錢曉亮，張 靜，鄭德聰，黃志杰

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山西 晉中 030801）

0 引言

為實現(xiàn)“碳達峰、碳中和”目標(biāo)，以農(nóng)作物秸稈壓縮成型制作固體燃料能有效解決能源短缺問題，減少秸稈露天焚燒，提高秸稈綜合利用率。向日葵在北方被廣泛種植，每年收獲后都會剩余大量秸稈[1]。將其制成固體燃料可提升燃料品質(zhì)，降低儲運成本，但生產(chǎn)后通常需經(jīng)6 個月的儲藏才可轉(zhuǎn)運至燃燒地。在此期間，需對儲藏環(huán)境進行嚴(yán)格把控以保證燃料不會出現(xiàn)霉變，而濕度會對燃料表面形貌、密度、全水分和磨損率產(chǎn)生影響[2]。

國內(nèi)外學(xué)者對其他固體燃料的成型及儲運進行了相關(guān)研究。謝祖琪等[3]監(jiān)測了麥稈捆的密度、含水率、芯部溫度和熱值等參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，麥稈捆在相對濕度較高的年份里，儲藏環(huán)境對絕對干熱值影響不顯著，能安全儲存并作能源利用。黃文等[4]認(rèn)為低溫低濕條件利于木薯干顆粒長期儲藏，編織袋包裝材料可減緩全水分增長，延長儲藏期。樊峰鳴等[5]以華北地區(qū)玉米秸稈和大豆秸稈為原料，研究了粒度、含水率等對燃料物理性能的影響，生產(chǎn)出了便于儲運的成型燃料。RENTIZELAS A A 等[6]認(rèn)為生物質(zhì)固體燃料可以在10%～15%較低全水分下大批量長期儲存。

本文在梁少雄[7]研究儲運條件的基礎(chǔ)上進一步探討向日葵秸稈的成型工藝、儲藏條件和運輸振動狀況3 個重要環(huán)節(jié)的參數(shù)要求，優(yōu)化向日葵秸稈成型工藝，得到向日葵秸稈固體燃料（簡稱燃料）的儲藏條件，確定最佳包裝材料及合理的振動頻率，為向日葵秸稈的綜合利用和儲運環(huán)境調(diào)控提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗準(zhǔn)備

向日葵秸稈用睿核TQ-1000Y 型粉碎機進行粉碎并篩分出粒徑范圍在0.16～0.63、＞0.63～1.25 和＞1.25～2.50 mm 的試驗原料，密封烘干至恒定質(zhì)量。運輸和儲藏所用成型燃料為山西農(nóng)業(yè)大學(xué)自研的11JP-6 型生物質(zhì)顆粒燃料成型機壓縮成型，其成型工藝參數(shù)為含水率4%～8%、溫度130～150 °C，壓力80～100 MPa，粒徑0.16～0.63 mm。成型燃料尺寸為直徑6 mm，長（22.5±7.5）mm。

1.2 試驗方法

1.2.1 成型試驗方法

稱取一定量的干燥向日葵秸稈顆粒裝入自封袋中滴加定量純凈水后充分混合均勻，每次試驗取10 g 加入孔徑40 mm 的筒狀模具中，并在模具外包裹陶瓷加熱圈，調(diào)節(jié)XMTD 型數(shù)顯調(diào)節(jié)儀至試驗溫度后，停止加熱，并在YP-20TB 型油壓式粉末壓片機上以設(shè)計壓力進行加壓成型。保壓3 min 后取出成型燃料，用游標(biāo)卡尺測量3 次燃料厚度和直徑取平均值，稱量其質(zhì)量計算密度后，裝入自封袋中備用。

1.2.2 儲藏試驗方法

試驗以表面形貌、密度、全水分和磨損率為評價指標(biāo)。試驗稱取約30 g 成型燃料置于HSP-80B 型恒溫恒濕培養(yǎng)箱內(nèi)并設(shè)定相應(yīng)的溫度和相對濕度。儲藏時間為30 d。對儲藏前后的成型燃料進行密度（直徑、長度、質(zhì)量）、全水分和磨損率3 項物理指標(biāo)的測定，通過改變儲藏環(huán)境濕度進行單因素試驗考察燃料密度、全水分和磨損率在儲藏過程中的變化，在環(huán)境溫度25 °C 時分別設(shè)定相對濕度為40%、50%、60%、70%、80%和90% RH。

1.2.3 運輸試驗方法

運輸試驗主要考量成型燃料對運輸環(huán)境的適應(yīng)性及包裝的可靠性[8-10]。運輸試驗常用現(xiàn)場跑車或機械振動臺模擬進行，前者試驗重現(xiàn)率較低、不能采用加速試驗且試驗成本較高，后者可以通過提高振動量值來壓縮試驗時間，并且其試驗成本較低[11-12]。運輸振動是寬帶隨機振動[13]。因振動瞬時值服從高斯分布，故根據(jù)振動信號的幅值概率密度函數(shù)、自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度函數(shù)3 個特征函數(shù)即可描述該振動。

