霍麗麗^1,2，孟海波²，田宜水²，趙立欣²，侯書林¹

（1.中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京100083；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院，北京100125）

　　摘要：為分析秸稈類生物質(zhì)原料的物理特性，該文選取自然晾曬后（全水分8%左右）的6種不同地區(qū)玉米秸稈和5種不同種類秸稈，細粉（粒度0～10mm）后進行物理特性研究。結(jié)果表明，粉碎秸稈的自然和振實堆積密度范圍分別在37.43～140和48.40～200kg/m3之間，靜態(tài)和動態(tài)堆積角分別在44°～51°和17°～31°之間，與金屬、橡膠材料的最大靜摩擦系數(shù)分別在0.45～0.55和0.51～0.62之間，內(nèi)摩擦系數(shù)在0.53～0.73之間。不同地區(qū)玉米秸稈和不同種類秸稈的堆積密度和堆積角均不同，秸稈品種和原料的均勻度對堆積密度有影響，不同種類秸稈堆積密度差異較大。原料的全水分越高，堆積角越大。摩擦特性和流動特性無明顯差異。這說明在秸稈原料的壓縮、輸送、儲存等相關(guān)裝備及工藝路線的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮不同地區(qū)、不同種類的秸稈原料堆積特性的差異性。該研究為秸稈類生物質(zhì)原料的利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

　　0引言

　　中國的秸稈資源十分豐富，據(jù)相關(guān)調(diào)查研究顯示，2006年全國主要農(nóng)作物秸稈的理論資源量為4.33億t。其中，可利用資源量約1.76億t^[1]。如何將農(nóng)作物秸稈有效利用已成為一項重要研究課題。目前，秸稈的能源化、飼料化、基料化和肥料化等利用方式是研究熱點^[2-6]，而這些都離不開秸稈的基本物理特性，其為秸稈類生物質(zhì)原料的加工、儲存、輸送等提供必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

　　目前，秸稈類生物質(zhì)原料絕大多數(shù)都是將其粉碎預處理后再進行利用，不同利用方式其粉碎粒度差別較大，本研究主要針對秸稈類生物質(zhì)顆粒燃料（顆粒直徑6～10mm），原料的粉碎粒度小于等于10mm。粉碎后的秸稈類生物質(zhì)原料屬于松散原料。國內(nèi)外對松散原料物理特性的研究中，針對農(nóng)業(yè)糧食作物種子和谷粒研究較多，如小麥、玉米、大豆等作物^[7-10]。還有針對木屑的研究，如木質(zhì)散碎物料研究得出物料的水分對堆積密度和堆積角有一定影響^[11-13]。關(guān)于秸稈，孟海波、孫占峰等對整根秸稈的壓縮、彎曲和剪切等力學特性進行分析^[14-15]，為收獲機械和粉碎機械等提供基礎(chǔ)參數(shù)；饒應(yīng)昌給出外摩擦系數(shù)參考數(shù)值，內(nèi)容只分粗細2種秸稈原料，并沒有給出具體粒度^[16]；隋美麗獲得粒度在10～30mm范圍內(nèi)玉米秸稈的粒度與堆積角、內(nèi)摩擦角和滑動摩擦角的變化規(guī)律，以及靜堆積角、內(nèi)摩擦系數(shù)、滑動摩擦系數(shù)的范圍^[17]；李永軍發(fā)現(xiàn)陶瓷顆粒和玉米秸稈粉混合物和斜管的滑動摩擦系數(shù)與各成分的體積系數(shù)呈線性關(guān)系^[18]。田宜水對粒度為5～30mm的切碎秸稈進行了理化特性研究^[19]。現(xiàn)有的研究十分有限，且內(nèi)容不夠具體。

　　本試驗選取5種不同種類秸稈和6個不同地區(qū)的玉米秸稈作為研究對象，分別對堆積密度、堆積角、原料與外界物的外摩擦系數(shù)、原料內(nèi)部之間的內(nèi)摩擦系數(shù)、流動特性等物理特性進行試驗研究，為秸稈類生物質(zhì)原料的壓縮、輸送、儲存等系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備設(shè)計和選型提供基礎(chǔ)性參考數(shù)據(jù)，對實現(xiàn)生物質(zhì)原料的規(guī)模化應(yīng)用具有重要意義。

