李偉振^1-3，姜洋^1-3，饒曙⁴，陰秀麗^1-3，王明峰⁴，蔣恩臣⁴

（1.中國科學院廣州能源研究所，廣州510640；2.中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州510640；3.廣東省新能源和可再生能源研究開發與應用重點實驗室，廣州510640；4.華南農業大學材料與能源學院，廣州510642）

　　摘要：為解決桉木屑成型困難、能耗高、燃料強度低等問題，采用其與玉米秸桿混配成型的技術手段，設計五因素的響應面中心組合實驗方法，在WD-100KE型電子壓力機上進行單顆粒壓縮實驗，研究玉米秸桿配比（0~40%）、水分（4%~20%）、溫度（40~160℃）、壓力（4000-8000N）、粒徑（1.00~5.00mm）對比能耗、松弛密度、Meyer強度的影響。選定比能耗為二因素交互關系模型（2FI）、松弛密度和Meyer強度為二次優化模型（quadratic），得到響應面方程，對優化的成型參數驗證實驗表明，實驗值與預測值誤差在10%內，可為實際生產提供理論依據。

　　0引言

　　我國生物質顆粒燃料發展迅速，在發達省份已初具規模。市場規模的擴大帶來需求的提高，導致以木屑為主要原料的生產受到限制，各生產企業開始尋求其他原料（農作物秸桿、樹皮、果殼等）用于顆粒燃料的生產。相比于木屑，其他原料單獨成型時一般存在粒子間結合性能不佳、壓縮困難等問題。生物質混配成型能根據不同生物質的理化差異特性，按一定方案調配，實現木質素、抽提物等組分互補，以提高粒子間機械互鎖性能，達到改善成型效果的目的[1]，這是成型技術主要發展方向之一。已有研究結果證實采用混配成型技術能較好地解決一些原料在成型過程中所存在的問題，如劉志佳等[2]發現竹屑與稻桿混配成型能改善單獨原料不能滿足標準的狀況；涂德浴等[3]發現稻桿和木屑混配成型顆粒的綜合性能優于稻桿單獨成型；孔令軍等[4]研究證實，廢棄包裝紙纖維與鋸末混合成型可形成“固體橋”結構，改善成型效果。

　　廣東省每年產出150多萬t桉木屑，將其用于顆粒燃料生產能部分緩解原料受限問題，但桉木屑纖維粗、韌性差、單獨成型困難[5]，而玉米秸稈纖維長且柔軟，與桉木屑混配成型有助于改善成型效果[6]。因此，本文主要進行兩者混配成型特性的研究，以期為工業生產提供一定理論支撐。

　　1材料與方法

　　1.1實驗材料

　　桉木屑取自廣東清遠地區某板材加工廠，為典型人工速生林（尾葉桉）加工剩余物，玉米秸桿取自廣東佛山地區。原料經自然風干、粉碎和篩分后，取不同粒徑的原料置于105℃烘箱干燥至恒重后，按質量比加人一定質量的去離子水，混合均勻后獲得不同水分的樣品，密封后放置陰涼干燥處，防止吸收空氣中水分。

　　1.2實驗方法

　　1.2.1實驗設計

　　利用Design Expert 8軟件進行響應面設計和分析，采用五因素五水平的中心組合實驗設計（CCD）方法，實驗變量的標識，參數范圍和中間值見表1。

　　1.2.2壓縮成型

　　壓縮實驗在WD-100KE型電子壓力機上進行，實驗模具見圖1。壓桿直徑10.00mm，模具內徑10.20mm。實驗過程中，采用加熱帶、熱電偶和溫控儀進行加熱和溫度控制，待溫度達到設定值并保持穩定后，向模具中加人一定質量原料，然后調用壓縮程序（設定壓縮速度、目標壓力值、保壓時間）對原料壓縮成型，完畢后將顆粒擠出，每個實驗條件重復3次，結果取其平均值。成型過程的壓力-位移曲線由電腦自動記錄。

　　2結果與分析

　　2.1實驗結果

　　實驗結果如表2所示。在實驗參數范圍內，SEC變化范圍為16.22~31.32kJ/kg；變化范圍為679.62~1136.83kg/m³；H_M變化范圍為4.03~19.16N/mm²。

