馬愛純，陳宗威，歐儉平，魏永春

（中南大學能源科學與工程學院，長沙 410083）

木屑顆粒燃料冷態(tài)壓縮成型參數(shù)試驗研究*

馬愛純，陳宗威?，歐儉平，魏永春

（中南大學能源科學與工程學院，長沙 410083）

對杉木屑進行不同成型直徑、含水率及壓縮速度條件下的冷態(tài)壓縮成型試驗，分析多個影響因素對木屑成型試樣的松弛密度、抗壓強度及比能耗的影響。通過單因素影響試驗分析表明，在含水率為16%和成型直徑為10～12 mm時能獲得較好的成型參數(shù)，壓縮速度為40 mm/min時，可獲得較大的松弛密度和抗壓強度，但比能耗相對較大。通過設(shè)計三因素三水平正交試驗，運用多指標綜合加權(quán)評分法對試驗結(jié)果進行分析，權(quán)重系數(shù)綜合考慮松弛密度、抗壓強度和比能耗的重要與次要程度，結(jié)果表明：木屑最佳成型因素水平組合為成型直徑10 mm、含水率16%、壓縮速度40 mm/min，此時木屑試樣松弛密度、抗壓強度和比能耗分別為0.91 g/cm3、315 N和30.20 J/g，綜合加權(quán)評分值最高。

杉木屑；壓縮成型；松弛密度；抗壓強度；比能耗；正交試驗

0 引 言

生物質(zhì)成型燃料具有體積小，密度大，儲運方便，燃燒持續(xù)穩(wěn)定、周期長、燃燒效率高等優(yōu)點[1]。生物質(zhì)成型燃料多種多樣，其中木屑成型燃料屬于應用較廣的生物質(zhì)成型燃料之一。成型技術(shù)按成型工藝主要分為冷壓成型、熱壓成型和碳化成型，其中冷壓成型是生物質(zhì)能重要的利用技術(shù)之一，也是其他利用方式的基礎(chǔ)[2]。由于影響生物質(zhì)成型效果的因素繁多，如何選取最佳成型條件對生物質(zhì)成型效果至關(guān)重要，對此，各國學者們開展了大量的研究[3-13]。董磊等[9]對影響木屑成型的主要因素（含水率）進行了分析和試驗，并通過成型試驗發(fā)現(xiàn)最佳含水率為0.15～0.18。胡建軍等[2]對秸稈顆粒進行了成型試驗研究，研究發(fā)現(xiàn)壓縮速度取值40 mm/min可達到最佳成型參數(shù)。國內(nèi)外研究主要集中于木屑原料粒度大小、含水率、壓力大小、壓縮速度等對成型松弛密度、抗壓性、抗跌碎性、抗?jié)B水性等的影響，對于生物質(zhì)成型時比能耗研究較少。生物質(zhì)成型燃料的經(jīng)濟指標包括能源成本、加工費用、銷售收入等方面，比能耗是指生物質(zhì)壓縮成型時能耗的大?。茨芎臄?shù)值與質(zhì)量之比），影響著經(jīng)濟指標中的加工費用環(huán)節(jié)，是評價生物質(zhì)壓縮成型成本的重要指標之一。本文加入成型比能耗作為評價指標之一，選取成型直徑、含水率及壓縮速度作為影響參數(shù)，研究其對杉木屑的松弛密度、抗壓強度及比能耗的影響規(guī)律。

1 試驗設(shè)備及方法

1.1 試驗材料及設(shè)備

采用FN101-2型鼓風干燥箱（控溫范圍0℃～300℃，連續(xù)可調(diào)）將木屑原料加熱至103 ± 2℃進行烘干，計算出初始含水率，然后運用干燥箱和小噴壺將含水率調(diào)配至12%、16%、18%三個水平，分別用密封袋封存好備用。加壓設(shè)備為CSS-88100型萬能試驗機，液壓驅(qū)動，壓縮速度可調(diào)，試驗機連接計算機設(shè)備，可自動采集壓力、位移等參數(shù)。其余設(shè)備包括：直徑為10 mm、12 mm、14 mm的成型模具；BL-2200H型電子稱，最小讀數(shù)為0.01 g；游標卡尺，精度為0.01 mm。壓縮試驗裝置圖和示意圖分別如圖1和圖2所示。

