陳樹人，蔣成寵，姚 勇，尹建軍，蔣曉霞

(1.江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇圓通農(nóng)機(jī)科技有限公司，江蘇丹陽 212325)

秸稈壓縮成型技術(shù)是將秸稈廢棄物等用機(jī)械加壓的方法，使原來松散、無定形的原料壓縮成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料.秸稈在經(jīng)過壓縮成型之后，密度、強(qiáng)度都有了質(zhì)的改善，不但利于儲(chǔ)藏和運(yùn)輸，更在使用上大大提高了生物質(zhì)作為燃料的品質(zhì)和性能，可以為日常生活、工業(yè)生產(chǎn)提供高效清潔的能源.

我國作為農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源非常豐富，我國農(nóng)作物秸稈的總量約有7億t，但對于如此巨大的寶貴資源，利用率卻不足30%.據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年的秸稈資源如果可進(jìn)行充分利用，相當(dāng)于3.1億t標(biāo)準(zhǔn)煤［1-4］.

但是，熱值作為衡量秸稈壓塊燃料特性的重要指標(biāo)，近幾年來國內(nèi)外對于秸稈熱值的相關(guān)研究不多，其中對于水稻秸稈成型壓塊的熱值研究更為少見［5-9］.秸稈成型壓塊作為一種燃料，其燃燒特性至關(guān)重要.目前由于缺少理論的支撐，對于高熱值壓塊的成型還是憑借著經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)，不但成型出來的壓塊熱值參差不齊，偏差較大，而且在實(shí)際生產(chǎn)上對于生產(chǎn)設(shè)備的性能不能準(zhǔn)確地把握.為提高秸稈壓塊的熱值，增強(qiáng)其使用性能和秸稈利用效率，并為環(huán)模壓塊成型機(jī)對高熱值壓塊的生產(chǎn)提供相應(yīng)的理論依據(jù)，又由于低位熱值從燃料的高位發(fā)熱量中扣除煙氣中水蒸汽的汽化潛熱，更加接近燃燒時(shí)的實(shí)際發(fā)熱量，故文中以立式環(huán)模壓塊機(jī)的生產(chǎn)工藝為研究對象，探求不同成型條件對秸稈壓塊低位熱值特性的影響，并且設(shè)計(jì)二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，建立壓塊熱值的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，分析各影響因素之間的相關(guān)性以及秸稈壓塊最佳熱值模型的指標(biāo).

1 試驗(yàn)材料、儀器及方法

1.1 試驗(yàn)材料和儀器

9JYK-2000A型環(huán)模式成型機(jī)(江蘇圓通科技有限公司，見圖1);水稻秸稈(采用江蘇丹陽地區(qū)種植的鎮(zhèn)稻413型水稻秸稈成型);高精度萬能全自動(dòng)量熱儀(鄭州三博儀器儀表有限公司);JA312002電子天平(上海雙旭電子有限公司)，最大量程100 g，精度為0.1 mg;竑力高速多功能粉碎機(jī)(上海塞耐儀器有限公司);自動(dòng)程控烘箱(杭州卓馳儀器有限公司);FD-G2型高頻波數(shù)字水分儀(上海佳實(shí)有限公司);噴霧器.

圖1 9JYK-2000A型環(huán)模式成型機(jī)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)流程

針對立式環(huán)模壓塊機(jī)的實(shí)際工況，分別調(diào)整和控制成型工藝中的主軸轉(zhuǎn)速、成型溫度和含水率3大影響因素.主軸電機(jī)與EPU-S矢量型變頻器接線相連，直接在變頻器的控制面板上輸入相應(yīng)的轉(zhuǎn)速數(shù)值，可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)對主軸轉(zhuǎn)速100～280 r·min-1范圍的控制.通過上壓板中溫度傳感器和控制柜中XMTD數(shù)顯溫控儀，可對立式環(huán)模壓塊機(jī)的成型溫度進(jìn)行80～200℃范圍的調(diào)整和控制.對于秸稈含水率的控制，首先用鍘草機(jī)將水稻秸稈鍘切成50～100 mm的草段，自然風(fēng)干后進(jìn)行調(diào)濕處理，具體步驟為將水稻秸稈放入自動(dòng)程控烘箱進(jìn)行烘干處理，當(dāng)溫度上升到150℃時(shí)，關(guān)閉電源，將物料在烘箱內(nèi)保溫10 min后取出，利用FD-G2型高頻波數(shù)字水分儀進(jìn)行測量，并配合噴霧器對秸稈含水率作調(diào)濕處理，調(diào)濕結(jié)果分別為 10%，14%，18%，22%和26%，并將調(diào)試后的秸稈分類裝入密封袋備用.根據(jù)二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)的設(shè)計(jì)，分別控制主軸轉(zhuǎn)速、成型溫度和含水率進(jìn)行成型試驗(yàn)，并在每一種試驗(yàn)條件下正常工作10 min后再分別取4段秸稈壓塊樣品，裝入密封袋中做好標(biāo)記，如圖2所示.

