后，將按預(yù)定條件處理好的檸條原料加滿，活塞在試驗機的帶動下，以0.05 MPa·s-1的速度對原料進行擠壓，直至設(shè)定壓力，保壓10 s后撤除壓力以防止材料回彈，最終成型的檸條固體燃料為直徑約40 mm，長度根據(jù)不同的初始條件有所不同的壓塊。壓縮過程未添加任何粘結(jié)劑。成型后的壓塊儲存于自封袋中在室溫下(約25℃)保存。

1.3 壓塊物理性能檢測

壓塊的抗壓強度及抗剪強度均在壓縮成型1周后進行測量，5次重復(fù)，取平均值。

1.3.1 抗壓強度

抗壓強度又稱作抗破碎性或硬度，此試驗?zāi)M了燃料在箱子或倉庫內(nèi)儲存時上層試樣施加在下層的重力或在螺旋輸送帶上被擠壓破碎時所承受的壓應(yīng)力，是顆?；驂簤K在開裂或破碎前所能承受的最大載荷[8]。

表1 試驗設(shè)計的因素及水平

1.3.2 抗剪強度

壓塊剪切裝置如圖1，剪切邊實際長度為38.2 mm，為雙邊剪切，計算公式為：

(1)

式中：τ-抗剪強度/MPa；A-壓塊面積/m2；Fx-壓塊承受最大破壞力/N；38.2-剪切有效長度/mm。

圖1 檸條壓塊剪切裝置Fig.1 Shearing apparatus of briquettes

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

試驗的檢測結(jié)果見表2。由表2和圖2可以看出，顆粒度為2.5～5.0 mm的檸條原料其抗壓強度最高，而且均高于相同條件下0.16～0.63 mm原料，而<0.16 mm原料(T23)的抗壓強度是最低的，僅為62.12 MPa。

表2 回歸試驗結(jié)果及分析

不同顆粒間以及相同顆粒間(圖2a)，抗壓強度的變化是不相同的，這充分說明了這兩個性能除了受顆粒度和壓力的極其顯著影響外(p<0.0001)，還受到了各因素相互作用項的影響。

圖2 各因素對壓塊物理性能的影響Fig.2 Effects of factors on physical properties注：a.試樣T1～T16的抗壓強度; b.試樣T17～T25的抗壓強度; c.試樣T1～T16的抗剪強度; d.試樣T17～T25的抗剪強度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

由圖2可知，0.16～0.63 mm原料的抗剪強度在所有原料最高，而且均高于相同條件下2.5～5.0 mm原料，這與抗壓強度恰恰相反。除了試樣T10之外，<0.16 mm原料(T23)的抗剪強度是最低的。壓塊燃料抗壓強度與抗剪強度的變化趨勢是不一致的，這充分說明了這兩個性能除了受顆粒度和壓力的極其顯著影響外(p<0.0001)，還受到了各因素相互作用項的影響。

2.2 多因素試驗結(jié)果分析

用SAS軟件對試驗結(jié)果進行顯著性檢驗和方差分析，結(jié)果見表3、表4。由表3可見，顆粒度(S)、壓力(P)對燃料抗壓強度有極顯著影響。顆粒度與壓力(S×P)、顆粒度、含水率與溫度(S×M×T)、顆粒度、含水率、壓力與溫度(S×M×P×T)的互作對燃料抗壓強度有顯著影響(以上所有項的P<.0001)。結(jié)果表明，顆粒度(S)、壓力(P)及其在相互作用下對燃料抗壓強度有顯著影響，含水率(M)與溫度(T)對燃料抗壓強度有影響(P<0.005)，只有在與其他兩個因素相互作用下才會對抗壓強度產(chǎn)生顯著影響。其他因素的互作對其均無顯著影響，例如顆粒度和溫度(S×T)，即使顆粒度改變，如果溫度不變，燃料抗壓強度也不會顯著改變。

