張得政，張 霞，楊 飛，何東成，劉 芮，蔡宗壽

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

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菌苞、木屑和煙稈顆粒燃料成型特性研究

張得政，張 霞，楊 飛，何東成，劉 芮，蔡宗壽

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明 650201)

壓力和溫度是影響生物質(zhì)顆粒燃料成型品質(zhì)的重要工藝參數(shù)。為此，在濕度12%、粉碎機(jī)篩眼直徑2mm、壓力4.5kN的條件下，研究溫度為80℃、90℃、100℃、110℃、120℃對(duì)菌苞、木屑和煙稈3種生物質(zhì)顆粒燃料成型品質(zhì)的影響；在濕度12%、粉碎機(jī)篩眼直徑2mm、溫度100℃的條件下，研究了壓力為1.5、3、4.5、6、7.5kN下對(duì)以上3種生物質(zhì)顆粒燃料成型品質(zhì)的影響；最后，通過對(duì)3種生物質(zhì)顆粒燃料成型后的密度與徑向抗壓力進(jìn)行對(duì)比分析，找到3種生物質(zhì)顆粒材料成型品質(zhì)達(dá)到最佳時(shí)所需的溫度和壓力，為不同生物質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)提供參考。

生物質(zhì)；壓力；溫度；密度；徑向抗壓力

0 引言

菌苞、木屑和煙稈都是農(nóng)業(yè)和林業(yè)生產(chǎn)中的廢料或副產(chǎn)品，有很大一部分都是直接就地燃燒和當(dāng)作廢棄物扔掉，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染[1-2]。2016年7月到云南省保山市保山煙草公司參觀，發(fā)現(xiàn)保山市的煤炭資源相對(duì)短缺，且絕大多數(shù)都是低熱值褐煤[3]，而本地?zé)煵莨颈镜刭Y源化利用采用生物質(zhì)顆粒來代替煤炭進(jìn)行烤煙是一個(gè)很新的思路。生物質(zhì)顆粒燃料要比直接燃燒更平穩(wěn)，且具有灰分低、燃燒后不易結(jié)渣、易運(yùn)輸和保存等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。本文選了菌苞、木屑和煙稈3種生物質(zhì)材料制備顆粒燃料，其平均熱值分別為13.405、17.722、18.663MJ/kg，可以到達(dá)煤炭的1/2左右，是煤炭很好的替代燃料，且基本無污染，并能提高烤煙的品質(zhì)。國內(nèi)外對(duì)木屑和秸稈等生物質(zhì)開展固化成型技術(shù)研究結(jié)果表明[7-9]：壓力和溫度是影響生物質(zhì)致密成型品質(zhì)的兩個(gè)重要參數(shù)。為此，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究菌苞、木屑和煙稈在同等濕度和粒徑等的條件下，不同壓力和溫度對(duì)其成型品質(zhì)的影響，并對(duì)3種材料成型后的顆粒密度和徑向抗壓力進(jìn)行對(duì)比分析，找到3種生物質(zhì)顆粒燃料成型品質(zhì)達(dá)到最佳時(shí)所需的溫度和壓力，為不同生物質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方案

1.1 材料收集

實(shí)驗(yàn)材料與2016年7月在保山市煙草公司取得，剛收集到的材料較為潮濕，放在干燥通風(fēng)的地方晾3周左右，待3種材料的濕度降低到20%以下后收集到實(shí)驗(yàn)室備用。

1.2 材料處理

將3種待處理的材料用篩眼直徑為2mm的錘片式粉碎機(jī)打碎，然后按照國家農(nóng)產(chǎn)品含水量測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 14095-2007)測(cè)量材料原始含水量。具體步驟是：把粉碎后的3種原材料分別稱重50g(W1)，放于質(zhì)量為40g的鋼盤中，放在烤箱中烘烤，溫度設(shè)定在105℃，烤8h，直到其質(zhì)量不再發(fā)生變化，記下此時(shí)的質(zhì)量(除去盤重)W2，用公式(1)計(jì)算出菌苞、木屑和煙稈的初始含水量，分別是15.4%、14.6%和11.8%。

(1)

