唐勇軍，許　俊，唐　岳，胡紅斐，張永俊

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

雙超聲壓縮生物質(zhì)過(guò)程中壓塊松弛密度的影響因素研究*

唐勇軍1,2，許俊1，唐岳1，胡紅斐1，張永俊1

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006；2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

松弛密度作為生物質(zhì)成型燃料的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)，對(duì)生物質(zhì)成型燃料的運(yùn)輸、處理和儲(chǔ)存有著較大的影響。分別研究了在不同壓縮時(shí)間、不同預(yù)壓力、不同生物質(zhì)重量和不同生物質(zhì)含水率下，壓塊的松弛密度隨放置時(shí)間的變化，并利用松弛比直觀反映了在不同的壓縮條件下壓塊松弛密度的松弛程度。研究表明：在不同的壓縮條件下，壓塊的松弛密度都是逐漸減小的，但松弛密度減小的程度不同；壓塊的松弛比分別在壓縮時(shí)間為30 s、預(yù)壓力為0.17 MPa、生物質(zhì)質(zhì)量為1.0 g、生物質(zhì)含水率為20%時(shí)達(dá)到最大。

雙超聲；輔助振動(dòng)壓縮；生物質(zhì)燃料；松弛密度；松弛比

DOI：10.3969/j.issn.1009-9492.2015.01.003

0　引言

生物質(zhì)能源作為一種清潔的可再生能源［1-2］，具有廣闊的發(fā)展前景。我國(guó)農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約7×108t，相當(dāng)于3.5×108t標(biāo)準(zhǔn)煤。除此之外，我國(guó)每年還有將近1×108t左右的林業(yè)廢棄物，如樹枝、樹葉、鋸末、木屑、板片等［3］。但生物質(zhì)原料的低密度特性會(huì)大幅增加產(chǎn)品的運(yùn)輸、處理和存儲(chǔ)成本［4-5］。

生物質(zhì)壓縮成型燃料技術(shù)是生物質(zhì)能源的一種簡(jiǎn)單而實(shí)用的利用形式［3，6］，能夠大幅提高生物質(zhì)的密度，降低生物質(zhì)的運(yùn)輸、處理和儲(chǔ)存成本［7］。傳統(tǒng)的螺桿擠壓成型、活塞沖壓成型和壓輥式成型等纖維素生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)一般都需要高溫蒸汽、高壓力和額外添加粘接劑，設(shè)備龐大，價(jià)格高，添加劑導(dǎo)致污染［8-9］。由于超聲波具有高頻振動(dòng)特性和熱效應(yīng)，在超聲波輔助振動(dòng)壓縮生物質(zhì)的過(guò)程中，不需要對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行高溫高壓處理，也不需要給生物質(zhì)添加粘接劑，僅僅在常溫、低壓力和無(wú)添加劑條件下進(jìn)行。本文利用超聲波的高頻振動(dòng)特性和熱效應(yīng)，研究壓縮時(shí)間、預(yù)壓力、生物質(zhì)重量和生物質(zhì)含水率等因素對(duì)壓塊松弛密度的影響，為超聲波應(yīng)用在生物質(zhì)壓縮成型的過(guò)程中提供理論依據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)條件和步驟

1.1生物質(zhì)原料及儀器

本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用的生物質(zhì)原料是鋸末，木材原材料在加工成各種產(chǎn)品的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的加工廢料—鋸末，鋸末的低密度特性增加了其儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)某杀?，阻礙了鋸末的進(jìn)一步加工利用。通過(guò)把鋸末裝載到模具型腔內(nèi)，采用工作臺(tái)和工具頭同步超聲振動(dòng)的方式，把鋸末壓縮成塊狀，不僅能夠大幅提高鋸末壓塊的密度，而且能夠提高壓縮效率，為鋸末的進(jìn)一步加工利用提供了有利條件。

鋸末的含水率是指一定量的鋸末中所含的水分的量，用鋸末中水分的重量與鋸末的總重量的比值表示。鋸末的含水率是通過(guò)如下過(guò)程進(jìn)行測(cè)量：首先將收集到的鋸末進(jìn)行密封處理，然后將一定質(zhì)量的樣品鋸末放置加熱皿中，置于烘箱內(nèi)，設(shè)定溫度120℃，放置時(shí)間24 h以上以充分蒸發(fā)水分。加熱結(jié)束后，將加熱皿置于干燥皿中冷卻至常溫，再次測(cè)量樣品鋸末的質(zhì)量。水分的重量等于樣品鋸末在加熱前后的質(zhì)量差。所收集的鋸末的原始含水率可以通過(guò)公式（1）來(lái)計(jì)算：