圖2 不同工況下取樣的水稻秸稈壓塊

1.2.2 水稻秸稈壓塊含水率的測定

為在全自動(dòng)量熱儀中對秸稈成型壓塊的低位熱值進(jìn)行準(zhǔn)確的測定，需在設(shè)備中輸入相應(yīng)的秸稈壓塊樣品的含水率值，故在熱值測定前需要測量同一條件下壓塊的含水率.具體方法如下:取一塊小紙板，將其放在電子天平上稱量，質(zhì)量為m1.從同一試驗(yàn)條件下獲得的四段壓塊中取出一段樣品，將其剪成小段放在小紙板上置于電子天平稱重為M1.接著將碎壓塊倒入粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎后，放入自動(dòng)程控烘箱進(jìn)行烘干處理.當(dāng)溫度上升到150℃時(shí)，關(guān)閉電源，在烘箱內(nèi)保溫10 min后將碎壓塊連同小紙板一起取出，放在電子天平上稱重質(zhì)量為M2，再稱重小紙板質(zhì)量為m2，則水稻秸稈壓塊的含水率為

1.2.3 水稻秸稈壓塊低位熱值的測定

依照農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/1881.4—2010《生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法》，對水稻秸稈壓塊的低位熱值按照以下方法進(jìn)行測定:取出全自動(dòng)量熱儀氧彈中的小坩堝，洗凈并干燥后置于電子天平上稱量質(zhì)量為m3;取經(jīng)粉碎機(jī)粉碎的壓塊碎屑放入小坩堝中，質(zhì)量約為1.0～1.5 g，置于天平上稱量質(zhì)量為m4;在氧彈內(nèi)部系上點(diǎn)火線并蓋上蓋子后，檢查氣密性，打開氧氣瓶閥門，向氧彈中充入氧氣，然后將氧彈放入全自動(dòng)量熱儀中，并通過顯示屏輸入壓塊碎屑的質(zhì)量(m4-m3)和含水率值;最后啟動(dòng)工作按鈕，在大約20分鐘后，全自動(dòng)量熱儀將會(huì)輸出關(guān)于所測水稻壓塊的低位熱值.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以低位熱值為試驗(yàn)指標(biāo)，每次試驗(yàn)組合取3個(gè)樣進(jìn)行低位熱值的測定，最后取平均值.立式環(huán)模壓塊機(jī)的成型工藝對秸稈壓塊低位熱值主要影響因素包括:主軸轉(zhuǎn)速X1、成型溫度X2和含水率X3［10-12］.在探索性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定了各影響因子合適的條件范圍，并采用3因素5水平以及Design-Expert 8.0.6軟件設(shè)計(jì)正交試驗(yàn).試驗(yàn)采用Design-Expert 8.0.6提供的central composite正交試驗(yàn)，即3因素5水平部分正交試驗(yàn)［13-14］，在滿足試驗(yàn)要求的前提下，減少了試驗(yàn)量.在對相關(guān)的參考文獻(xiàn)進(jìn)行研究后并根據(jù)前期相關(guān)的試驗(yàn)研究結(jié)果，選擇主軸轉(zhuǎn)速、成型溫度和含水率作為影響因子，以水稻秸稈壓塊燃燒的低位熱值作為試驗(yàn)指標(biāo)，并以 -2，-1，0，1，2分別代表自變量水平，對自變量進(jìn)行編碼.臂長y=2，共20個(gè)處理組合.試驗(yàn)因素水平及條件如表1所示.

表1 各變量水平編碼表

2 結(jié)果與分析

2.1 回歸模型的建立與檢驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert8.0.6分析軟件進(jìn)行回歸分析，并利用響應(yīng)面分析法對3因素間的相關(guān)性和交互效應(yīng)進(jìn)行分析.

