第5章  生物質秸稈致密成型試驗研究
5.1成型塊質量的評價
    秸稈顆粒燃料致密成型后品質的好或者差主要是看成型塊的密度以及其燃燒熱值。最重要質量特性是成型塊的密度，它直接決定了成型塊的熱值、強度和運輸要求。
    生物質成型塊的塊物理特性的重要指標一般包括壓塊的松弛密度和耐久性。對于常溫壓縮致密成型來說，成型塊的物理特性受生物質原料尺寸大小、擠壓的方式、成型壓力的大小、物料的含水率、模具的幾何形狀、原料物理特性等眾多因素的影響。
    松弛密度是生物質秸稈壓縮致密成型后在干燥的環境中放置一段時間后的最終密度。它對生物質成型塊的耐久性有重大的影響，密度大的生物質成型塊，它的耐久性大。生物質成型塊的耐久性也反映了生物質原料之間的粘結性能，耐久性好的成型塊強度高、儲存和運輸性能也好。
    生物質壓塊的松弛密度比剛壓出成型的壓塊密度小，我們同常用松弛比描述成型塊的密度。即初始的成型密度與最終成型的密度的比值。可以表示為：
    A=p₀/p
式中，Po-初始成型密度（剛從壓塊機擠出成型的密度）；
      p-最終成型密度（成型塊在干燥環境中放置一段時間的密度）。
    目前國內外對生物質的質量評價還沒有統一的標準。國內對生物質致密成型研究主要考察的是成型塊的最終成型密度、強度以及運輸性能等，對其它性能方面的研究很少，比如成型塊的耐久性，燃燒熱值等。
5.2試驗目標
    秸稈致密成型后，需對成型塊進行質量檢測分析，確定成型塊是否滿足運輸、貯藏和搬運等使用要求。對秸稈致密成型影響最大的是秸稈的物料特性和成型的工藝變量。物料特性變量主要包括秸稈的尺寸、含水率等；工藝變量主要包括成型機的機型、溫度、所施加的壓力等。對于一臺設計好的成型機，原料的含水率、施加壓力及溫度是影響生物質致密成型的主要影響因素。本文采用自制的模具進行試驗研究，主要考慮秸稈的尺寸、含水率以及成型壓力對秸稈致密成型的影響。
    分別改變秸稈原料的含水率、原料尺寸、成型壓力等因素，以玉米秸稈為原料進行致密成型試驗。對比試驗結果，找出成型效果較好的各種因素的最佳值。為生物質秸稈致密成型過程提供工藝參數，增強成型塊的物理品質，提高成型塊的致密成型率。
秸稈生物質燃料致密成型流程如圖5-1所示。

5.3試驗材料和試驗方法
5.3.1  試驗材料
    1)不同尺寸原料的制備
    用粉碎的方法制備不同尺寸的秸稈原料。粉碎是用工具將固體物質由大塊碎裂成小塊過程。傳統的粉碎設備分為破碎機械和粉磨機械，它是根據粉碎成品的尺寸大小分類的。破碎機械是能將一半以上的物料粉碎到尺寸大于3mm的機器：粉末機械是能將一半以上的物料粉碎到尺寸小于3mm的機器。破碎機械根據用途和結構可分：鄂式破碎機、圓錐式破碎機、錘片式破碎機等。
    生物質秸稈類粉碎多用錘片式粉碎機。將粉碎過的玉米秸稈分級，得到小于
10mm，10~20mm，20—30mm三種不同尺寸的試驗原料。
    2)不同含水率的原料制備
    原料含水率是秸稈致密成型中的一個重要影響因素。原料的含水率過高或過低都不能使產品很好的成型。原料含水率太低時，物料比較干燥，物料與成型模具之間以及物料與物料之間的摩擦力增大，雖然溫度升高，木質素軟化，但是水分太少不能促進木質素塑化和物料之間的粘結，致密成型很困難，而且能耗較大。含水率過高，成型率低，且容易產生放炮現象，造成事故。國內外目前都是根據實際的生產情況依據經驗選取物料的含水率，沒有具體的含水率規范。
    ①含水率的計算
    含水率有兩種表示方法，絕對含水率和相對含水率。
借鑒木材含水率的計算公式，計算玉米秸稈原料中所含水分質量比，絕對含水率用木材所含水分的質量除以絕干木材質量的比值。
玉米秸稈的絕對含水率是指玉米秸稈所含水分的質量占絕干秸稈質量的百分率，表達式為：
   W=（G-G₀）/G₀*100%
  式中：G₀-絕干質量，g
       G-濕物料質量，g
       w—絕對含水率，%
      玉米秸稈的相對含水率的測定方法是，它所含水分的質量占總的濕秸稈質量的百分率，表達式為：
       W - (G -Go)/G x100%
    本文選用絕對含水率計算。
    ②含水率的測定
    生物質秸稈含水率常用電測法和干燥法測定。
    電測法是用含水率測量儀器進行直接讀數。
    干燥方法是采用測量方法準確度較高的爐干法。在不同尺寸秸稈原料中分別取出一定質量作為樣本，并稱其重量記錄下來G(儀器為FA2004N型電子天平，精度為0.001g)，將樣本物料放入搪瓷盤里，然后再放入101-2型電熱鼓風干燥箱進行烘干，將干燥溫度定為105±2℃，分時間段進行干燥，第一次烘干時間為3小時，主要是看看烘干效果，取出后稱量樣品的重量，記錄下數據，計算所蒸發掉的水分，然后放回烘干箱繼續進行干燥，直至被稱量樣品的重量前后兩次相差不到0.002g時，看作質量達到恒重，干燥結束，記錄晟終重量Gq。用公式(5-2)計算得出含水率值。
    本文選用干燥法測定含水率。將不同尺寸的秸稈試驗原料分成三份，然后從中取出一定量進行干燥，根據失去水分的多少計算出原料的含水率。本試驗采用玉米秸稈作為原料，在河北科技大學工程訓練中心力學試驗室萬能拉伸壓縮試驗機上進行試驗研究。試驗原料取自石家莊周邊農田本年度收割成熟玉米秸稈，去除根部，自然風干至含水率10～20%。采用微型粉碎機對原料進行粉碎，清除物料里的雜質，然后將物料在101-2型電熱鼓風干燥箱105℃條件下干燥，然后分別封存。待物料溫度降至室溫時，分別進行配水試驗，通過計算每次加水量t，使原料含水率分別控制在5%、6.8%、10%、13%、15%、18%、20%、25%和30%，然后按照物料尺寸及含水率分別封存于寫有標記的白色塑料袋里。
5-3.2  試驗裝置
    試驗中包括的試驗儀器和設備包括：
液壓萬能試驗機如圖5-2所示；101-2型電熱鼓風干燥箱如圖5-3所示；游標卡尺；天平；噴水器；自制成型模具如圖5-4所示等。

