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崔旭陽1、楊俊紅1、鄧磊1、雷萬寧2，黃濤2，白超2
（1.中低溫熱能高效利用教育部重點試驗室，天津大學機械工程學院，天津300072；2.陜西啟迪瑞行清潔能源科技有限公司，西安710100）
摘要：以陜西地區蘋果樹修剪枝為原料，采用自制的生物質成型燃料多參數調控試驗系統，分析單顆粒成型過程中的壓力-位移曲線，考察基質含水率（5%?20%）、成型溫度（70~150℃）和壓力（80~120MPa）對顆粒燃料成型能耗的影響。結果表明：隨著壓具位移的增加，擠壓過程的壓力變化呈3個階段:松散段、過渡段和壓緊段；推出過程的壓力變化總體呈波動下滑的趨勢，且初期壓力波動范圍較大。試驗范圍內，隨著溫度的升高，擠壓能耗降低、推出能耗升高；隨著壓力的增大，二者均升高；基質含水率影響趨勢相同，15%均達到最低值（29.47、4.79J/g）。
引言
我國“十三五”能源規劃指出，生物質成型燃料是生物質能利用的重要途徑之一[1]，而成型燃料在制備過程中的能耗問題是影響生物質成型燃料成本和產業發展的重要因素。李在峰等[2]研究表明：生物質原料在環模常溫成型過程中成型能耗占綜合能耗的90%以上。很多研究關注某種能源作物在單位時間內生產成型燃料所消耗能量與該段時間內生產成型燃料質量的比值（比能耗）。O’Dogherty等[3]和Faborode等[4]研究均得出大麥秸桿的比能耗在5~25J/g之間，并建立比能耗與松弛密度的線性關系式；柴琦等[5]對黧蒴栲和工業油料餅粕混合燃料進行壓縮試驗研究，在不同成型溫度、壓力、含水率條件下得到其成型比能耗為18~40J/g；邢獻軍等[6]對玉米秸稈進行熱壓成型試驗，并得到其壓縮能耗為3.0~5.0kWh/t。可見，由于生物質原料和壓縮條件的多樣性，不同生物質顆粒成型的比能耗有所不同。
陜西地區以蘋果樹為代表的林業廢棄物年產量約為1×105kg[7]，且以蘋果樹木屑為代表的生物質顆粒燃料在整個成型環節（擠壓和推出）中的能耗關鍵參數研究鮮有報道。本文以陜西地區蘋果樹木屑為原料進行單顆粒成型試驗，主要考察成型溫度、成型壓強、生物質含水率對成型過程中擠壓能耗與推動能耗的影響，并進行機理分析，以期為改善陜西地區蘋果修剪枝條制備顆粒燃料的規模化生產線提供科學依據。
1材料、設備及方法
1.1原材料及樣品制備
試驗原料：陜西地區蘋果樹修剪枝，由陜西漢灃新能源有限公司生產提供。
主要設備：101-1型電熱鼓風干燥箱，天津市泰斯特儀器有限公司；FS-100型生物質粉碎機，山東恒樂新科科技設備有限公司；LBGF-8000型工業分析儀，鶴壁市藍博儀器儀表有限公司；Flash EA1112型元素分析儀，美國Thermo ElectronSPA公司。
原料經粉碎、篩分（20~30目），收集直徑約1mm的木屑。蘋果樹木屑，在熱風干燥箱中干燥48h后利用超純水對原料進行配水，控制其含水率為5%、10%、15%、20%。工業分析結果和元素分析結果如表1所示。
1.2試驗系統及方法
本試驗在自行研制的生物質成型燃料多參數調控試驗系統進行（由山東濟南恒瑞金試驗機有限公司搭建），試驗系統由壓模、底座、加熱裝置、力傳感器、橫梁、電機、溫度控制器等組成，如圖1所示，壓制棒和模具孔相互配合，成型壓強和成型溫度分別由力傳感器和熱電偶分別監控，這些傳感器直接與電腦相連接。此外，控制壓制棒下行的相關程序可由電腦端進行編制控制（SmartTest軟件，山東恒樂新科科技設備有限公司）。顆粒制備過程中的壓力-位移曲線可從電腦中讀出。
主要的試驗步驟如下：
1）模具孔外配有溫度控制裝置。不同的溫度設定由石棉包裹的硅膠加熱片和熱電偶共同完成，在加熱過程中，熱電偶不斷監控其溫度變化是否達到設定溫度（70~150℃），若已達到設定溫度則關閉硅膠加熱片，加熱過程保持60min，目的是維持模具內壁溫度場穩定，不銹鋼墊塊在加熱前被放置在模具底部；
2）稱取（1±0.01）g配好水分的樣品，加人成型孔中；
3）將壓制棒下端運行至成型人口附近；
