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霍麗麗1,2，趙立欣1，田宜水1，姚宗路1，孟海波1
（1.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100125；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083）
摘要：為研究生物質(zhì)顆粒成型燃料壓縮成型機(jī)理，該文用玉米秸稈、花生殼、小麥秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、木屑等6種生物質(zhì)原料，采用生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)進(jìn)行壓縮成型，研究生物質(zhì)顆粒燃料壓縮成型過程，采用黏彈性理論，建立生物質(zhì)顆粒成型燃料的本構(gòu)模型，從力學(xué)角度提出生物質(zhì)顆粒成型燃料的壓縮成型機(jī)理，并研究對比不同種類生物質(zhì)原料壓縮的最大應(yīng)力與能耗。結(jié)果表明，6種生物質(zhì)原料中棉桿和木屑的最大應(yīng)力較高，其余4種原料略低；木屑的壓縮能耗最高，其次為棉稈、花生殼和豆秸，小麥秸稈和玉米秸稈較小。該研究結(jié)論為解決生物質(zhì)顆粒成型燃料成型加工能耗高，關(guān)鍵部件受力磨損導(dǎo)致壽命低等問題提供一定參考。
0引言
中國生物質(zhì)資源十分豐富[1]，但因其松散、堆積密度較，導(dǎo)致收集、運(yùn)輸、儲藏難度大、成本高，制約了規(guī)模化開發(fā)利用，利用壓縮成型將其制成生物質(zhì)顆粒燃料，可提高其運(yùn)輸和貯存能力，降低成本，而且改善燃燒性能，提高利用效率[2]。與煤相比，生物質(zhì)顆粒燃料的溫室氣體排放量不到煤的1/9，環(huán)境效益非常可觀[3]，不僅可以用于家庭炊事、取暖，也可作為工業(yè)鍋爐和電廠燃料，替代煤炭等化石能源。一般地，生物質(zhì)顆粒燃料的壓縮過程是在較高的外力作用下，利用生物質(zhì)原料自身所含的“天然黏結(jié)劑”——木質(zhì)素被激活[4]，原料顆粒與顆粒之間重新排列組和在一起[5]，通過一定形狀的顆粒成型模具，形成顆粒成型燃料。
目前，針對生物質(zhì)顆粒燃料成型過程的相關(guān)模型研究可分為兩類，一類為黏彈塑性模型，表征壓力與變形關(guān)系，另一類為壓力與壓縮密度的數(shù)學(xué)模型。Nalladurai Kaliyan等[6]利用彈性模量，強(qiáng)度系數(shù)，應(yīng)變硬化指數(shù)，黏性系數(shù)，摩擦損耗因子5個參數(shù)構(gòu)建秸稈和柳枝稷的一維線性黏彈塑性模型，并得出彈性模量和黏性系數(shù)影響顆粒燃料的抗壓強(qiáng)度和耐久性。鄭曉等[7-8]采用線性與非線性黏塑性模型相結(jié)合的方法，研究芝麻、花生、菜籽與菜籽仁散粒體介質(zhì)的壓榨過程。
線性黏塑性本構(gòu)模型采用Maxwell的理論方法建立，而非線性黏塑性本構(gòu)模型的建立采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒ńⅰ埿馵9]在檸條壓縮過程中的松散和壓緊階段，分別建立了描述檸條壓縮的一般力學(xué)模型和非線性流變力學(xué)模型，獲得了檸條在壓緊階段彈性模量和黏性系數(shù)隨壓縮量變化的規(guī)律。王春光等[10-11]建立了牧草壓縮及應(yīng)力松弛模型，研究壓捆過程中軸向壓縮力、變形和變形恢復(fù)規(guī)律。孫啟新等[12]基于ANSYS分析軟件，針對柱塞式成型設(shè)備，對秸稈類生物質(zhì)原料擠壓模擬出壓力與變形關(guān)系曲線。趙東等[13]研究密閉容器中用Doraivelu屈服準(zhǔn)則來描述粉碎玉米秸稈的本構(gòu)方程。Panelli、Faborode等[14-16]研究了壓力與壓縮密度關(guān)系。
呂江南等[17]用紅麻料片在閉式容器內(nèi)的壓縮過程可分為松散、過渡和壓緊3個階段，壓力與壓縮密度關(guān)系的數(shù)學(xué)模型分別可用線性和指數(shù)關(guān)系來描述。各類原料壓縮的力學(xué)試驗(yàn)中得出棉稈、小麥、可燃廢紙、大麥適宜的最大壓縮力分別為34、160、70、63.2MPa[18-21]。以上研究均提出了各自的流變學(xué)理論，黏彈塑性理論大多側(cè)重于物料壓縮后的松弛與蠕變過程的研究，而壓力與密度的模型參數(shù)過于單一，理論適應(yīng)性不廣，對多個種類生物質(zhì)原料的壓縮成型過程的力與變形及時間之間的關(guān)系，目前沒有通用的理論模型支撐。