自相關(guān)函數(shù)描述隨機過程的時域特性，功率譜密度函數(shù)描述隨機過程的頻域特性，由維納—辛欽定理，功率譜密度函數(shù)與自相關(guān)函數(shù)是一傅里葉變換對，如式（1）所示[14]。

當(dāng)兩個寬帶隨機振動具有相同的幅值概率密度函數(shù)，在正態(tài)隨機振動模擬中即可認(rèn)定兩者等效[15]。試驗采用的模擬運輸振動臺需產(chǎn)生能滿足高斯分布的帶寬隨機振動，并且功率譜和振動量值相同，即可模擬汽車運輸振動。

試驗依據(jù)ASTM D 4728、ASTM D 999 及GB/T 4857 標(biāo)準(zhǔn)[16-19]。選用LBT-5024 型模擬汽車運輸振動臺，其頻率為1.5～5.0 Hz，振幅為25.4 mm，采用回轉(zhuǎn)振動方式，可模擬車速為25～40 km/h。試驗依據(jù)式（2）計算速度選擇方式，總振動次數(shù)14 200 次。

2 成型工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1 數(shù)據(jù)分析

田口方法是一種有效的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計方法，試驗成本低、效益高，正交表和信噪比則是其重要工具[20]。采用L9（34）4 因素3 水平正交表，含水率水平為6%、9%、12 %，溫度水平為80、110、140 °C，壓力水平為60、90、120 MPa，粒徑水平為0.16～0.63、＞0.63～1.25、＞1.25～2.50 mm。密度的信噪比符合望大特性，其計算如式（4）所示，試驗結(jié)果和信噪比（VSNR）如表1 所示。

由表1 可知，9 組正交試驗中R5的信噪比最大為0.520，相比于R7、R8和R9可知，較高的含水率不利于燃料成型。少量水分會在燃料壓縮過程中與物料內(nèi)糖類和果膠質(zhì)結(jié)合成膠狀物，促進顆粒間的黏結(jié)；也會加強熱傳導(dǎo)，加快木質(zhì)素軟化提高黏結(jié)性；同時也會在顆粒間形成較高的范德華力和較強的氫鍵[21]。然而，過高的水分會在高溫作用下形成水蒸氣，在燃料內(nèi)形成較高的內(nèi)應(yīng)力，在脫模時會因水蒸氣壓力造成燃料開裂甚至是“放炮”現(xiàn)象[22]。

從本文所得出的多元線性回歸模型中我們可以發(fā)現(xiàn)，河南省人口老齡化與城鎮(zhèn)化率、老齡人口撫養(yǎng)比和衛(wèi)生機構(gòu)數(shù)量高度相關(guān)。

4 因素3 水平正交試驗的比效應(yīng)值如表2 所示，4個因素比效應(yīng)最大值分別為—0.463、—0.303、—0.203、0.024，對應(yīng)最優(yōu)因素/水平組合為A/0、B/0、C/1、D/—1，即固體燃料的最佳工藝參數(shù)組合為含水率9%、溫度110 °C、壓力120 MPa、粒徑0.16～0.63 mm。

表2 比效應(yīng)值Tab.2 Ratio effect value

2.2 方差分析

將表1 中數(shù)據(jù)導(dǎo)入SAS 軟件中進行方差分析，分析含水率、溫度、壓力及粒徑對燃料密度的影響，其結(jié)果如表3 所示。分析表明，向日葵秸稈固體燃料成型過程中各工藝參數(shù)對密度貢獻率分別為含水率59.26%、溫度1.59%、壓力32.96%、粒徑0.59%，其中誤差貢獻率為5.6%。含水率和壓力P值均＜0.01，對成型燃料密度影響極其顯著；溫度P值＜0.05，對成型燃料密度影響顯著；粒徑P值＞0.05，對成型燃料密度影響不顯著。

表1 燃料成型試驗結(jié)果及其信噪比Tab.1 Fuel molding test results and signal-to-noise ratio

表3 方差分析結(jié)果Tab.3 ANOVA results

3 儲藏試驗結(jié)果與分析

3.1 燃料表面形貌

燃料在儲藏30 d 后，在相對濕度40%～60% RH時，燃料表面光滑無裂紋，體積狀態(tài)良好。在相對濕度70%～80% RH 時，燃料表面粗糙，體積略有膨脹，顏色略微增暗。在相對濕度90% RH 時，燃料表面附著大量霉菌，顆粒粗糙，顏色暗淡，體積漲大。