通過(guò)計(jì)算得到所收集鋸末的原始含水率為8%，本次實(shí)驗(yàn)所需要的鋸末的含水率為五個(gè)水平，分別為：5%、10%、15%、20%、25%。由于所收集的鋸末的原始含水率為8%，大于實(shí)驗(yàn)所需要的最小含水率5%，故含水率5%的鋸末是通過(guò)上述烘干后的干燥的鋸末（含水率為0）調(diào)配出，取干燥鋸末m g，所需要的水分可以通過(guò)公式（2）計(jì)算；至于含水率為10%、15%、20%、25%的鋸末，可以通過(guò)所收集的含水率為8%的鋸末調(diào)配出，各取鋸末m g，所需要的水分可以分別通過(guò)公式（3）計(jì)算：

其中，X1表示調(diào)配含水率為5%的鋸末后的總質(zhì)量，需要向m g干燥鋸末中加入的蒸餾水的質(zhì)量為（X1-m）g；X表示調(diào)配含水率為ω（ω的取值為：10%、15%、20%、25%）的鋸末后的總重量，需要向m g含水率為8%的鋸末中加入的蒸餾水的質(zhì)量為（X-m）g。

實(shí)驗(yàn)所需要的儀器有：DT200A電子天平、TSL-1140B可控溫烘箱、游標(biāo)卡尺、秒表、加熱皿、干燥皿、滴管和量筒。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1所展示的雙超聲輔助振動(dòng)壓縮實(shí)驗(yàn)裝置，使用的雙超聲波壓縮生物質(zhì)機(jī)床由廣東工業(yè)大學(xué)自行研制。它包括一個(gè)超聲波系統(tǒng)，氣動(dòng)系統(tǒng)。超聲波系統(tǒng)包括一個(gè)電源（將50 Hz的市電轉(zhuǎn)換為約21 000 Hz的脈沖電）和兩個(gè)換能器（將高頻電能轉(zhuǎn)換成超聲波振動(dòng)）。其中上超聲振動(dòng)系統(tǒng)和氣缸連接在一起，下超聲振動(dòng)系統(tǒng)固定在工作臺(tái)上，兩個(gè)超聲振動(dòng)系統(tǒng)中心處的圓柱形鋁模型腔用于存放壓縮用的鋸末。兩超聲振動(dòng)系統(tǒng)的前段都安裝有圓形的工具，工具設(shè)有一個(gè)堅(jiān)硬的平頭。它的直徑（18 mm）稍小于模具的型腔（19 mm）。氣動(dòng)系統(tǒng)包括氣源、氣動(dòng)三聯(lián)件（由過(guò)濾器、減壓閥和油霧器組成）、方向控制閥、節(jié)流閥和氣缸。其中氣缸的缸徑為100 mm，氣缸的氣壓由氣動(dòng)三聯(lián)件中的減壓閥調(diào)節(jié)，氣壓的大小通過(guò)氣動(dòng)三聯(lián)件上的壓力表顯示，本機(jī)床中氣壓的調(diào)節(jié)范圍為0～0.55 MPa；上超聲振動(dòng)系統(tǒng)的上下運(yùn)動(dòng)是通過(guò)方向控制閥切換氣缸有桿腔與無(wú)桿腔氣體的進(jìn)出來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其運(yùn)動(dòng)速度是通過(guò)安裝在氣缸上的節(jié)流閥來(lái)調(diào)節(jié)。

圖1　雙超聲輔助振動(dòng)壓縮實(shí)驗(yàn)裝置

表1列出了實(shí)驗(yàn)條件，本文將對(duì)四個(gè)壓縮參數(shù)進(jìn)行研究。壓縮時(shí)間是指在雙超聲波振動(dòng)下，工具與鋸末在模具中接觸的時(shí)間；預(yù)壓力是指在進(jìn)行生物質(zhì)壓縮時(shí)，氣缸中的壓力通過(guò)工具在模具中作用于鋸末上；生物質(zhì)質(zhì)量為每次壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，放入到模具中的鋸末的質(zhì)量；鋸末的含水率代表一定量的生物質(zhì)中所含的水分量。每組試驗(yàn)中，只有一個(gè)壓縮參數(shù)變化，其他壓縮參數(shù)保持恒定。