4）采用程序控制壓制棒，加壓棒底端壓力將由壓力傳感器測定得到（程序基本參數為：棒下移速度8mm/min，當棒受力達到0.01N時下移速度變4rmn/min，當棒底端壓力達到設定壓力廠（3.05~4.25kN）時，在尸值處停留30s，停止程序）；
5）取出不銹鋼墊塊，記錄壓制過程的試驗力-位移相關試驗數據，記錄能耗數據（參考使用Matlab2015軟件中的積分循環計算處理試驗數據計算該過程能量消耗）；
6）通過軟件控制加壓棒以2mm/min由0N開始下移，將制成的顆粒推出壓制槽，記錄壓制過程的試驗力-位移圖及相關試驗數據，記錄能耗數據（方法同步驟5）；
7）將取出顆粒快速冷卻至室溫并稱量，每次試驗后，均用丙酮清洗模具并擦干凈，每一樣品試驗重復3次。
1.3能耗指標
成型比能耗包括擠壓比能耗、推動比能耗。如圖2所示，前者表示擠壓原材料團聚粘結過程中所需的能耗；后者表示產品成型之后，壓桿在對顆粒施力到將成型顆粒完全退出模具過程中所做的功。
2結果與討論
2.1單顆粒成型燃料的擠壓過程蘋果樹木屑制備顆粒燃料成型擠壓過程的位移與擠壓力的變化關系曲線如圖3所示。
圖3a所示為在成型壓強110MPa、成型溫度1501條件下，不同含水率對顆粒成型的擠壓曲線，并以此為例來分析顆粒燃料在擠壓過程中的形變關系。在圖3a中，不同關鍵參數下，隨著擠壓深度的增大，擠壓力均呈類似的三段式變化，即鄧波等[8]提出的松散段一過渡段一壓緊段，NASYS的模擬結果也顯示生物質顆粒燃料在壓縮過程中呈現這3個階段。松散段發生在0~40mm處，擠壓力變化與整體擠壓過程相比，其值增加并不明顯，如圖3b所示，這是一段發生在松散段的位移與擠壓力變化關系曲線，可以看出，擠壓力值隨著位移的深入，呈鋸齒狀抖動，并輕微爬升。從微觀角度來看，這主要是由于物料在初期的壓縮過程中，顆粒之間的空隙較大，顆粒粘結鍵和橋還未形成，顆粒受到擠壓力后在模具中的位置變化巨大，所以壓力傳感器在松散段接收到的擠壓力值呈銀齒狀波動。此外，由于含水率的減少，物料顆粒之間的粘結鍵和橋更難以形成[9]，以在圖3b中含水率5%的變化曲線相比10%、15%和20%的擠壓力值抖動得更加劇烈。從宏觀角度來看，由于位移深度的加深，物料在模孔中的體積變小，物料顆粒之間的粘結鍵和橋開始增多，物料顆粒逐步粘結聚團，擠壓力隨之輕微爬升，當物料聚團效果進一步明顯時[10]，擠壓過程進人過渡段（40~53mm），如圖3c所7K，這是一段發生在過渡段的位移與擠壓力變化關系曲線，可以看出，與松散段的擠壓力值相比，過渡段的擠壓力值鋸齒狀抖動有所緩解擠壓，擠壓力值爬升更為明顯，這也說明物料聚團效果與鍵、橋的形成數量在該階段有明顯提升，Chung等[11]研究給出了分子間牢固粘結的條件，并認為牢固連接的必要條件是分子緊密接觸的距離在9A之內。之后，物料擠壓成型進人壓緊段（53~63mm )，如圖3d所示，這是一段發生在壓緊段的位移與擠壓力變化關系曲線，可以看到，在壓緊段擠壓力值隨位移深度的增大變化明顯，幾乎呈指數增長，顆粒燃料在該階段很快成型，而與松散段、過渡段相比，之前的鋸齒狀波動幾乎消失，在壓緊段 ，物料顆粒的蛋白質被進一步擠壓出來，顆粒之間的粘結鍵和橋得到進一步加強，顆粒成型效果在該階段得到提升[12]。
2.2單顆粒成型燃料的推出過程
圖4是蘋果樹木屑制備顆粒燃料推出過程的位移與推出力的變化關系曲線。
圖4a所示為成型壓強110MPa、成型溫度150丈條件下，不同含水率對顆粒成型的推出曲線，以此為例來分析顆粒燃料在推出過程中的形變關系。不同關鍵參數下，隨著推出深度的增大，推出力均呈類似的變化關系，即推出力快速升至最大值后，隨之波動下滑，直至達到推出力最低值，且前期壓力變化較大，將顆粒燃料推出模孔。柴琦等[13]在不同預熱溫度下將生物質顆粒推出模孔，也發現推出力與位移呈現波動曲線，且溫度越低，波動越強烈。由圖4b可看出，隨著含水率的降低，推出力的最大值逐漸變小，這主要是由于初始物料含水率較大時，成型之后的顆粒表面含水量也較大，物料表面和模具內表面的潤滑程度變大，摩擦力降低，從而減小了推出力值。