式中M—初始含水量(%)；

W1—原料濕質(zhì)量(g)；

W2—原料干質(zhì)量(g)。

下一步是把3種材料的濕度根據(jù)公式(1)調(diào)節(jié)到12%，具體做法是：取3種材料分別為100g，放入烤箱中烤8h，到質(zhì)量不再發(fā)生變化，然后用噴壺加入定量的水，攪拌均勻，分別放入密封袋中放置24h，讓其混合均勻，以作備用[10]。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

圖1為生物質(zhì)顆粒燃料成型設(shè)備示意圖。菌苞、木屑和煙稈的成型均在此設(shè)備上完成，需要配合電子萬能試驗(yàn)機(jī)(CMT6104)，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過控制箱來控制溫度，電子萬能試驗(yàn)機(jī)連接電腦，通過PC機(jī)控制壓縮時(shí)的壓力。

1.底座 2.控制箱 3.溫度傳感器 4.加熱元件 5.沖模 6.沖頭

1.4 實(shí)驗(yàn)方案

待備用材料放在密封袋均勻混合24h后，分別取菌苞、木屑和煙稈顆粒100g，接通電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)和PC機(jī)及溫度控制箱的電源，調(diào)節(jié)溫度控制箱，使其溫度設(shè)定在100℃；通過電子天平(精確度0.1g)每次稱取1g左右的菌苞材料，之后調(diào)節(jié)PC機(jī)設(shè)置電子萬能試驗(yàn)機(jī)的壓力為1.5kN，把菌苞材料倒入壓縮腔內(nèi)，等溫度達(dá)到100℃時(shí)，點(diǎn)擊PC機(jī)上開始按鈕，使沖頭向下運(yùn)動(dòng)，開始工作；達(dá)到1.5kN時(shí)保載5s左右，手動(dòng)使沖頭上升到?jīng)_模之外，關(guān)掉溫度控制箱電源，取出壓縮的菌苞顆粒。用同樣方法依次設(shè)置PC機(jī)上的壓力值壓縮出3、4.5、6、7.5kN的菌苞顆粒，每個(gè)壓力水平的顆粒壓縮40粒，放入密封袋中以作備用；把PC機(jī)上的壓力設(shè)置為4.5kN,把控制箱的溫度設(shè)置為80℃，等溫度到達(dá)設(shè)定值時(shí)，把菌苞材料放入壓縮腔中，點(diǎn)擊PC機(jī)的開始按鈕進(jìn)行工作，當(dāng)壓力到達(dá)4.5kN時(shí)保載5s，手動(dòng)使沖頭上升到?jīng)_模外，取出菌苞顆粒，依此方法做出90、100、110、120℃的菌苞顆粒分別40粒，放入密封袋中備用。木屑和煙稈材料用同樣的方法，每種溫度值和壓力值水平各壓40粒封于密封袋中。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)比分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

菌苞在不同加工參數(shù)下，從每個(gè)水平的40粒顆粒中各隨機(jī)選出4粒，用來做實(shí)驗(yàn)測(cè)試。首先，用電子天平稱量每個(gè)顆粒的質(zhì)量m，用游標(biāo)卡尺測(cè)量其直徑和長度得到顆粒體積v，則密度為

(2)

其中，m為質(zhì)量(g)；v為體積(mm3)；ρ為密度(g/mm3)。

將隨機(jī)選取的各樣品4粒實(shí)驗(yàn)顆粒，分別依次平放在電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)下壓頭的中心位置，通過PC機(jī)控制上壓頭向下移動(dòng)壓縮顆粒，直到顆粒破碎時(shí)記下此時(shí)的壓力，即為徑向抗壓力。木屑和煙稈顆粒用等同菌苞的方法測(cè)試各樣品的密度和徑向抗壓力。根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)記錄得知[11-12]，生物質(zhì)顆粒燃料的密度和徑向抗壓力越大，其成型品質(zhì)就越好。測(cè)試結(jié)果如表1～表6所示。

表1 不同溫度下菌苞顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力測(cè)試結(jié)果

Table 1 The test results of bacteria bract particle density and radially compressing strength under different temperature

溫度/℃壓力/kN顆粒質(zhì)量/g顆粒長度/mm顆粒密度/kg·m-3徑向抗壓力/N80901001101204.51.015.971131.98628.221.016.671150.33702.371.016.371191.25798.781.016.471116.89580.921.015.901096.35563.85

