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趙曉文1，矯振偉1，王瀚平1，趙武子2
（1．吉林大學熱能工程系，吉林長春130022；2．中國人民解放軍93279部隊，吉林丹東118000）
摘要：以玉米秸稈和水稻稻殼為原料，采用正交設計的實驗方法，研究不同的配比、不同的成型溫度、不同的成型壓力對復合生物質顆粒燃料的影響，綜合評定復合生物質顆粒燃料的灰熔融性、焦渣特性、成型密度和外觀品質。實驗結果表明：75﹪玉米秸稈和25﹪水稻稻殼的配比，在32MPa的成型壓力、180℃的成型溫度條件下壓縮成型的復合生物質顆粒燃料的綜合性能最佳。
生物質作為一種可再生的清潔能源，具有能源替代、環境保護和促進農村經濟發展三重功能，引起了國內外的廣泛關注[1-3]。我國農作物秸稈年產量約6億噸，除部分作為造紙原料和飼料外，大約3億噸可作為燃料使用，折合約1．5億噸標準煤[4-5]。由于生物質資源分散、形態各異、結構疏松、空間大、能量密度小、直接燃燒的熱效率低、經濟效益較差而成為規模化利用的主要瓶頸。顆粒成型技術就是將松散的、無定形的生物質原料壓縮成有一定性狀和密度較大的燃料，不僅提高了單位體積燃料的熱值、便于運輸、儲存，還具有流動性，可實現燃燒過程自動化供料，改變傳統的生物質的利用方式，成為生物質能源利用的一種有效途徑。發達國家的技術與產品多用在木質生物質的處理，國內這方面起步較晚，且主要研究單一生物質的成型技術[6-7]。單質成分的生物質顆粒燃料，在燃燒過程中存在各自的特性，有的灰熔融性不好，結焦渣（如玉米秸稈顆粒）；有的灰分大，熱值偏低（如水稻稻殼顆粒）等。為了改善生物質顆粒燃料的燃燒特性和焦渣特性，本文進行了復合生物質顆粒燃料實驗研究[8]。
1實驗設計
生物質中都含有一定數量的木質素，例如玉米秸稈中的木質素含量15﹪左右。木質素是由苯基丙烷單元構成的三維空間聚合物，非晶體，無熔點，但有軟化點。當溫度為70～110℃時，變軟而具有黏性；當溫度達到200～300℃時，呈熔融狀，黏性較高[9-10]。壓力和溫度是生物質熱壓成型中兩個重要的影響因素。
本實驗的研究目標是以玉米秸稈和水稻稻殼為原料，在不同配比、不同成型溫度、不同成型壓力下成型的復合生物質顆粒燃料（以下簡稱燃料）的成型品質。用專家打分的形式綜合評定燃料的灰熔融性、焦渣特性、熱值和成型密度及外觀的實驗效應值。評價方法：（1）用灰熔融測定儀測定壓縮成型的燃料的軟化溫度Ts值，Ts≥1000～1500℃，打分為0～30；（2）灰熔融測定儀中燃料溫度達到1200℃時將其取出，評定焦渣特性，黏結序數1～7，打分為30～0；（3）用熱值測定儀測定燃料的低位發熱量，低位熱值Qd，ad＝13～20kJ/g，打分為20～60；（4）用電子天平和卡尺測量顆粒的質量密度，觀察顆粒外觀的光潔度，有無焦糊和焦糊的程度，打分在10～30之間。綜合分值越高越好。實驗為三因素、三水平，選用正交表L9（34）。因素、水平取值見表1。
2實驗裝置
本熱壓成型機是自行設計的，由成型機構、壓縮機構和加熱機構組成，實物如圖1所示。
成型機構由套筒、底座及柱塞組成，機械加工均達到精度要求，保證壓縮成型的嚴密性。壓縮機構由液壓設備、壓力表及支架組成。成型機構卡在液壓設備與支架之間，對其定位，通過杠桿對液壓設備給成型機構加壓，使原料成型，壓力表測得成型壓力。加熱機構是在成型模具的外表面上套上2個38mm×40mm的環形加熱套，對模具外表面均勻加熱，熱量通過模具壁面傳遞給內部的生物質使其均勻受熱。溫度控制主要是用AI-518P型人工智能溫度控制器，通過繼電控制系統實現。測溫系統由TESTO454多參數多功能測試儀和鎳鉻-鎳硅熱電偶組成。通過測量模具內部各點溫度分布，可計算出生物質內部的溫度。
成型機主要技術參數：壓力范圍：0～52MPa；溫度范圍：＞室溫；成型顆粒尺寸：φ10mm×（10～30）mm；粒度范圍：0～10mm。
測試灰熔融性和焦渣特性的儀器是長沙三德實業有限公司的SDAF-2000d灰熔融性自動測試儀。測熱值儀器是長沙三德實業有限公司制造的SDACM-3000精英自動量熱儀。密度測量采用上海梅特勒公司的PL2002電子天平和0～200mm游標卡尺。
3實驗結果與分析
按正交表L9（34）設計9種實驗方案，隨機抽取實驗序號，分別進行9次實驗，將實驗結果填入實驗表，用正交試驗方法計算、分析實驗結果[11-12]。
熱值測定結果是：80％秸稈和20％稻殼配比的熱值為15772kJ/kg；75％秸稈和25％稻殼配比的熱值為15644kJ/kg；70％秸稈和30％稻殼配比的熱值為15517kJ/kg；因3種配比的熱值相近，評定分值差別很小，對目標函數的影響很小，因此該項可以不做評定成分。
實驗數據見表2，分析結論見表3[13]。
實驗結果是F（2，3，2）最佳，綜合分值75，因素F1的極差值最大是23．4。經計算得因素F1、F2和F3的最優水平分別為F（2，2，2）和F（2，3，2）。F（2，2，2）的預測值為F（2，2，2）＝F0＋F21＋F22＋F23＝58．3＋8．4＋3．4＋3．4＝73．5與F（2，3，2）的實驗分值僅差1．5，但成型所消耗的功率卻降低很多。F（2，2，2）組合的驗證實驗表明，結果與預測相符。
4結論
實驗結果表明：復合生物質的配比對燃料的性能影響最大，主要體現在提高燃料的軟化溫度和抗結渣性；成型壓力和成型溫度的影響力基本相當，成型壓力和成型溫度的增加都能夠提高成型密度，提高成型品質。但是，成型壓力高于32MPa后，壓力增高對提高成型品質貢獻不顯著，而消耗功率大大增加，不經濟。
成型溫度達到200℃后，顆粒表面出現焦糊，燃料的揮發份析出，壓縮過程易出現放炮現象。綜合分析實驗結果認為，75﹪玉米秸稈和25﹪水稻稻殼的配比，在32MPa的成型壓力、180℃的成型溫度條件下壓縮成型的復合生物質顆粒燃料的綜合性能最佳。
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