圖1 壓縮試驗裝置圖Fig. 1 Equipment of compression experiment

圖2 壓縮試驗示意圖Fig. 2 Diagram of compression experiment

1.2 試驗方法

試驗時，將預先配備好含水率的木屑加入到模具中，用壓桿搗實，放入到壓力機下進行壓縮，根據(jù)調(diào)試，試驗壓縮位移和壓力的范圍分別為44～47.5 mm和15～30 kN時能保證木屑較好成型。試驗開始時將數(shù)據(jù)設(shè)定好，當壓力達到設(shè)定值時停止試驗，保持3～5 min后將壓縮好的木屑成型試樣取出，試驗成型模具和成型試樣如圖3所示。將成型好的成型試樣自然風干24 h，然后在壓力機上進行抗壓試驗，得出抗壓曲線。每組試驗重復5次，結(jié)果取平均值。

圖3 試驗模具與成型試樣Fig. 3 The test mold and molded samples

1.3 評價指標的確定

試驗評價指標有松弛密度、抗壓強度和比能耗。首先將自然風干24 h后的成型試樣測量其質(zhì)量及體積算出松弛密度，計算公式如式（1）。

式中，ρ為松弛密度，g/cm3；m為成型試樣質(zhì)量，g；d為成型直徑，cm；L為成型試樣長度，cm。然后在抗壓試驗中選取成型試樣破碎時的壓力值作為抗壓強度（P，N）指標。最后，運用Matlab數(shù)據(jù)處理軟件對各壓縮成型曲線進行擬合，擬合出壓縮位移（x，m）與壓縮壓力（F，kN）的關(guān)系函數(shù)，積分求出對應能耗大小，求出每次試驗的比能耗（E，J/g），其計算公式如式（2）所示。

2 單因素影響試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗方案

將成型直徑、含水率及壓縮速度作為試驗因素，分別記為A、B、C，各因素取三個水平，選取成型直徑10 mm、含水率16%、壓縮速度20 mm/min為基準值進行單因素影響試驗，試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案Table 1 Test program

2.2 含水率的影響試驗

不同含水率壓縮成型時壓力和位移的關(guān)系曲線和對應的抗壓試驗曲線分別如圖4和圖5所示。圖中10-12-20表示成型直徑為10 mm，含水率為12%，壓縮速度為20 mm/min，其余表示類似。由圖4壓縮成型曲線可知，不同條件下木屑成型曲線基本類似。當壓縮位移為0～30 mm時，壓力幾乎無明顯變化，且接近于0（圖略），此為松散階段，當壓縮量大于30 mm時，隨著壓縮位移的增大壓力呈指數(shù)型增長，此為過渡階段，壓力增長逐漸明顯。在壓緊階段，物料開始發(fā)生塑性變形，粒子間更加緊密接觸互相嚙合，此時微小的壓縮量即需很大的壓力。由圖還可看出，含水率越高達到相同壓縮位移時所需壓力越大，在壓緊階段尤為明顯，說明此時過高的含水已經(jīng)成為粒子間相互結(jié)合的阻礙，試驗中還發(fā)現(xiàn)當含水率為20%時，木屑難以成型或成型后極易松散。

從圖5抗壓曲線可知，隨著壓力的增加壓縮位移逐漸增加，達到某個極限壓力時，試樣破碎，此時壓力略有減小，隨后較小的壓力增加能導致較大的壓縮位移。10-12-20和10-16-20成型試樣在壓力分別約為190 N和220 N時發(fā)生破碎，10-18-20抗壓曲線圖中成型試樣破碎點不明顯，根據(jù)試驗觀測得知發(fā)生破碎瞬間的壓力值為160 N。