　　1材料與方法

　　1.1儀器設(shè)備

　　93QS-16.0型鍘草機（固安縣雙橋農(nóng)牧機械廠）、HLP粉碎機（篩孔徑10mm，北京環(huán)亞天元機械有限公司）、101-1A型電熱鼓風干燥箱（河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）、PL2002/01型電子天平（精度0.01g，瑞士梅特勒-托利多公司）、BSA223S-CW型分析天平（精度0.0001g，賽多利斯科學儀器有限公司）、GZS-1自動標準振篩機（河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）、標準樣品分析篩（方孔，篩孔尺寸分別為0.45，0.6，1，3.3，6，10mm，河南省鶴壁市天弘儀器有限公司）、堆積密度測量儀（容積為5L，自制，有效直徑為167mm，有效高度為228mm）、堆積角測量儀（自制，>40L）、HZJ型振動平臺（新鄉(xiāng)偉達振動設(shè)備有限公司）、外摩擦系數(shù)測定儀（自制，350mm×650mm×1000mm）、集料框、角度尺、試驗用平板（規(guī)格300mm×600mm×6mm）、ZJ-2型等應(yīng)變直剪儀、游標卡尺、鋼板尺、百分表、角度尺、計時器、托盤等。

　　1.2試驗方法

　　1.2.1試驗原料

　　本試驗選取內(nèi)蒙古、黑龍江、河北、河南、山東、安徽6個地區(qū)的玉米秸，以及河北地區(qū)的玉米秸、小麥秸、大豆秸稈、棉秸和花生殼5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到水分平衡后，首先用鍘草機粗粉（>2kg），再用細粉機細粉，然后取約500g秸稈原料測試全水分（見表1）和粉碎后的原料粒度，其余保留作為其他物理特性測試樣品。粒度篩分用自動篩分機，振動30s后，采用一系列不同尺寸的分析篩進行篩選，稱質(zhì)量，并對原料粒度分布進行分析，并計算均勻度，試驗重復3次取平均值，原料粒度分布，如表2，原料的均勻度由原料60%通過的篩孔寬度與10%通過的篩孔寬度之比計算，數(shù)值越小，均勻度越好。

　　1.2.2相關(guān)指標測定方法與參照標準

　　1）《NY/T 1881.2-2010生物質(zhì)固體成型燃料試驗方法第2部分：全水分》

　　2）《JB/T 9014.3-1999連續(xù)輸送設(shè)備散粒物料粒度和顆粒組成的測定》

　　3）《NY/T 1881.6-2010生物質(zhì)固體成型燃料試驗方法第6部分：堆積密度》

　　4）《JB/T 9014.7-1999連續(xù)輸送設(shè)備散粒物料堆積角的測定》

　　5）《JB/T 9014.9-1999連續(xù)輸送設(shè)備散裝物料外摩擦系數(shù)的測定》

　　6）《JB/T 9014.8-1999連續(xù)輸送設(shè)備散粒物料抗剪強度的測定》

　　7）流動特性評價方法

　　流動特性表征原料的流動性，分為剪切類和流動類。剪切類主要測原料的內(nèi)摩擦系數(shù)。流動類最常用的方法Carr流動性指數(shù)法，采用堆積角（靜態(tài)）、壓縮率、板勺角、均勻度4個指標來評價原料的流動性能，滿分為100分，4項指標分別為25分，具體評分參見文獻[21]。其中靜態(tài)堆積角度數(shù)評價流動特性等級見表3^[20]。壓縮率是原料自然堆積時和振實后的體積變化率，通常用自然堆積密度與振實堆積密度來表示，由（1）式計算得出。板勺角是將埋在原料里的板勺垂直向上提起，在板勺上原料堆積，測其底角即為板勺角。其值用板勺提起后的角度和板勺受到?jīng)_擊落料后的角度平均值來表示，見公式（2）。