表2 不同壓力下菌苞顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力測(cè)試結(jié)果

Table 2 The test results of bacteria bract particle density and radially compressing strength under different pressure

壓力/kN溫度/℃顆粒質(zhì)量/g顆粒長度/mm顆粒密度/kg·m-3徑向抗壓力/N1.53.04.56.07.51001.020.13859.09240.921.016.991033.87393.461.016.701191.25798.801.015.391248.71885.941.014.031214.79839.64

表3 不同溫度下木屑顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力測(cè)試結(jié)果

Table 3 The test results of sawdust particle density and radially compressing strength under different temperature

溫度/℃壓力/kN顆粒質(zhì)量/g顆粒長度/mm顆粒密度/kg·m-3徑向抗壓力/N80901001101204.51.019.45970.56671.001.019.24982.75710.161.019.801003.23847.121.018.721013.45933.121.018.93973.10886.13

表4 不同壓力下木屑顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力測(cè)試結(jié)果

Table 4 The test results of sawdust particle density and radially compressing strength under different pressure

壓力/kN溫度/℃顆粒質(zhì)量/g顆粒長度/mm顆粒密度/kg·m-3徑向抗壓力/N1.53.04.56.07.51001.025.71739.10424.691.020.24946.54771.591.019.801003.23847.121.017.771108.821004.741.017.801046.76962.58

表5 不同溫度下煙顆粒燃料料的顆粒密度和徑向抗壓力測(cè)試結(jié)果

Table 5 The test results of tobacco stalk particle density and radially compressing strength under different temperature

溫度/℃壓力/kN顆粒質(zhì)量/g顆粒長度/mm顆粒密度/kg·m-3徑向抗壓力/N80901001101204.51.017.561101.67660.981.016.781115.67685.311.017.311106.52745.761.017.481079.35679.411.017.401050.56631.01

表6 不同壓力下煙桿顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力測(cè)試結(jié)果

Table 6 The test results of tobacco stalk particle density and radially compressing strength under different pressure

壓力/kN溫度/℃顆粒質(zhì)量/g顆粒長度/mm顆粒密度/kg·m-3徑向抗壓力/N1.53.04.56.07.51001.021.22895.56319.771.018.281034.43631.491.017.311106.52745.761.016.361155.31833.351.015.791164.68961.89

以上數(shù)據(jù)均為在濕度12%、粉碎機(jī)篩眼直徑為2mm條件下測(cè)得的4粒顆粒樣品的平均值。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比與分析

為方便對(duì)3種原材料的成型品質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，把以上表中數(shù)據(jù)繪成折線圖。

2.2.1 溫度的影響

圖2、圖3分別為溫度對(duì)3種顆粒的顆粒密度和徑向抗壓力的影響。

圖2 溫度對(duì)3種顆粒成型后密度的影響

圖3 溫度對(duì)3種顆粒成型后徑向抗壓力的影響

由圖2可以看出：當(dāng)壓力為4.5kN、濕度為12%、粉碎機(jī)篩眼直徑為2mm時(shí)，隨著溫度的增加，煙稈顆粒的密度在溫度90℃時(shí)達(dá)到最大，為1 115.67kg/m3，所需溫度最低；溫度100℃時(shí)，菌苞顆粒的密度為1 191.25kg/m3，達(dá)到最大值；溫度到110℃時(shí)，木屑顆粒的密度為1 013.45kg/m3，達(dá)到最大值，所需溫度最高。隨溫度繼續(xù)增加，3種顆粒燃料的密度隨之減小。當(dāng)3種顆粒燃料的密度在隨溫度增加達(dá)到最大值時(shí)，菌苞顆粒的密度是最大的，煙稈顆粒次之，木屑顆粒的密度最小。由圖3可以看出：在壓力為4.5kN、濕度為12%、粉碎機(jī)篩眼直徑為2mm條件下，溫度增加到100℃，煙稈顆粒和菌苞顆粒的徑向抗壓力達(dá)到最大值，分別為745.76N和798.78N，所需溫度較低；溫度增加到110℃時(shí)，木屑顆粒的徑向抗壓力達(dá)到最大，為933.12N，所需溫度較高；隨著溫度的增加，3種顆粒燃料的徑向抗壓力隨之減小。當(dāng)3種顆粒燃料在徑向抗壓力達(dá)到最大值時(shí)，木屑顆粒最大，菌苞顆粒次之，煙稈顆粒最小。