由表4可見，顆粒度(S)、壓力(P)對燃料抗剪強度有極顯著影響。壓力與溫度(P×T)、顆粒度、含水率與壓力(S×M×P)、含水率、壓力與溫度(M×P×T)的互作對燃料抗剪強度有顯著影響(以上所有項P<.0001)。顆粒度(S)、壓力(P)對燃料抗剪強度有顯著影響，含水率(M)與溫度(T)對燃料抗剪強度有影響(P<0.005)，只有在與其他兩個因素相互用下才會對抗剪強度產(chǎn)生顯著影響。其他因素的互作對其互作對燃料抗剪強度有顯著影響(以上所有項P<.0001)。結(jié)果表明，顆粒度(S)、壓力(P)對燃料抗剪強度有顯著影響，含水率(M)與溫度(T)對燃料抗剪強度有影響(其P<0.005)，只有在與其他兩個因素相互用下才會對抗剪強度產(chǎn)生顯著影響。其他因素的互作對其均無顯著影響，例如顆粒度和溫度(S×T)，即使顆粒度改變，如果溫度不變，燃料抗剪強度也不會顯著改變。

表3 因變量對壓塊抗壓強度影響的方差分析結(jié)果

表4 因變量對壓塊抗剪強度影響的方差分析結(jié)果

2.3 回歸分析

利用回歸分析法，建立了各變量與響應(yīng)函數(shù)之間的多元線性回歸數(shù)學模型，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-響應(yīng)函數(shù)；S-顆粒度/mm；M-含水率/%；P-成型壓力/MPa；T-溫度/℃。

將式中各因素的回歸系數(shù)轉(zhuǎn)化為標準化分數(shù)后， 直接比較得出該項對響應(yīng)函數(shù)的影響值。表5僅列出所有對函數(shù)影響極其顯著項(P<0.0001)。結(jié)果表明，顆粒度和含水率是壓塊抗壓強度的主要影響因素，其回歸系數(shù)分別為2.56和0.44，壓塊燃料的抗壓強度隨著顆粒度和含水率的增大而增大，此模型決定系數(shù)R2=0.88?？辜魪姸戎饕绊懸蛩匾来螢轭w粒度、含水率，其回歸系數(shù)分別為3.31和0.78，說明抗剪強度隨著顆粒度和含水率的升高而增大，溫度和壓力及其他相互作用項和二次項對其有顯著影響卻是次要的，此模型決定系數(shù)R2=0.74。對壓塊抗壓強度和抗剪強度影響的主次順序依次為顆粒度、含水率，溫度和壓力為邊際影響因素。

表5回歸模型中各回歸系數(shù)值

Table5 Summary of the regression coefficient in the regression model

響應(yīng)函數(shù)Response抗壓強度Compression strength抗剪強度Shear strength常數(shù)-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 結(jié)論

通過分析檸條原料的初始條件(顆粒度、含水率)及主要成型參數(shù)(壓力、溫度)對固體燃料壓塊抗壓強度和抗剪強度的影響，得到結(jié)論：

(1)較大顆粒度、較高含水率(以此順序)是增大檸條壓塊燃料抗壓強度和抗剪強度的重要因素。溫度和壓力與燃料的抗壓強度和抗剪強度相關(guān)性較小。

(2)顆粒越細小，燃料的塑性及強度會越差，要保證檸條壓塊燃料在運輸儲存過程中具有足夠的強度而保持完整，檸條原料顆粒度不宜過小，含水率在8%～14%為宜，從節(jié)能和低成本角度考慮，成型溫度至少為80℃，最高不能超過150℃，壓力在60～110 MPa即可。

以此條件加工的檸條壓塊燃料具有較高抗壓強度和抗剪強度，可以抵抗在運輸和儲存過程中經(jīng)受的載荷，但檸條原料在成型加工時的初始條件及成型參數(shù)還要綜合考慮燃料的其他物理性能才能最終確定。

參 考 文 獻

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