　　2結(jié)果與分析

　　2.1不同地區(qū)玉米秸稈物理特性

　　不同地區(qū)粉碎后玉米秸稈數(shù)據(jù)分析見表5。自然、振實堆積密度和動態(tài)堆積角有一定差異，其他指標無顯著差異。

　　2.1.1堆積密度特性測試

　　為消除水分對堆積密度的影響，將堆積密度數(shù)值換算為干物質(zhì)堆積密度。粉碎后玉米秸稈的自然堆積密度在63.24～94.47kg/m³之間，振實堆積密度在69.20～110.93kg/m³之間。據(jù)表2分析，用同一粉碎機粉碎不同地區(qū)玉米秸稈原料，堆積密度存在顯著差異。內(nèi)蒙古和河南地區(qū)玉米秸稈堆積密度最小，山東和安徽地區(qū)其次，黑龍江和河北地區(qū)最大，如圖1所示。

　　對于同一種類秸稈，均勻度對堆積密度有較大影響。由表2可知，同一粉碎機粉碎不同地區(qū)玉米秸稈，粉碎后的原料存在一定的粒度差異，黑龍江、河北玉米秸均勻度較好，均小于10，粉碎原料較均勻，內(nèi)蒙、河南玉米秸稈均勻度較差，均大于11。

　　均勻度越好的原料，堆積密度越大，如圖1所示。因為，粉碎的玉米秸稈粒度越均勻，原料粒子之間的間隙越少，排列越緊密，堆積密度越大。

　　堆積密度對原料的倉儲設(shè)計具有直接參考價值，不同地區(qū)玉米秸稈原料倉儲和輸送設(shè)備的設(shè)計中應(yīng)充分考慮到地區(qū)性差異，內(nèi)蒙古、河南地區(qū)的相應(yīng)設(shè)備尺寸應(yīng)加大，以適應(yīng)原料的空間需求。

　　2.1.2堆積角特性測試

　　不同地區(qū)粉碎后玉米秸稈的靜態(tài)堆積角在48°～51°之間，差異不顯著（P>0.05），且均大于46°，屬于流動性極差的原料。粉碎玉米秸稈屬于輕質(zhì)疏松原料，極容易堆積。

　　動態(tài)堆積角在17°～31°之間，存在一定差異（P<0.05），內(nèi)蒙地區(qū)的玉米秸稈動態(tài)堆積角比其他地區(qū)略小。這是由于內(nèi)蒙玉米秸稈的均勻度差，振動時，原料較大粒徑的粒子更容易滑落。

　　對于不同地區(qū)粉碎后玉米秸稈，原料的全水分直接影響靜態(tài)和動態(tài)堆積角的變化，如圖2所示。隨著全水分增大，動態(tài)堆積角越大。原因是含水量增大，原料顆粒之間黏聚力增大，導致堆積角隨濕度增加而增大。

　　2.1.3摩擦系數(shù)特性測試

　　不同地區(qū)粉碎后玉米秸稈的內(nèi)外摩擦系數(shù)變化均不顯著（P>0.05），見表5，不同地區(qū)玉米秸稈與金屬的最大靜摩擦系數(shù)μs1在0.49～0.55之間，滑動摩擦系數(shù)μk1在0.43～0.47之間；與橡膠的最大靜摩擦系數(shù)μs2在0.58～0.60之間，滑動摩擦系數(shù)μk2在0.45～0.56之間；原料的內(nèi)摩擦系數(shù)tanΦ在0.62～0.73之間。玉米秸稈的內(nèi)摩擦系數(shù)大于原料與橡膠材料的摩擦系數(shù)，大于原料與金屬材料的摩擦系數(shù)，如圖3所示。

　　外摩擦系數(shù)對確定秸稈原料加工設(shè)備的動力功率、摩擦副材料的選用，對摩擦表面加工工藝的確定，對摩擦磨損機理的研究等都有參考價值。不同地區(qū)的粉碎后玉米秸稈的內(nèi)外摩擦特性基本一致，這簡化了秸稈類壓縮機具的設(shè)計，可將同一型號的秸稈壓縮機具適應(yīng)不同地區(qū)的玉米秸稈，只需根據(jù)不同地區(qū)玉米秸稈的堆積密度不同，調(diào)節(jié)進料量，以滿足壓縮機具的生產(chǎn)率要求即可。