2.2.2 壓力的影響

圖4、圖5分別為壓力對(duì)3種顆粒的顆粒密度和徑向抗壓力的影響。

圖4 壓力對(duì)3種顆粒成型后密度的影響

圖5 壓力對(duì)3種顆粒成型后徑向抗壓力的影響

由圖4可以看出：在溫度為100℃、濕度為12%、粉碎機(jī)篩眼直徑為2mm條件下，壓力增加到6kN時(shí)，菌苞顆粒和木屑顆粒達(dá)到最大值，分別為1 448.71kg/m3和1 108.82kg/m3；隨著壓力的增大，兩種顆粒燃料的密度隨之減小，而煙稈顆粒在壓力為7.5kN時(shí)為1 164.68kg/m3，還沒達(dá)最大值，需要繼續(xù)加壓，所需壓力條件較高。由圖5可看出：在溫度為100℃、濕度為12%、粉碎機(jī)篩眼直徑為2mm條件下，當(dāng)壓力增加到6kN時(shí)，菌苞顆粒和木屑顆粒的徑向抗壓力達(dá)到最大，分別為885.94N和1 004.74N；隨著壓力繼續(xù)增加，兩種顆粒燃料的徑向抗壓力隨之減小，煙稈顆粒在壓力為7.5kN時(shí)為961.89N，還沒達(dá)最大值，還需要繼續(xù)增加壓力。

3 結(jié)論

1)在其他條件相同的情況下，隨著溫度的增加，當(dāng)達(dá)到90℃時(shí)，煙稈顆粒密度率先達(dá)到最大值，為1 115.67kg/m3；當(dāng)溫度到達(dá)100℃時(shí)，菌苞顆粒的密度和徑向抗壓力達(dá)到最大值，分別為1 191.25kg/m3和798.78N，煙稈顆粒的徑向抗壓力也達(dá)到最大值為745.76N；當(dāng)溫度達(dá)到110℃時(shí)，木屑顆粒的密度和徑向抗壓力達(dá)到最大值，分別為1 013.45kg/m3和933.12N。

2)在其條件相同的情況下，隨著壓力的增加，達(dá)到6kN時(shí)，菌苞和木屑的密度及徑向抗壓力達(dá)到最大值，分別為1 248.71kg/m3、885.94N及1 108.82kg/m3、1 004.74N。煙稈顆粒在7.5kN時(shí)的密度和徑向抗壓力為1 164.68kg/m3和961.89N，還未達(dá)到最佳值，要讓煙稈顆粒的成型品質(zhì)達(dá)到最佳，壓力還需繼續(xù)增加。

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Study on the Forming Characteristics of the Particles Fuel in the Bacteria Bract, Sawdust and Tobacco Stalk

Zhang Dezheng, Zhang Xia, Yang Fei, He Dongcheng, Liu Rui ， Cai Zongshou

(College of mechanical and electrical engineering, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

Pressure and temperature are important parameters affecting the quality of biomass pellet fuel. In this paper 12% humidity mill mesh diameter 2mm, the pressure under the condition of 4.5kN, study the effects of different temperatures (80℃, 90℃, 100℃, 110℃, 120℃) on the molding quality of bacteria bract,sawdust andtobacco stalk biomass pellets. In 12% humidity, mill sieve diameter 2mm, temperature 100℃ conditions, study the effects of different pressures (1.5, 3, 4.5, 6, 7.5kN) on the molding quality of the above three kinds of biomass pellets. Finally, through the comparison of the density and the radial pressure of the three kinds of biomass pellet fuel, find temperature and pressure of the molding quality of the three kinds of biomass pellets to be the best, which could provide reference for the production of different biomass pellet fuels.

biomass ; pressure; temperature; density; radial anti pressure

2016-08-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51265051)；云南農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生科技創(chuàng)新項(xiàng)目(2015ykc37)；云南省煙草公司保山市公司、中國煙草總公司云南省公司科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016YN13)

張得政(1989-)，男，山東莒縣人，碩士研究生，(E-mail)978038306@qq.com。

蔡宗壽(1970-)，男，云南祿勸人，副教授，(E-mail)847433071@qq.com。

S126

A

1003-188X(2017)10-0241-05