表1　R實(shí)驗(yàn)條件

1.3壓塊松弛密度的測(cè)量

松弛密度是指生物質(zhì)壓塊在出模后由于彈性變形和應(yīng)力松弛等作用，其體積會(huì)逐漸增大，成型密度逐漸減小，一段時(shí)間后壓塊密度才趨于穩(wěn)定。松弛密度要比模內(nèi)最終壓縮密度小。它是決定成型燃料物理品質(zhì)和燃燒性能的一個(gè)重要指標(biāo)。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用的是同一模具（模具型腔為19 mm），通過(guò)測(cè)量壓塊的直徑和厚度來(lái)計(jì)算壓塊的體積，利用公式ρ=m/v，可以計(jì)算出壓塊的密度，壓塊的直徑和厚度是通過(guò)游標(biāo)卡尺測(cè)量。在每個(gè)壓縮參數(shù)下，壓縮5個(gè)壓塊，用5個(gè)壓塊的平均值表示此參數(shù)下壓塊的直徑和厚度。測(cè)量工作是由同一個(gè)人完成，以減少人為因素帶來(lái)的誤差。壓塊直徑和厚度的第一次測(cè)量是在壓塊從模具中拿出后立刻進(jìn)行的，待測(cè)量完成后，對(duì)壓塊進(jìn)行常溫下的密封保存，之后每隔24小時(shí)測(cè)量一次壓塊的直徑和厚度，以計(jì)算壓塊的松弛密度。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1壓塊松弛密度隨放置時(shí)間的變化

（1）在不同的壓縮時(shí)間下壓塊松弛密度隨放置時(shí)間的變化圖2顯示了壓縮時(shí)間在10 s、20 s、30 s、40 s、50 s下，壓塊的松弛密度隨放置時(shí)間的關(guān)系。從圖2可以看出：1）在壓塊放置6天的過(guò)程中，起初壓塊的密度下降較快，后來(lái)慢慢地趨近一個(gè)穩(wěn)定值；2）在相同的放置天數(shù)下，壓縮時(shí)間越長(zhǎng)，壓塊的松弛密度越大。

圖2　壓塊松弛密度與放置時(shí)間的關(guān)系圖

（2）在不同的預(yù)壓力下壓塊松弛密度隨放置時(shí)間的變化

圖3顯示了預(yù)壓力在0.034 MPa、0.10 MPa、0.17 MPa、0.24 MPa、0.31 MPa下，壓塊的松弛密度隨放置時(shí)間的關(guān)系。從圖3可以看出：1）在壓塊放置6天的過(guò)程中，起動(dòng)壓塊的密度下降較快，后來(lái)慢慢地趨近一個(gè)穩(wěn)定值；2）在相同的放置天數(shù)下，預(yù)壓力越大，壓塊的密度越大。

圖3　壓塊松弛密度與放置時(shí)間的關(guān)系圖

（3）在不同的生物質(zhì)質(zhì)量下壓塊松弛密度隨放置時(shí)間的變化

圖4顯示了生物質(zhì)質(zhì)量在0.6 g、1.0 g、1.4 g、1.8 g、2.2 g下，壓塊的松弛密度隨放置時(shí)間的關(guān)系。從圖4可看出，在壓塊放置6天的過(guò)程中，起初壓塊的密度下降較快，后來(lái)慢慢地趨近一個(gè)穩(wěn)定值。

圖4　壓塊松弛密度與放置時(shí)間的關(guān)系圖

（4）在不同的生物質(zhì)含水率下壓塊松弛密度隨放置時(shí)間的變化

圖5顯示了生物質(zhì)含水率在在5%、10%、15%、20%、25%下，壓塊的松弛密度隨放置時(shí)間的關(guān)系。從圖5可以看出，在壓塊放置6天的過(guò)程中，壓塊的密度開(kāi)始下降較快，后來(lái)慢慢地趨近一個(gè)穩(wěn)定值。

圖5　壓塊松弛密度與放置時(shí)間的關(guān)系圖

從圖2～5還可以發(fā)現(xiàn)：不管是在不同的壓縮時(shí)間下、不同的預(yù)壓力、不同的生物質(zhì)重量，還是不同的生物質(zhì)含水率下，在后期測(cè)量壓塊密度的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)壓塊的密度略微有上升的趨勢(shì)，這與實(shí)際情況相違背。探究其原因，其中重要的一條是：所收集的鋸末是顆粒較小的生物質(zhì)，在進(jìn)行雙超聲輔助振動(dòng)壓縮時(shí)，并沒(méi)有向鋸末中添加粘結(jié)劑，壓塊外表面的鋸末在壓縮的過(guò)程中并沒(méi)有完全粘結(jié)在一起，存在一定量的顆粒與壓塊的連接較松。在每天測(cè)量壓塊厚度的過(guò)程中，有部分與壓塊接觸較松的顆粒會(huì)脫離壓塊，從而導(dǎo)致后期測(cè)量的壓塊密度偏大。雖然如此，研究壓塊密度隨放置時(shí)間的變化規(guī)律對(duì)實(shí)際的生物質(zhì)燃料加工生產(chǎn)還是具有一定的指導(dǎo)意義。