　　靜態(tài)堆積角和內(nèi)摩擦角都能反映出原料的內(nèi)摩擦特性。靜態(tài)堆積角表示單粒物料在物料堆上滾落能力，是內(nèi)摩擦特性的外觀表現(xiàn)。內(nèi)摩擦角反映散粒物料層與層間的摩擦特性。數(shù)值上堆積角始終大于內(nèi)摩擦角，對無黏聚力的散粒物料，堆積角等于內(nèi)摩擦角。粉碎后玉米秸稈的內(nèi)摩擦角Φ在31°～36°之間，比靜態(tài)堆積角小，可見，玉米秸稈原料自身存在一定的黏聚力。

　　2.1.4流動特性測試

　　不同地區(qū)粉碎后玉米秸稈的流動性差異不大，采用靜態(tài)堆積角判斷玉米秸稈的流動特性極差，如前所述。不同地區(qū)玉米秸稈的內(nèi)摩擦系數(shù)在0.62～0.73之間，摩擦系數(shù)較大，屬于不易流動原料，這與堆積角評價流動特性相吻合。而采用Carr指數(shù)法評分后，流動性指數(shù)范圍在63～68之間，流動性能為一般，如圖4所示，與堆積角評價流動性有差異，原因是Carr指數(shù)法中的4個指標中，壓縮率指標評分較高。秸稈原料屬于極松散原料，振實后原料仍然疏松，存在較大的空隙，使得壓縮率對流動性指數(shù)的評分值較高，從而流動性指數(shù)法評價流動性為一般，建議適當降低Carr指數(shù)法評價流動性級別，以便更好評價松散原料的流動特性。

　　2.2同一地區(qū)不同種類秸稈

　　不同種類粉碎后秸稈測試數(shù)據(jù)分析見表6。自然堆積密度和振動堆積密度有很大差異，靜態(tài)、動態(tài)堆積角以及滑動摩擦系數(shù)差異顯著，其他指標無顯著差異。

　　2.2.1堆積密度特性測試

　　不同種類粉碎后的秸稈，堆積密度存在顯著差異（P<0.05），見表6。小麥秸稈的堆積密度最小，自然和振實堆積密度分別為37.43和48.40kg/m³。大豆秸稈和棉秸的堆積密度最大，自然堆積密度約為140kg/m³，振實堆積密度可達200kg/m³左右，如圖5所示。

　　采用同一粉碎機粉碎秸稈，不同種類秸稈的均勻度相差較大，粉碎后小麥秸的均勻度最好，但堆積密度最小。這是因為小麥秸稈為空心莖，僅由外部表皮構(gòu)成，內(nèi)部中空，且外表皮本身密度較小，使得小麥秸稈的堆積密度比其他秸稈要小得多。玉米秸稈由表皮和髓構(gòu)成，髓部所占空間較大，且髓質(zhì)地疏松，孔隙多，致使玉米秸稈本身密度較小，堆積密度也較小。大豆秸稈、棉秸均為實心莖，本身結(jié)構(gòu)較密實，其堆積密度也較大。可見，僅關(guān)注均勻度對不同種類秸稈的堆積密度影響是不夠的。不同種類秸稈的堆積密度與秸稈自身組成結(jié)構(gòu)直接相關(guān)。

　　據(jù)圖5分析可知，堆積相同質(zhì)量的不同種類原料，花生殼、玉米秸稈、小麥秸稈所需體積分別是大豆秸稈和棉秸的1.15倍、1.5倍和近4倍，因此，為避免玉米和小麥秸稈等原料占用空間大的問題，儲存時應(yīng)考慮將其預壓處理。

　　2.2.2堆積角特性測試

　　不同種類粉碎后的秸稈，靜態(tài)堆積角在44°～51°之間，存在一定差異（P<0.05）。小麥和花生殼靜態(tài)堆積角小于46°，屬于流動性差的原料，而玉米秸、大豆秸稈和棉秸屬于流動性極差的原料。動態(tài)堆積角在22°～31°之間，存在差異（P<0.05）。玉米秸稈的動態(tài)堆積角最大，小麥秸稈最小。