    烘干機為101-2型電熱鼓風干燥箱，如圖5-3所示，其工作溫度范圍為50～300℃。烘干器皿為350x230x50mm的搪瓷盤，物料均勻鋪開，以達到最優的烘干效果。由于秸稈顆粒較細小，應把鼓風調為最低，以免顆粒被吹出，造成質量流失。

5.3.3試驗程序
    本次試驗設計的模具為外徑45mm，內徑30mm的圓筒形模具。試驗前，用天平稱出物料的質量，之后向模具內填充物料，同時壓實物料直至物料充滿模具，并使物料起始厚度一定^。根據試驗情況設定不同的壓力P，然后進行壓縮試驗，記錄每次壓桿位移s和壓力P。根據每組試驗所測得的物料質量m、壓桿位移s和壓力P，進行數據處理。
    試驗程序具體如下：
    1)在同一物料、不同四種壓力的條件下，不同含水率下的致密成型；
    2)在同一含水率、相同尺寸物料條件下，不同壓力下的致密成型；
    3)在同一含水率、同一種物料條件下，不同尺寸的致密成型。
5.4試驗結果及分析
5.4.1不同含水率條件下的致密成型試驗
    通過試驗可得到玉米秸稈在不同含水率時的各種參數如表5-1所示。
表5-1玉米秸稈在不同含水率時致密成型試驗結果
 
由表5-1可得到不同壓力時秸稈物料的含水率一密度關系圖，如圖5-4所示。

    以上四圖是不同壓力下，不同含水率和密度曲線圖。經對比從中可以看出，不同四種壓力下，成型塊密度值達到最大時秸稈物料的含水率均在13～18%之間成型效果較好。成型塊密度在含水率小于15%左右時隨著含水率的增加變大；在含水率大于15%左右時，成型塊密度隨含水率增大迅速變小，之后隨著含水率的增加，密度減小趨勢緩和，當物料含水率大于25%時成型塊表面有裂紋，成型塊內部密度不均勻，成型效果不理想，含水率大于30%時，很難成型。
5.4.2不同壓力條件下的致密成型試驗
通過試驗可得到玉米秸稈在不同壓力下的各種參數如表5-2所示。
 
表5-2在不同壓力下玉米秸稈致密試驗結果玉米秸稈成型塊密度與成型壓力之間的關系如圖5-5所示。

    本文試驗原料尺寸主要分布在5—20mm之間。玉米秸稈含水率為130/0，接近上個試驗所得結果15%左右，分別施加5~70MPa不等壓力進試驗，每次施加壓力相差SMPa，其他因素不變。得到在不同壓力下玉米秸稈致密試驗數據，結果記錄如表5-2所示。

    通過觀察試驗結果可以發現，在壓力較小時，物料擠壓不是很實在，成型塊密度較小，表面粗糙，無法滿足運輸、貯存的要求，容易出現裂痕，強度低；隨著壓力的增大，在壓力大于60MPa時，成型塊密度變大，表面光滑，可以滿足運輸、貯存的要求，強度提高，成型效果比較好。
從圖5-5中還可看出，在玉米稈進行致密成型過程中，密度隨著壓力的增加而變
大，當密度達到1.1g/m3左右時，壓力繼續增大時密度變化不明顯。
5.4.3不同尺寸的秸稈致密成型試驗
    通過試驗可得到不同玉米秸稈致密成型的各種參數如表5-3所示。