生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)設(shè)備可分為螺旋擠壓式、活塞沖頭式、模輥式，其中模輥式成型機(jī)具有生產(chǎn)率高、成型好等優(yōu)點(diǎn)，是生產(chǎn)生物質(zhì)固體燃料企業(yè)優(yōu)選設(shè)備。生物質(zhì)原料擠壓過程中，顆粒在機(jī)械力作用下的致密過程受力復(fù)雜多變，首先顆粒可能發(fā)生彈性變形，隨著顆粒越來越靠近，顆粒可能發(fā)生黏塑性變形，依靠原料自身的“天然黏結(jié)劑”互相連接成型。本文以玉米秸稈、花生殼、小麥秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、木屑等6大類生物質(zhì)原料為研究對象，研究模輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)成型機(jī)理，通過自制的力學(xué)測試裝置，模擬生物質(zhì)顆粒成型燃料的成型過程，建立適于生物質(zhì)原料壓縮的黏彈性模型，并對比不同種類原料壓縮的難易程度及能耗，為生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)具的設(shè)計(jì)開發(fā)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1儀器設(shè)備
試驗(yàn)儀器485型模輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)（農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，北京盛昌綠能科技有限公司生產(chǎn)。主機(jī)功率：90kW；設(shè)備生產(chǎn)率為1t/h；模孔直徑8mm；燃料成型率＞95%；顆粒密度＞1.0g/cm3）、OlympusBX41型電子顯微鏡、Canon550D型顯微成像系統(tǒng)、93QS-16.0型鍘草機(jī)、HLP型粉碎機(jī)（篩孔徑8mm）、PL2002/01型電子天平（精度0.01g）、BSA223S-CW型分析天平（精度0.1mg）、GZS-1型自動標(biāo)準(zhǔn)振篩機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)樣品分析篩（方孔，篩孔尺寸分別為0.2，0.3，0.45，0.6，1.0，3.3，6.0mm）、MH-200E型電子比重計(jì)（精度1kg/m3）、101-1A型電熱鼓風(fēng)干燥箱、CMT6104型萬能試驗(yàn)機(jī)、自制壓縮試驗(yàn)夾具（如圖1所示，上下支撐座分別安裝在萬能試驗(yàn)機(jī)上下夾具孔內(nèi)，將定量的原料人工喂入成型模具孔內(nèi)，萬能試驗(yàn)機(jī)控制壓縮頭對喂入原料進(jìn)行壓縮并實(shí)時記錄壓縮力、時間、位移等參數(shù)；該夾具未考慮原料的喂入過程，主要研究原料在模孔內(nèi)壓縮的受力過程，通過萬能試驗(yàn)機(jī)控制自制壓縮試驗(yàn)夾具的運(yùn)動，模擬壓縮成型過程，可實(shí)現(xiàn)壓縮過程中力、位移和時間變化的控制和數(shù)據(jù)存儲，為壓縮模型的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)）、干燥器、砂紙（粒度600～5000目）、切片刀、載玻片、蓋玻片、刷子、鑷子、洗耳球、游標(biāo)卡尺等。
1.2試驗(yàn)材料
本試驗(yàn)選擇河北地區(qū)的玉米秸稈、花生殼、小麥秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、木屑等6大類生物質(zhì)原料作為研究對象。將采集的各類秸稈自然晾曬達(dá)到水分平衡后，首先用鍘草機(jī)粗粉（>2kg），接著用細(xì)粉機(jī)細(xì)粉（粉碎后粒度分布見圖2），然后加入適量水，混勻，使原料的全水分達(dá)到15%～20%，密封，在5℃下放置24h以上，以便壓縮成型，實(shí)際測得的全水分?jǐn)?shù)值見表1。