　　全水分對靜態(tài)堆積角和動態(tài)堆積角均有一定影響，如圖6所示。除小麥秸稈外，其他秸稈全水分越高，堆積角也較大，這與原料粒子間的黏聚力有關(guān)，水分增高，黏聚力增大，越不易流動。

　　2.2.3摩擦系數(shù)特性測試

　　對于外摩擦系數(shù)，秸稈類粉碎后原料與金屬的最大靜摩擦系數(shù)μs1在0.45～0.53之間，滑動摩擦系數(shù)μk1在0.40～0.47之間，不同種類粉碎后秸稈原料差異不顯著（P>0.05）。秸稈類粉碎后原料與橡膠材料的最大靜摩擦系數(shù)μs2在0.51～0.62之間，滑動摩擦系數(shù)μk2在0.41～0.54之間，不同種類粉碎后秸稈原料略有差異（P<0.05），小麥秸稈的滑動摩擦系數(shù)最低。不同種類秸稈的內(nèi)摩擦系數(shù)tanΦ在0.53～0.65之間，無明顯差異。同種秸稈原料的內(nèi)摩擦系數(shù)均大于其與外界材料的摩擦系數(shù)，如圖7所示。

　　不同種類粉碎后秸稈原料的摩擦特性對相應(yīng)的生物質(zhì)壓縮成型機具的設(shè)計具有重要的參考價值。如秸稈原料與金屬材料的摩擦系數(shù)數(shù)值的測定可直接為環(huán)模式生物質(zhì)固體燃料成型機的關(guān)鍵部件環(huán)模和壓輥的材料及熱處理方式選擇提供參考依據(jù)，以保證關(guān)鍵部件的耐磨性和硬度，延長使用壽命。

　　采用橡膠類皮帶輸送設(shè)備輸送秸稈類原料時，不同地區(qū)的玉米秸稈與橡膠材料的摩擦系數(shù)變化不大，為保證原料的輸送量，可設(shè)計同一材質(zhì)的皮帶輸送設(shè)備，只需考慮原料的堆積密度不同，所需輸送空間不同即可。

　　而不同種類的秸稈為保證輸送量，不僅考慮原料的堆積密度，還需考慮與輸送皮帶材料的摩擦作用，小麥和花生殼可歸為一類，設(shè)計相同材質(zhì)皮帶。玉米秸、大豆秸稈和棉秸為另一類。

　　粉碎后不同種類秸稈的內(nèi)摩擦角Φ在28°～33°之間，比靜態(tài)堆積角小。可見，不同種類的秸稈原料自身均存在較大的黏聚力。全水分最小的小麥秸稈，其堆積角最小，內(nèi)摩擦角也最小。

　　2.2.4流動特性測試

　　粉碎后秸稈類原料的流動性指數(shù)在59～72之間，如圖8所示。不同種類秸稈的流動特性有所不同，大豆秸稈和棉秸的流動性指數(shù)分別為61和59，流動性能較差；其次為花生殼，流動性指數(shù)70；小麥流動特性指數(shù)為72，流動性能較好，從內(nèi)摩擦系數(shù)也可看出，小麥的內(nèi)摩擦系數(shù)最小，流動性能相對較好。

　　采用Carr指數(shù)法評價級別比堆積角對流動特性評價級別高，如前所述。對于秸稈類輕質(zhì)松散原料，建議將流動特性指數(shù)對應(yīng)的評價降低一級，以便更好地反映出秸稈原料的流動特性。

　　設(shè)計秸稈類原料輸送和倉儲裝備時，應(yīng)考慮不同種類秸稈流動的差異性，根據(jù)不同原料設(shè)計與之適應(yīng)的相關(guān)設(shè)備。

　　3討論

　　不同地區(qū)的玉米秸稈的各指標中堆積密度和動態(tài)堆積角有差異，原因可能與玉米種植品種有關(guān)，不同品種的秸稈粉碎后原料的均勻度有一定差異。內(nèi)蒙古地區(qū)玉米秸稈粉碎后的均勻度最差，堆積密度最小，河南、山東和安徽地區(qū)其次，黑龍江和河北地區(qū)玉米秸稈粉碎后的均勻度最好，導致堆積密度最大。粉碎后原料的均勻度不同，也對動態(tài)堆積角產(chǎn)生了一定影響。不同地區(qū)的玉米秸稈的摩擦特性和流動特性均無顯著差別。