合適的模型類型以及模型中重要的線性和交互性的模型組是通過方差分析和其他適當(dāng)?shù)挠?jì)算而獲得的［15-16］.將本試驗(yàn)方案以及試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)入 Design-Expert8.0.6，關(guān)于低位熱值回歸方程方差分析結(jié)果如表3所示.

表3 低位熱值回歸方程方差分析

表中R2稱為方程的確定性系數(shù)，表示方程中自變量X對因變量Y的解釋程度，所得R2的修正值為0.878 4，表明回歸方程與試驗(yàn)值整體上符合程度較高.F檢驗(yàn)是通過方差分析表輸出的，通過顯著性水平檢驗(yàn)回歸方程的線性關(guān)系是否顯著.一般來說，顯著性水平在0.05以上，均有意義，而所得F值為8.03(大于0.05)，體現(xiàn)出所得回歸方程的顯著性水平較高，擬合良好.信噪比的值很高，為8.926，表明該模型可用于低位熱值的預(yù)測.對偏回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)分析，因回歸方程中X1X2和X3X3系數(shù)的t檢驗(yàn)不顯著，故可以省略.低位熱值與各因素的回歸方程如下.

采用因素代碼形式:

實(shí)際因素值形式:

圖3為低位熱值擬合模型的學(xué)生化殘差分布情況，從中可以看出，其殘差各點(diǎn)的分布幾乎在一直線上，模型擬合效果較好.

圖3 低位熱值學(xué)生化殘差分布圖

2.2 各因素對各項(xiàng)性能指標(biāo)影響的主次分析

各因素對于試驗(yàn)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率主次結(jié)果如表3所示，根據(jù)F值的大小判斷各因素的貢獻(xiàn)率.對水稻秸稈壓塊的低位熱值的貢獻(xiàn)率大小依次是主軸轉(zhuǎn)速、成型溫度、含水率.

在3因素交互作用下，它們對低位熱值的影響大小順序是成型溫度×含水率、主軸轉(zhuǎn)速×含水率、主軸轉(zhuǎn)速×成型溫度.

2.3 因素對性能指標(biāo)影響規(guī)律

各因素之間的影響規(guī)律如圖4所示.

圖4 各影響因子之間關(guān)系的等高線

圖4a為成型溫度、含水率與低位熱值之間關(guān)系的等高線圖，可以看出，當(dāng)成型溫度保持不變，低位熱值隨著秸稈物料含水率的增大而減小.當(dāng)含水率保持不變時(shí)，隨著成型溫度的上升，壓塊的低位熱值增大.對于每一條低位熱值的等高線，當(dāng)生產(chǎn)所用的秸稈物料含水率增大時(shí)，為保持低位熱值不變，環(huán)模壓塊機(jī)成型秸稈壓塊的溫度要隨之增大.但是秸稈的含水率存在著一定的上限值，當(dāng)含水率超過24%時(shí)，將導(dǎo)致所生產(chǎn)的秸稈壓塊過于松散而難以成型.實(shí)際生產(chǎn)中，由于溫度的升高，有利于加速木質(zhì)素的軟化、熔融以及黏性增強(qiáng)，所以隨著成型溫度的升高，壓塊之間的密實(shí)度和黏結(jié)力增大，最終使得燃燒的低位熱值增大.但是由于過高的成型溫度將導(dǎo)致壓塊表面發(fā)生碳化，內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而降低低位熱值，所以應(yīng)保持環(huán)模壓塊機(jī)的成型溫度在合理范圍內(nèi)盡可能高.

圖4b為主軸轉(zhuǎn)速、含水率與低位熱值之間關(guān)系的等高線圖.從圖可以看出，秸稈壓塊的低位熱值隨著環(huán)模壓塊機(jī)主軸轉(zhuǎn)速的增大而增大，可能的原因是主軸轉(zhuǎn)速增大，使得單位時(shí)間內(nèi)壓入環(huán)?？變?nèi)的物料增多，一定程度上減小了物料間隙，提高了密實(shí)度.對于每一條低位熱值的等高線，當(dāng)生產(chǎn)所用的秸稈物料含水率增大時(shí)，為保持低位熱值不變，需要提高環(huán)模壓塊機(jī)的主軸轉(zhuǎn)速，以保證秸稈壓塊成型的質(zhì)量.但是，過高的主軸轉(zhuǎn)速給設(shè)備造成較大的振動(dòng)，加大壓輥的磨損，影響設(shè)備的使用壽命，所以根據(jù)分析綜合考慮，相對合適的主軸轉(zhuǎn)速為132～168 r·min-1范圍.