　　2.2模型與方差分析

　　對實驗數據先進行回歸分析，選定最優模型，再剔除模型中不顯著項，得到最終模型。對方差分析結果的評價規則為：調整R²及預測R²值均接近1，兩者的差值小于0.20，充足性精度大于4.00。所選定的模型和回歸方差分析結果見表3，可看出模型滿足評價規則，擬合較好[8]。

　　表4所示為回歸后各指標的方差分析結果。可看出，各指標模型P值均小于0.05，模型是顯著的，回歸方程（剔除不顯著項）以編碼值作為自變量的公式見式（4）~式（6）。

　　2.3交互作用分析

　　由式（4）可知，AC、BE是SEC的顯著性影響項，其對SEC的影響見圖2a和圖2b（其他參數取中間值）。從圖2a可看出，添加量的增加和溫度的升髙可保持SEC不變：溫度不變，添加量增加，SEC減小，這可能是因為玉米秸稈纖維比較柔軟，壓縮性能得到改善；添加量不變，溫度升高，SEC增加，這是因為溫度的升高，壓縮時投人的能量增加。從圖2b可看出，水分和粒徑的增加能保持不變：水分不變，粒徑增加增大，粒徑增加，粒子間縫隙大，接觸面積小，彈性變形大[9]，SEC增加；粒徑不變，水分增加SEC減小，是因為適量的水分能起到黏結劑和潤滑劑的作用，一定量的水分可在粒子間形成薄膜，增大粒子間接觸面積和相互作用力（范德華力），薄膜還可減小原料和模具間及原料粒子間的摩擦力，從而降低SEC。由式（5）可知，BC是RDS的顯著性影響項，其對的影響見圖2c（其他參數取中間值）。水分的增加和溫度的升高能保持不變：水分不變，溫度升高，增加，主要是溫度的升高能使木質素的黏結性增強，同時還能使纖維素和半纖維素變的柔軟；溫度不變，水分增加，RDS減小，是因為部分水分不能被粒子吸收而附著在表面上，使子不易壓緊。由式（6）可知，BC是的顯著性影響項，其對H_M的影響見圖2d（其他參數取中間值）。水分不變，溫度升高，H_M先增大后減?。粶囟炔蛔儯衷黾?，H_M也先增大后減小，說明溫度和水分過高及過低都會降低H_M，這是因為一定范圍內升髙溫度在增強木質素黏結性的同時也蒸發多余的水分，使水分保持在合適的范圍[10]。

　　2.4參數優化及驗證實驗

　　依據我國成型燃料標準NY/T1878—2010中的規定：顆粒狀燃料密度≥1000kg/m³，設定指標優化條件為：DRS≥1000kg/m³，SEC最小，H_M最大，優化結果及指標預測值見表5。

　　2.5模型修正

　　修正后模型的預測值與實驗值誤差分析見表7，可見，DRS和H_M的預測精度顯著提高。3個指標的相對誤差大多在10%以內，屬工程實踐可接受的范圍，可為桉木屑與玉米拮桿實際生產提供理論依據。

　　3結論

　　采用響應面的中心組合實驗設計方法，進行桉木屑與玉米秸稈的混配成型實驗，研究玉米秸桿配比、水分、溫度、壓力、粒徑5因素對顆粒SEC、RDS、H_M的影響。

　　1）在選取的實驗參數范圍內，SEC變化范圍為16.22?31.32kJ/kg；RDS變圍為679.62?1136.83kg/m³；H_M變化范圍為4.03?19.16N/mm²。

　　2）通過對實驗數據的回歸分析，選定SEC的模型為二因素交互關系模型（2FI）、KDS和H_M為二次優化模型（quadratic），指標的調整圮分別為0.91、0.91、0.84，與預測R²的差距均小于0.20，各模型的P值均小于0.0001，模型擬合度較好。

　　3）依據響應面方程分析參數對指標的交互作用，發現玉米秸桿添加量和溫度、水分和粒徑對SEC起顯著交互作用；水分和溫度分別對KDS、WM起顯著交互作用。

　　4）通過對成型指標的設定，優化成型參數，并進行驗證實驗，依據實驗值與預測值相對誤差的分析，修正了RDS、H_M方程的常數項，提高模型精度，得到最終的響應面方程，成型指標相對誤差大多在10%以內，在工程實踐可接受的范圍，可為桉木屑與玉米秸桿實際生產提供理論依據。