圖4 不同含水率時壓縮成型曲線Fig. 4 Compression molding curve with different moisture contents

圖5 不同含水率時抗壓曲線Fig. 5 Compression curve with different moisture contents

通過對曲線的擬合，發(fā)現(xiàn)壓縮成型時壓力和位移關(guān)系曲線符合指數(shù)規(guī)律，其表達式為：

其中，a、b、c、d為試驗系數(shù)，將擬合后的關(guān)系式代入式（2）中求出比能耗。三個評價指標值匯總?cè)绫?所示，由表可知，含水率為16%時木屑成型試樣松弛密度最大，抗壓能力最好，比能耗也最小，三個指標均達到最優(yōu)。含水率為18%時，密度最小，抗壓能力也最差，比能耗也較高，所以含水率取值不宜超過18%，而含水率為12%時，比能耗最大，密度和抗壓能力與含水率為16%相比也略有下降。所以含水率取值在16%時成型參數(shù)最佳。

表2 不同含水率試樣成型參數(shù)Table 2 Molding parameters with different moisture content

2.3 成型直徑的影響試驗

不同成型直徑時壓力和位移關(guān)系曲線及對應的抗壓試驗曲線分別如圖6和圖7所示。

圖6 不同成型直徑時壓縮成型曲線Fig. 6 Compression molding curve with different molding diameters

圖7 不同成型直徑時抗壓曲線Fig. 7 Compression curve with different molding diameters

由圖6可觀察到，在壓縮位移約為45 mm之前，直徑越大，獲得相同的壓縮位移所需壓力也越大，但壓縮45 mm之后，成型直徑越小的壓力隨位移變化增速越快，此時在相同的壓縮位移時直徑越小所需壓力反而越大，說明直徑越小，木屑顆粒間緊湊的速度也越快，壓力變化增速也就越快。

圖7顯示三條曲線破碎點明顯。各成型試樣抗壓強度、松弛密度及比能耗結(jié)果如表3所示，由表3可知，抗壓能力隨著成型直徑的增大而減小，木屑成型試樣松弛密度受成型直徑的影響不大，三種成型直徑下松弛密度相差不大。而比能耗則隨著成型直徑的增大逐漸增大，所以試樣成型直徑為10～12 mm時能獲得較好的成型參數(shù)。

表3 不同成型直徑試樣成型參數(shù)Table 3 Molding parameters with different molding diameters

2.4 壓縮速度的影響試驗

不同壓縮速度時壓力和位移關(guān)系曲線及對應的抗壓試驗曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8 不同壓縮速度時壓縮成型曲線Fig. 8 Compression molding curve with different compression speeds

圖9 不同壓縮速度時抗壓曲線Fig. 9 Compression curve with different compression speeds

由圖8可知，過渡階段三條曲線基本重合，在壓緊階段達到相同壓縮位移時，壓縮速度為60 mm/min時所需的壓力最大，40 mm/min時最小。從圖9可知，10-16-20和10-16-40成型試樣破碎點明顯，而10-16-60破碎點不明顯。各成型試樣抗壓強度、松弛密度及比能耗結(jié)果如表4所示。由表4可知，木屑成型試樣在壓縮速度為40 mm/min時抗壓能力最好，松弛密度最大，但對應的比能耗也最大。

表4 不同壓縮速度試樣成型參數(shù)Table 4 Molding parameters with different compression speed

綜上，含水率、成型直徑和壓縮速度對木屑成型試樣的松弛密度、抗壓強度、比能耗的影響規(guī)律較為復雜，需要進一步分析。

3 正交試驗結(jié)果及分析

為找出木屑成型參數(shù)的最優(yōu)組合，設(shè)計三因素三水平正交試驗。為確定試驗最優(yōu)水平組合，運用綜合加權(quán)平均法對多指標試驗結(jié)果進行處理[14]。參考北京市地方標準對于生物質(zhì)成型燃料的成型指標的重要與次重要程度進行區(qū)分[15]，確定各項權(quán)重為：松弛密度0.40，抗壓強度0.40，比能耗0.20。試驗以評分值越大越好為準則，松弛密度、抗壓強度的觀測值即為試驗值，比能耗觀測值為比能耗指標中最大值與試驗值之差。