    表5-3不同尺寸玉米秸稈致密成型試驗結果
    一般情況在相同壓力下，原料尺寸小容易壓縮成型，尺寸大的較難壓縮成型。由致密成型原理可知，成型主要是秸稈粒子間相互擠壓填充物料間的空隙進而密度變大，秸稈原料尺寸越小，粒子間填充性越高，粒子之間分子吸引力、粘結力大，在相同的壓力下很容易粘結在一塊，成型密度高，成型物表面光滑，強度高，成型效果很好。秸稈物料尺寸越大，粒子間填充性變低，粒子接觸比較松散，彼此間嵌入不好，分子間的吸引力變小導致成型效果不好。
    秸稈的尺寸對成型燃料的致密成型效果有很大影響，本文對三種不同尺寸的玉米秸稈進行了試驗研究，雖然具有局限性，但也能一定程度上說明問題。圖5-6為不同物料尺寸的壓力一密度關系。

    由圖5-6可知，不同的尺寸的玉米秸稈致密成型密度不同，隨著壓力的增大，小于10mm和10～20mm尺寸的秸稈的致密程度增加，成型效果比較好，密度達到了1.1g/cm3左右，而20—30mm尺寸的秸稈成型密度較小，才達到0.9g/cm3左右，效果不理想。當壓力達到一定值時，密度增大趨勢緩和。試驗表明10~20mm左右的顆粒大小較適于進行致密成型，而且成型效果比較好。
5.5本章小結
    對玉米秸稈的含水率、尺寸、成型壓力各個因素單獨進行考慮，用自制的模具進行試驗。
    1)對玉米稈在不同含水率的條件下致密成型進行了試驗，結果表明含水率在25%以下的物料幾乎都可以致密成型，含水率大于30%的物料成型率較低，含水率在15%左右(13—18%)為最佳致密成型范圍。
    2)對玉米秸稈同樣含水率和同樣的尺寸條件下進行了試驗，在壓力較小時，物料擠壓不是很實在，成型塊密度較小，表面粗糙，強度低，容易出現裂痕，無法滿足運輸、貯存的要求：成型塊密度變大，表面光滑，強度提高，成型效果比較好。試驗結果表明60MPa左右多數原料能夠成型，并且成型產品表面光滑，密度較大，品質較高。隨著壓力的增大，在壓力大于60MPa時，密度的增加幅度不明顯。
3)對玉米秸稈在不同尺寸的條件下進行了致密成型試驗，發現秸稈尺寸太大或太小成型效果都不理想。試驗結果表明，10—20mm左右的秸稈較適于進行致密成型。結論
    可再生能源將是人類社會未來能源的基石，是常規化石能源很好的替代能源，由于生物質能是可再生能源的重要組成部分，是方便儲存和可以運輸的可再生能源，有很大的發展潛力，所以研究和發展生物質致密成型技術成為全世界最熱門的課題之一。
    本文通過對環模式秸稈壓塊機成型機理的研究，應用有限元分析軟件ANSYS對秸稈致密成型過程的主壓縮階段進行模擬分析，通過試驗研究得到影響秸稈致密成型的主要參數。研究過程總結如下：
    1)對環模式秸稈壓塊機的結構進行了分析，針對其特點，提出了影響環模式成型機工作效率的主要技術參數，如主電機功率、環模長徑比、環模的開孔率以及環模和壓輪之間的工作間隙等。
    2)對生物質彈塑性變性理論進行了研究，從生物質成型的非線性問題出發，對秸稈擠壓有限變形采用歐拉法進行了研究。選用了適合生物質秸稈的Druker-Prager屈服條件；根據致密成型中靜水壓力及屈服條件的影響，推導出彈塑性本構方程，為ANSYS數值模擬秸稈致密成型過程奠定了理論基礎。
    3)對秸稈致密成型的應力應變進行了分析。在擠壓過程中，秸稈與模具內壁的摩擦力作用以及靜水壓力的改變，造成秸稈成型塊應力應變分布的不均勻，易出現成型表面裂紋等缺陷。等效應變隨相對密度的增大而增加，擠壓力也增加，在模具錐角處，其等效應力應變達到最大值。
    4)通過對玉米秸稈進行致密成型試驗研究，得出原料含水率、尺寸大小、工作壓力對成型塊質量的影響規律，確定了其最佳應用參數。
綜上分析，通過對玉米秸稈成型過程的研究和有限元分析，突破了以往傳統研究方法，能有效的用于生物質致密成型的工藝設計和設備的改進優化，對實際生產能起到積極的指導作用。
     三門峽富通新能源生產銷售顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機、木屑顆粒機等生物質燃料飼料成型機械設備，同時我們還有大量的生物質顆粒燃料出售。