　　同一地區(qū)的不同種類秸稈的各指標中堆積密度、堆積角、流動特性以及與橡膠的滑動摩擦系數(shù)有一定差異（P>0.05），特別是堆積密度差異非常大，玉米秸稈、花生殼、大豆秸稈和棉秸的自然堆積密度分別約為小麥秸稈的2.5倍、3.3倍、3.8倍和近4倍，這不僅與秸稈的粉碎均勻度相關(guān)，而且與秸稈本身的結(jié)構(gòu)組織更為密切相關(guān)，小麥秸稈莖桿中空，只有外表皮層，因此堆積后孔隙較多，堆積密度最小。玉米秸稈雖然含有中間層，但中間為髓質(zhì)部分，質(zhì)地較輕，堆積密度也不高，花生殼自身的組織致密程度也不及棉秸和大豆秸稈，棉秸和大豆秸稈的組織結(jié)構(gòu)最密實，堆積密度相應(yīng)最高。由于粉碎的均勻度和全水分影響，小麥秸稈的動態(tài)堆積角最小。秸稈類原料均屬于流動性差的范疇，小麥和花生殼流動性差，玉米秸、大豆秸稈和棉秸流動性極差。原因是與秸稈自身的結(jié)構(gòu)組織相關(guān)，秸稈類原料不如沙石、土或糧食種子等其他散粒體結(jié)構(gòu)密實，秸稈原料屬于松散類原料，這可能是導致其流動性差的根源。

　　4結(jié)論

　　1）粉碎秸稈的自然和振實堆積密度分別為37.43～140和48.40～200kg/m3之間，靜態(tài)和動態(tài)堆積角分別在44°～51°和17°～31°之間。不同秸稈原料，堆積密度差異顯著，內(nèi)蒙古和河南玉米秸稈堆積密度較小。秸稈品種和均勻度對堆積密度影響較大，秸稈品種遠大于均勻度對堆積密度的影響。玉米秸稈、花生殼、大豆秸稈和棉秸的自然堆積密度分別約為小麥秸稈的2.5倍、3.3倍、3.8倍和近4倍。均勻度好的原料，堆積密度較大。不同地區(qū)玉米秸稈動態(tài)堆積角有一定差異，河北、河南兩地的玉米秸稈最大。不同種類秸稈堆積角不同，玉米秸稈最大，小麥秸稈最小。同種原料的堆積角隨原料全水分的增加而增大。

　　2）摩擦特性中，與金屬、橡膠材料的最大靜摩擦系數(shù)范圍分別為0.45～0.55和0.51～0.62，內(nèi)摩擦系數(shù)為0.53～0.73，不同地區(qū)粉碎玉米秸稈和不同種類粉碎秸稈的最大靜摩擦系數(shù)差異均不大。秸稈類粉碎原料屬于流動性差的原料，不同地區(qū)玉米秸稈差異不大，大豆秸稈和棉秸的流動性能較差，小麥秸稈的流動性能略好。

　　3）秸稈原料的壓縮、輸送、儲存等相關(guān)裝備及工藝路線的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮不同地區(qū)、不同種類粉碎秸稈原料之間物理特性的差異性，特別是堆積密度和堆積角差異較大。

　　4）流動特性缺少相應(yīng)的測試方法，該文用堆積角、內(nèi)摩擦系數(shù)及Carr指數(shù)法分別對流動特性進行評價，表明對秸稈松散類原料，不同的評價方法對流動特性的評價級別存在一定差異，建議降低Carr指數(shù)評價級別，以便更好反映出粉碎秸稈的流動特性。

　　本試驗只針對粉碎后粒度小于10mm的秸稈類原料進行分析，建議下一步針對不同粉碎粒度的秸稈類原料物理特性進行對比研究，為秸稈的能源化、飼料化、基料化等多種利用方式提供更加全面的基礎(chǔ)參考依據(jù)。

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