2.2壓塊的松弛比

通過(guò)壓塊的松弛密度隨放置時(shí)間的變化，可以直觀的反映到壓塊松弛密度的變化情況，而無(wú)法反映壓塊的松弛程度。通常采用無(wú)量綱參數(shù)—松弛比，即用模內(nèi)物料的最大壓縮密度與最小松弛密度的比值來(lái)描述成型燃料的松弛程度。在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量壓塊的松弛密度隨放置時(shí)間的變化，計(jì)算壓塊的最大密度與最小松弛密度的比值得到其松弛比。

（1）壓塊的松弛比隨壓縮時(shí)間的變化

圖6顯示了壓塊的松弛比與壓縮時(shí)間的關(guān)系，在壓縮時(shí)間為30 s時(shí)，壓塊的松弛比達(dá)到1.127。

圖6　壓塊的松弛比與壓縮時(shí)間的關(guān)系

（2）壓塊的松弛比隨預(yù)壓力的變化

圖7顯示了壓塊的松弛比與預(yù)壓力的關(guān)系，在預(yù)壓力從0.034 MPa增加到0.17 MPa的過(guò)程中，壓塊的松弛比逐漸增加；在預(yù)壓力從0.17 MPa增加到0.31 MPa的過(guò)程中，壓塊的松弛比逐漸下降，壓塊的松弛比在預(yù)壓力為0.17 MPa時(shí)達(dá)到最大，為1.130。

圖7　壓塊的松弛比與預(yù)壓力的關(guān)系

（3）壓塊的松弛比隨生物質(zhì)質(zhì)量的變化

圖8顯示了壓塊的松弛比與生物質(zhì)質(zhì)量的關(guān)系，在生物質(zhì)質(zhì)量從0.6 g增加到1.0 g的過(guò)程中，壓塊的松弛比逐漸增加；在生物質(zhì)質(zhì)量從1.0 g增加到2.2 g的過(guò)程中，壓塊的松弛比逐漸下降，壓塊的松弛比在生物質(zhì)質(zhì)量為1.0 g時(shí)達(dá)到最大，為1.140。

圖8　壓塊的松弛比與生物質(zhì)重量的關(guān)系

（4）壓塊的松弛比隨生物質(zhì)含水率的變化

圖9顯示了壓塊的松弛比與生物質(zhì)含水率的關(guān)系，在生物質(zhì)含水率為20%時(shí)，壓塊的松弛比達(dá)到1.184。

圖9　壓塊的松弛比與生物質(zhì)含水率的關(guān)系

3　結(jié)論

通過(guò)研究在不同的壓縮時(shí)間、不同的預(yù)壓力、不同的生物質(zhì)質(zhì)量和不同的生物質(zhì)含水率下，壓塊的松弛密度隨放置時(shí)間的變化，得到了壓塊的松弛密度隨時(shí)間的變化規(guī)律，即在不同的壓縮條件下，壓塊的松弛密度都是逐漸減小的，但松弛密度減小的程度不同。通過(guò)計(jì)算在不同壓縮條件下壓塊的松弛比，直觀地反映了在不同的壓縮條件下壓塊松弛密度的松弛程度。研究表明：壓塊的松弛比分別在壓縮時(shí)間為30 s、預(yù)壓力為0.17 MPa、生物質(zhì)重量為1.0 g、生物質(zhì)含水率為20%時(shí)達(dá)到最大。

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（編輯：阮毅）

Study on the Influencing Factors to Pellet Relax Density during Dual Ultrasonic Vibration-Assisted Pelleting of Sawdust

TANG Yong-jun1,2，XU Jun1，TANG Yue1，HU Hong-fei1，ZHANG Yong-jun1
（1.Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China；2.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China）

The relax density of pellet，as an important performance indicators of biomass，had a significant effect on the cost of pellet's transportation，handling and storage.This paper studied on the relax density of pellets，which were placed in different time.The pellets were pelleted with different pelleting time，different pressure，different pellet weight and different moisture content，and using relaxation ratio directly reflected pellet density under different pelleting conditions.The results showed that the relax density of pellet was gradually decreased under all pelleting condition，but with different degrees of relax density decreasing.The relax ratio of pellet got maximum when the pelleting time was 30s，the pelleting pressure was 0.17MPa，the pellet weight was 1.0g，and the moisture content was 15%.

dual ultrasonic；pelleting；biomass fuels；relax density；relaxation ratio

TG663，TK6

A

1009-9492（2015）01-0011-05

*國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：500120068）；機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金資助項(xiàng)目（編號(hào)：500130026）

2014-07-11

唐勇軍，男，1975年生，湖南邵陽(yáng)人，博士，教授。研究領(lǐng)域：超聲加工技術(shù)、新能源制造。已發(fā)表論文30篇。