1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)
為模擬模輥式生物質(zhì)顆粒成型燃料成型過程，試驗(yàn)選擇6種原料，粉碎后在485型模輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)進(jìn)行壓縮成型，分析壓縮過程中應(yīng)力的變化規(guī)律，通過顯微鏡觀察到層與層間距[5]，進(jìn)而測量顆粒燃料的單次進(jìn)料量。
顯微鏡觀察可測得，生物質(zhì)顆粒燃料內(nèi)部存在裂紋，裂紋寬度約為3mm，如圖3，這也恰好證明了壓縮的間斷性，即顆粒燃料的單次壓縮間距約3mm，不同種類原料壓縮間距略有差別，可通過測量壓縮間距與模孔尺寸來計(jì)算單次壓縮致密后的原料體積，再通過測量顆粒密度，計(jì)算出每種原料的單次進(jìn)料量，見表2，壓縮長30mm的生物質(zhì)顆粒燃料，需要壓縮10次左右，平均每次的進(jìn)料量在155.6～158.8mg之間，不同種類原料的進(jìn)料量相差不超過3.2mg。
然后利用自制壓縮試驗(yàn)夾具，對6種生物質(zhì)原料依照實(shí)際原料的進(jìn)料量進(jìn)行壓縮成型試驗(yàn)?zāi)M，基于試驗(yàn)壓縮過程的應(yīng)力與應(yīng)變的變化曲線，建立生物質(zhì)原料壓縮的數(shù)學(xué)模型，研究生物質(zhì)顆粒成型燃料的成型機(jī)理，得出不同種類原料壓縮模型參數(shù)，對比6種原料壓縮能耗，為生物質(zhì)顆粒成型燃料成型機(jī)具的優(yōu)化提供力學(xué)參考依據(jù)，本研究不考慮原料的喂入過程，僅研究原料在成型模具內(nèi)壓縮的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系。
2結(jié)果與分析
2.1建立模型
2.1.1力學(xué)模型
根據(jù)模輥式生物質(zhì)顆粒燃料的成型機(jī)理，研究生物質(zhì)原料壓縮過程應(yīng)力與時間關(guān)系，如圖4a所示，成型過程為間斷性壓縮，壓縮為長30mm的生物質(zhì)顆粒燃料，需要壓縮10次左右，其每次壓縮過程可分為進(jìn)料預(yù)壓、致密成型、保壓松弛、顆粒擠出4個階段，如圖4b所示。
第一階段為進(jìn)料預(yù)壓，原料進(jìn)料時為松散狀態(tài)，隨著應(yīng)變的不斷增加，原料不斷被擠壓，所受壓力緩慢增大，但增加幅度不大，主要原因是生物質(zhì)原料極松散，原料粒子與粒子間空隙較大。進(jìn)入模孔時，儲料室中的原料被擠入模孔瞬間，原料所受壓力有突增現(xiàn)象，而后下降到正常壓縮狀態(tài)。該階段原料松散，原料粒子做無規(guī)則運(yùn)動，應(yīng)力變化較小，且無明顯規(guī)律，這里不做建模討論。
第二階段為致密成型。壓緊致密過程，應(yīng)力逐漸增加到最大值，應(yīng)變也逐漸增加到最大值。此時，被擠入模孔的原料開始擠壓致密，原料顆粒嚴(yán)重變形，顆粒與顆粒互相緊貼或鑲嵌，黏在一起成為生物質(zhì)顆粒燃料的一部分，此階段原料壓縮應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系可用黏彈性本構(gòu)模型表述[22]，參見式（1）。
第三階段為保壓松弛，應(yīng)力從最大值略微減小，應(yīng)變基本保持不變，顆粒燃料逐漸保持穩(wěn)定狀態(tài)。該階段原料顆粒產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，應(yīng)力在致密成型過程中達(dá)到最大值，而后發(fā)生應(yīng)力突降現(xiàn)象，應(yīng)力下降速度緩慢。該階段應(yīng)力的變化與存留模具內(nèi)的時間直接相關(guān)，參照伯格斯（四元件模型：彈簧、開爾文模型和阻尼器串聯(lián)）模型[22]中的應(yīng)力松弛關(guān)系，可用模型（2）描述。
第四階段為顆粒擠出，致密成型后的顆粒被擠出孔外，所受壓力迅速減小，最后降為0。
2.1.2能耗模型