第g號試驗條件綜合加權(quán)評分值Yg*按式（4）進行計算。

式中，Wk為權(quán)重系數(shù)，（Yg）'k為第g號試驗k項試驗指標的無量綱評分值，按式（5）進行計算：

式中，（Yg）k為第g號試驗k項試驗指標觀測值，（Ymax）k和（Ymin）k分別表示第k項試驗指標中最大值和最小值。

計算得出正交試驗結(jié)果及分析分別如表5和表6所示。

表5中列出了各因素對應的3個水平的松弛密度、抗壓強度、比能耗和綜合加權(quán)評分值。表6列出了各因素的極差、影響因素主次順序及綜合加權(quán)評分值分析結(jié)果。由表6可知影響木屑成型試樣松弛密度因素主次順序為含水率、成型直徑、壓縮速度，其最優(yōu)水平為B2A1C2；影響抗壓強度因素主次順序為壓縮速度、含水率、成型直徑，其最優(yōu)水平為C2B2A1；影響比能耗因素主次順序為壓縮速度、含水率、成型直徑，其最優(yōu)水平為C1B2A1。由綜合加權(quán)評分值分析可知，綜合考慮三個試驗評價指標，最優(yōu)組合為B2C2A1，即表5中試驗2號，成型直徑10 mm、含水率16%、壓縮速度40 mm/min，此時木屑試樣松弛密度達到最大0.91 g/cm3，抗壓強度達到最大315 N，比能耗接近最小30.20 J/g，綜合加權(quán)評分值最高。本研究得到的最佳含水率為16%，與文獻[9]的最優(yōu)含水率范圍15%～18%基本一致，最佳壓縮速度40 mm/min，也與文獻[2]結(jié)論一致。

表5 正交試驗結(jié)果Table 5 Results of orthogonal tests

表6 正交試驗結(jié)果分析Table 6 Analysis of orthogonal tests results

4 結(jié) 論

（1）單因素影響試驗發(fā)現(xiàn)，含水率為16%時成型參數(shù)最佳，成型直徑為10～12 mm時能獲得較好的成型參數(shù)，壓縮速度為40 mm/min時，可獲得非常大的松弛密度和抗壓強度，但比能耗相對較大。

（2）正交試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，綜合考慮松弛密度、抗壓強度及比能耗，運用多指標綜合加權(quán)評分法分析，最優(yōu)水平組合為成型直徑10 mm、含水率16%、壓縮速度40 mm/min，此時木屑試樣松弛密度為0.91 g/cm3，抗壓強度為315 N，比能耗為30.20 J/g，綜合加權(quán)評分值最高。

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Experimental Study on the Molding Properties of Cold Compress Molding for Sawdust Pellet Fuel

MA Ai-chun,CHEN Zong-wei,OU Jian-ping,WEI Yong-chun
(School of Energy Science and Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)

A cold compression molding experiment for the sawdust of cedarwood was conducted. The influences of different molding diameter,moisture content and compression speed on the relaxation density,compressive strength and energy consumption per unit mass of the molded samples were analyzed. It shows that the three molding properties are reasonable when the moisture content is 16% and the molding diameter is 10～12 mm. When the compression speed is 40 mm/min,large relaxation density and compressive strength can be obtained,though the energy consumption per unit mass is relatively higher. An orthogonal experiment of 3 factors with 3 levels was conducted. The multi-index synthetic weighted mark method is adopted to analyze the experimental results,in which the weight coefficients are determined according to the significance. It shows that the optimal scheme is as followed: molding diameter of 10 mm,moisture content of 16% and compression speed of 40 mm/min,while the relaxation density,compressive strength and energy consumption per unit mass of the product are 0.91 g/cm3,315 N and 30.20 J/g respectively and the synthetic weighted mark is the highest.

cedarwood sawdust; compression molding; relaxation density; compressive strength; energy consumption per unit mass; orthogonal experiment

TK6；S216.2

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.01.002

2095-560X（2015）01-0007-07

馬愛純（1973-），女，博士，副教授，主要從事冶金、化工等領(lǐng)域的燃燒及新能源的利用研究。

2014-11-17

2014-11-26

? 通信作者：陳宗威，E-mail：939383629@qq.com

陳宗威（1989-），男，碩士研究生，從事能源利用轉(zhuǎn)化、燃燒仿真等方面的研究。