2.3溫度對成型能耗的影響
如圖5a所示，成型溫度確實會影響擠壓能耗的值。在一定條件下（壓強100MPa，含水率10%），當溫度在由70℃升高至150℃時，擠壓能耗的值逐步減小，并且最小值為33J/g，可見，此因素（溫度）對顆粒燃料生產有顯著影響。文獻[13]顯示，木質原料中包含的木質素是非晶體，溫度升高到一定值（90±20℃）時變會發生軟化，從而使粘結力增強，這說明升高溫度會降低木質材料的韌性，木質素軟化程度提升，這些事實造成顆粒擠壓能耗隨溫度的升高而逐漸減小。然而，在相同條件下，推出能耗與溫度的關系卻截然相反。當溫度由70℃升至150℃時，推出能耗由3.394J/g增至4.257J/g，其原因可能是由于木質顆粒的高分子材料屬性（彈性和塑性）。木質生物質材料在受到壓力后原料顆粒會由于壓縮而產生彈性形變，加之其擁有不完全塑形，材料會對成型孔的壁面作用較大的力而產生較大的壓力。結合文獻[9]，溫度越高，木質材料越容易被壓縮，材料越容易對成型孔的空間進行充分填充，且材料的不完全塑形會使顆粒對模具孔的壓力不斷增強。綜上所述，在一定條件下，溫度與推出能耗成正相關，溫度升高，能耗值增大。
2.4壓強對成型能耗的影響
如圖5c、圖5d所示，成型過程中的壓力會影響擠壓能耗和推出能耗的值。當壓力由80MPa升至120MPa時，擠壓能耗增大約43.9%（由23.27J/g升至33.49J/g），推出能耗增大約25.2%（由3.53J/g升至4.42J/g）。究其原因，壓力使木質材料在水平方向（模具的徑向方向）延展，原本細條狀的木質材料開始朝薄片狀轉變，且由于木質顆粒的高分子材料屬性（彈性和塑性），在升至屈服極限之前，壓力增大則彈性形變增大，也就是說，在成型過程中，擠壓能耗和壓力變化成正相關。然而，在擠壓成型結束后，顆粒已成型但此時木質材料由于不完全塑性，其對成型孔壁面的壓力卻隨顆粒形變程度的增大而增大。綜上所述，升高壓力會使顆粒成型能耗增加。
2.5含水率對成型能耗的影響
如圖5e、圖5f所示，材料含水率會影響擠壓能耗和推出能耗的值。在一定條件（溫度為150壓強為110MPa）下，當含水率由5%升至20%時，無論是擠壓能耗還是推出能耗的變化趨勢都類似，兩者都在含水率15%時呈最低值（分別為29.47、4.79J/g），可見此因素（含水率）會對顆粒燃料生產能耗有顯著影響，且在含水率較低和含水率較高時，其成型能耗均較高。文獻[5，9]顯示，水分在木質生物材料成型過程中，既扮演潤滑劑的角色又起到粘結劑的作用。結合圖5e、圖5f，含水率過高或過低均會對成型能耗造成不利影響，究其原因，過低的含水率會降低木質材料中木質素的軟化溫度，這樣會使相同溫度下的木質材料更難成型，所以為了獲得滿足要求的木質顆粒，需要更高的成型能耗以滿足產品要求。
然而，當含水率過高時，多余的自由水在顆粒之間蒸發，造成材料與壁面之間的摩擦加劇，這是在高含水率條件下造成能耗值增加的主要原因。綜上，當含水率處于某一適度值時（在本文為15%），水分在木質材料顆粒之間起到很好的潤滑和粘結功效，且一些天然粘結劑軟化程度被逐步加深，這些事實促進了生物材料的快速粘結與成型，且水分的存在也降低了顆粒被推出時燃料顆粒與成型孔之間的摩擦。也就是說，適宜的水分含量將極大地降低顆粒燃料制備時的成型能耗。
3結論
1）蘋果樹木屑制備顆粒燃料的擠壓過程可分為松散段、過渡段、壓緊段。松散段的成型過程擠壓力值成銀齒狀波動，緩慢提升；壓緊段的擠壓力值無鋸齒狀波動，指數升高；過渡段是物料顆粒間粘結鍵、固橋形成的主要階段，其擠壓力特征介于松散段與壓緊段之間。而蘋果樹木屑制備顆粒燃料的推出過程力值呈波動下降趨勢。
2）升高預熱溫度和減小成型壓力均可有效降低蘋果樹木屑制備顆粒燃料的成型擠壓能耗；同時預熱溫度和成型壓力的提升均會加大顆粒燃料的推出能耗。
3）對于蘋果樹木屑制備顆粒燃料，其含水率在15%時，推出能耗和擠壓能耗均為最低，分別為29.47、4.79J/g。
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