生物質(zhì)壓縮能耗可通過外力做功得出，壓縮力與位移的變化曲線如圖5。能耗模型參見式（3），其中壓縮力可通過致密成型過程的應(yīng)力與應(yīng)變函數(shù)式（1）推導(dǎo)得出，位移與應(yīng)變呈線性函數(shù)關(guān)系，推導(dǎo)后可得式（4）。
2.2不同種類原料力學(xué)模型參數(shù)確定
2.2.1第一階段進(jìn)料預(yù)壓
6種原料壓縮致密應(yīng)力變化如圖6，可以看出，應(yīng)力在進(jìn)料預(yù)壓階段，此時所受應(yīng)力較小，應(yīng)變由0增大到50%左右。大部分原料壓縮時應(yīng)力會有波動，主要由于擠壓空間突然縮小，剛進(jìn)入模孔的瞬間，應(yīng)力突然增加而后降為正常致密壓縮階段，除木屑外，應(yīng)力突增的峰值均在5MPa以內(nèi)，花生殼的應(yīng)力波動現(xiàn)象最明顯。而木屑擠壓進(jìn)入模孔瞬間，沒有應(yīng)力突增現(xiàn)象，原因可能是木屑的粒度較小，較為均勻，流動性好，容易進(jìn)入模孔，同時由于木屑粒度小，原料粒子與粒子間空隙小，排列較為致密，木屑在進(jìn)料預(yù)壓階段的應(yīng)力較其他原料大。
2.2.2第二階段致密成型
研究主要考慮應(yīng)變大于50%之后的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，對致密壓縮過程采用式（1）建模后，采用Matlab曲線擬合工具進(jìn)行擬合，得出各個模型參數(shù)見表3，可見采用式（1）建模曲線擬合較好，R2均大于0.99。
6種原料的最大應(yīng)力比較，如圖7，在壓縮成型過程中，棉稈所需最大應(yīng)力最大，為(76.07±5.28)MPa，其次為木屑(67.85±5.26)MPa。豆秸所需最大應(yīng)力最小，為(45.23±1.71)MPa。若將6種原料按應(yīng)力的算數(shù)平均誤差值小于5MPa進(jìn)行歸類，棉稈和木屑為一類，壓縮成型的最大應(yīng)力要求較高，在67～77MPa之間；玉米秸稈、小麥秸稈、花生殼和豆秸為另一類，壓縮成型的最大應(yīng)力要求較低，在45～55MPa之間。
2.2.3第三階段保壓松弛
保壓松弛階段，應(yīng)力隨時間緩慢下降，應(yīng)變已達(dá)最大值且基本不變，如圖8，6種原料壓縮后均出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，參照模型（2）模擬計(jì)算模型參數(shù)見表4，模型曲線模擬較優(yōu)，R2均大于0.989。
2.4不同種類原料能耗對比
單次壓縮過程，能耗模型參數(shù)見表3，能耗變化曲線如圖9所示，不同原料隨著壓縮應(yīng)變的增加，能耗也在不斷增加，致密成型階段為主要能量消耗階段，不同種類原料其能耗有一定差異，能耗由高到低依次為木屑、棉稈、花生殼、豆秸、玉米秸稈和小麥秸稈，將能耗換算為壓縮單位質(zhì)量的原料所需平均能耗見表5。
可見，木屑的壓縮能耗分別是棉桿、花生殼、豆秸、玉米秸稈、小麥秸稈的1.7、1.8、2.4、2.8和3.5倍。而成型后的顆粒燃料密度，木屑顆粒燃料分別是棉桿、花生殼、豆秸、玉米秸稈、小麥秸稈的1.05、1.06、1.17、1.20、1.23倍，試驗(yàn)得出在一次壓縮進(jìn)料量相同的情況下，木屑原料在模孔內(nèi)的滯留時間長，單次壓縮間距為2.5mm，顆粒密度1240kg/m³，玉米秸稈原料在模孔內(nèi)的滯留時間最短，單次壓縮間距為3.0mm，顆粒密度1030kg/m³。
可見顆粒燃料的壓縮密度高，壓縮能耗高。若要降低壓縮能耗，可采用降低進(jìn)料量等方法，降低壓縮應(yīng)力，壓縮后的顆粒燃料的顆粒密度也隨之減小，從而降低能耗。
3結(jié)論
生物質(zhì)顆粒燃料的壓縮過程可用黏彈性本構(gòu)模型描述。致密成型階段采用應(yīng)力與應(yīng)變本構(gòu)模型描述，模型曲線擬合較好，決定系數(shù)大于0.99。保壓松弛階段采用應(yīng)力與時間本構(gòu)模型描述，模型曲線擬合較好，決定系數(shù)均大于0.989。
不同種類原料，進(jìn)料量相同情況下，棉桿和木屑的最大壓縮應(yīng)力較高，約為67～77MPa，其他玉米秸稈、花生殼、豆秸和小麥秸的最大應(yīng)力在45～55MPa之間。生物質(zhì)顆粒燃料的顆粒密度越高，能耗越高，且能耗增加越快。
[參 考 文 獻(xiàn)]
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