3.2 燃料密度

因成型燃料密度的不確定性，每組試驗重復(fù)5 次取平均值，結(jié)果如圖1 所示。在同等溫度下，相對濕度的增加導(dǎo)致了燃料密度小幅增長后大幅度降低，相對濕度低于50% RH 時，燃料與環(huán)境濕度達到平衡后能吸收環(huán)境中的水分而體積尚未膨脹，故而出現(xiàn)小幅度的密度增長。隨著相對濕度的升高，燃料吸收大量水分，體積大幅膨脹甚至是脹裂，密度大幅下降，燃料品質(zhì)下降。因此，為保證燃料密度的穩(wěn)定性，適宜的儲藏濕度＜ 60% RH。

圖1 儲藏環(huán)境對密度差值的影響Fig.1 Influence of storage environment on density difference

3.3 燃料全水分

全水分指燃料達到空氣干燥時保持的水分和燃料在與周圍濕度平衡時所丟失的水分之和，以及內(nèi)在水分與外在水分之和，其計算如式（6）所示。

m4—干燥前參照盤質(zhì)量（室溫稱量），g

m5—干燥后參照盤質(zhì)量（熱態(tài)稱量），g

m6—包裝內(nèi)水分質(zhì)量，g

圖2 儲藏環(huán)境對全水分差值的影響Fig.2 Influence of storage environment on total moisture difference

3.4 燃料磨損率

燃料磨損率是對燃料粘結(jié)程度的表征，是評價燃料儲藏運輸過程中因非人為因素造成質(zhì)量缺損的指標(biāo)。依照歐盟標(biāo)準(zhǔn)CEN/TS 15210-2 進行儲藏前后燃料磨損率的測定，其結(jié)果如圖3 所示。環(huán)境濕度對燃料磨損率影響極大，相對濕度40% RH 和90% RH 的兩組試驗分別對應(yīng)磨損率的最高點97.52%和最低點70.65%，兩者相差26.87 個百分點。NY/T 2909—2016 中將生物質(zhì)燃料磨損率分為3 級，第1 級＞97.5%，只有相對濕度＜ 40% RH 時滿足此要求；第2 級＞95%，此時相對濕度＜60% RH；第3 級＞90 %，相 對 濕 度＞70% RH[24]。故在燃料儲藏過程中應(yīng)始終保持相對濕度＜70% RH，才可使燃料磨損率符合使用要求。

圖3 儲藏環(huán)境對磨損率的影響Fig.3 Influence of storage environment on wear rate

4 運輸試驗分析

分別試驗蛇皮袋、紙箱、木箱和鐵皮箱4 種包裝方式下向日葵秸稈固體燃料承受運輸振動的能力。如圖4 所示，記錄成型燃料在不同試驗速度下各包裝方式模擬運輸振動前后的質(zhì)量，并計算其差值記為質(zhì)量缺損（g）。

圖4 包裝材料對燃料質(zhì)量缺損的影響Fig.4 Effect of packaging materials on fuel quality defects

偏心軸轉(zhuǎn)速120、150、180、210 r/min 分別對應(yīng)頻率2.0、2.5、3.0 和3.5 Hz，在2 Hz 振動頻率下燃料質(zhì)量缺損最低，分別為2.59、7.07、3.38 和0.27 g，而在2.5 Hz 頻率時質(zhì)量缺損最高。試驗中鐵皮箱在不同試驗速度下均能保持較低的質(zhì)量缺損，而紙箱包裝的燃料受試驗速度影響較大，發(fā)生了較多的質(zhì)量缺損。

向日葵秸稈固體燃料在鐵皮箱包裝下以2 Hz 即偏心軸轉(zhuǎn)速120 r/min 運輸時能保持較低的質(zhì)量缺損。從燃料運輸過程中質(zhì)量缺損情況來看，包裝材料的選擇順序為鐵皮箱＞木箱＞蛇皮袋＞紙箱。

5 結(jié)束語

以向日葵秸稈為原料，研究秸稈成型、儲藏和運輸3 個重要環(huán)節(jié)中影響燃料品質(zhì)的因素，以成型后密度為衡量標(biāo)準(zhǔn)進行成型工藝優(yōu)化，以環(huán)境濕度為變量研究燃料表面形貌、密度、全水分及磨損率的變化情況，試驗研究了蛇皮袋、紙箱、木箱和鐵皮箱4 種包裝方式對燃料運輸過程中質(zhì)量缺損的影響。正交試驗表明，向日葵秸稈固體燃料成型最佳工藝參數(shù)是含水率9%、溫 度110 °C、壓 力120 MPa、粒 徑0.16～0.63 mm。儲藏試驗表明，要求環(huán)境濕度＜60% RH，因此在年均濕度40%～60% RH 的北方地區(qū)，成型燃料能存儲較長時間。運輸過程中用鐵皮箱包裝并以偏心軸轉(zhuǎn)速120 r/min 運輸能保持較低的質(zhì)量缺損。