各影響因素與低位熱值之間關(guān)系的三維圖如圖5所示.

圖5 各影響因子與熱值之間關(guān)系的響應(yīng)曲面

從圖5可以看出，在主軸轉(zhuǎn)速為中間水平時(shí)，對于含水率和成型溫度的交互作用，隨著秸稈含水率的增加，低位熱值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在含水率為18%時(shí)，在成型溫度和含水率兩大因素的共同作用下，低位熱值呈現(xiàn)最低值.對于環(huán)模壓塊機(jī)的成型溫度，當(dāng)壓塊的成型溫度逐漸升高時(shí)，低位熱值逐漸增大，但在秸稈含水率與成型溫度的相互作用中，對低位熱值的影響較小.

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證根據(jù)試驗(yàn)所建模型的準(zhǔn)確性，同時(shí)也為下面的優(yōu)化試驗(yàn)提供實(shí)際依據(jù)，現(xiàn)設(shè)計(jì)3個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn).這3個(gè)試驗(yàn)的參數(shù)不同于前面設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)，但其范圍必須位于正交試驗(yàn)各參數(shù)設(shè)計(jì)的范圍內(nèi)，其具體參數(shù)如表4所示.實(shí)際值為試驗(yàn)所獲得的各響應(yīng)因子的實(shí)際測量值，計(jì)算值是通過上述數(shù)學(xué)模型實(shí)際因素式計(jì)算所得的各響應(yīng)因子的值.誤差的計(jì)算如下:

3個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)中各個(gè)響應(yīng)因子的誤差均在±5%的誤差范圍內(nèi)，說明上述數(shù)學(xué)模型的可信度較高，能夠作為下一步優(yōu)化分析的數(shù)學(xué)模型.

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)影響因子參數(shù)和結(jié)果分析

3 熱值模型的優(yōu)化與討論

在試驗(yàn)結(jié)果分析及模型擬合的基礎(chǔ)上，可利用Design-Expert 8.0.6對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，即分別獲得最佳低位熱值的情況下，各影響因素取值的最優(yōu)方案.先設(shè)定具體優(yōu)化條件如表5所示.

表5 優(yōu)化條件

在保證低位熱值在一定合理范圍內(nèi)的前提下尋求熱值最大化.表6所示為利用Design-Expert8.0.6軟件根據(jù)優(yōu)化條件對試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化所得到的結(jié)果.

表6 低位熱值的優(yōu)化方案

續(xù)表

根據(jù)表6中的優(yōu)化方案，可得:當(dāng)立式環(huán)模壓塊機(jī)成型工藝為主軸轉(zhuǎn)速170～175 r·min-1，溫度138～140℃，含水率14.03% ～14.33%時(shí)，成型的水稻秸稈壓塊的低位熱值可達(dá)11 652 kJ以上，其中當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速 175 r·min-1，溫度138℃，含水率14.33%，所成型的水稻秸稈壓塊低位熱值可達(dá)11 673 kJ以上，其中當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速175 r·min-1，溫度138℃，含水率 14.33%，可達(dá)最佳低位熱值為11 711 kJ.

4 結(jié)論

1)以主軸轉(zhuǎn)速、成型溫度和含水率為自變量，并以低位熱值為因變量建立數(shù)學(xué)回歸模型方程，并通過驗(yàn)證試驗(yàn)檢驗(yàn)了所建模型的準(zhǔn)確性，其誤差范圍小于5%，可以被用于后續(xù)的優(yōu)化分析以及預(yù)測水稻秸稈壓塊在實(shí)際燃燒應(yīng)用中低位熱值.

2)各因素對低位熱值的影響順序依次是主軸轉(zhuǎn)速、成型溫度、含水率.在3因素交互作用下，它們對低位熱值的影響大小順序是成型溫度×含水率、主軸轉(zhuǎn)速×含水率、主軸轉(zhuǎn)速×成型溫度.

3)根據(jù)試驗(yàn)分析中的優(yōu)化方案，立式環(huán)模壓塊機(jī)成型最佳低位熱值壓塊的工藝指標(biāo)為當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速175 r·min-1，溫度138℃，含水率14.33%，所成型的水稻秸稈壓塊低位熱值可達(dá)11 673 kJ以上，其中成型的壓塊最佳低位熱值為11 711 kJ.

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