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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(xué)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(shè)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(fù)合生物質(zhì)顆粒燃料的影響，綜合評定復(fù)合生物質(zhì)顆粒燃料的灰熔融性、焦渣特性、成型密度和外觀品質(zhì)。實驗結(jié)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(fù)合生物質(zhì)顆粒燃料的綜合性能最佳。
生物質(zhì)作為一種可再生的清潔能源，具有能源替代、環(huán)境保護和促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展三重功能，引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注[1-3]。我國農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)煤[4-5]。由于生物質(zhì)資源分散、形態(tài)各異、結(jié)構(gòu)疏松、空間大、能量密度小、直接燃燒的熱效率低、經(jīng)濟效益較差而成為規(guī)?；玫闹饕款i。顆粒成型技術(shù)就是將松散的、無定形的生物質(zhì)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(xiàn)燃燒過程自動化供料，改變傳統(tǒng)的生物質(zhì)的利用方式，成為生物質(zhì)能源利用的一種有效途徑。發(fā)達(dá)國家的技術(shù)與產(chǎn)品多用在木質(zhì)生物質(zhì)的處理，國內(nèi)這方面起步較晚，且主要研究單一生物質(zhì)的成型技術(shù)[6-7]。單質(zhì)成分的生物質(zhì)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(jié)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(zhì)顆粒燃料的燃燒特性和焦渣特性，本文進行了復(fù)合生物質(zhì)顆粒燃料實驗研究[8]。
1實驗設(shè)計
生物質(zhì)中都含有一定數(shù)量的木質(zhì)素，例如玉米秸稈中的木質(zhì)素含量15﹪左右。木質(zhì)素是由苯基丙烷單元構(gòu)成的三維空間聚合物，非晶體，無熔點，但有軟化點。當(dāng)溫度為70～110℃時，變軟而具有黏性；當(dāng)溫度達(dá)到200～300℃時，呈熔融狀，黏性較高[9-10]。壓力和溫度是生物質(zhì)熱壓成型中兩個重要的影響因素。
本實驗的研究目標(biāo)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(fù)合生物質(zhì)顆粒燃料（以下簡稱燃料）的成型品質(zhì)。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(yīng)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(dá)到1200℃時將其取出，評定焦渣特性，黏結(jié)序數(shù)1～7，打分為30～0；（3）用熱值測定儀測定燃料的低位發(fā)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(zhì)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(shè)計的，由成型機構(gòu)、壓縮機構(gòu)和加熱機構(gòu)組成，實物如圖1所示。
成型機構(gòu)由套筒、底座及柱塞組成，機械加工均達(dá)到精度要求，保證壓縮成型的嚴(yán)密性。壓縮機構(gòu)由液壓設(shè)備、壓力表及支架組成。成型機構(gòu)卡在液壓設(shè)備與支架之間，對其定位，通過杠桿對液壓設(shè)備給成型機構(gòu)加壓，使原料成型，壓力表測得成型壓力。加熱機構(gòu)是在成型模具的外表面上套上2個38mm×40mm的環(huán)形加熱套，對模具外表面均勻加熱，熱量通過模具壁面?zhèn)鬟f給內(nèi)部的生物質(zhì)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(tǒng)實現(xiàn)。測溫系統(tǒng)由TESTO454多參數(shù)多功能測試儀和鎳鉻-鎳硅熱電偶組成。通過測量模具內(nèi)部各點溫度分布，可計算出生物質(zhì)內(nèi)部的溫度。
成型機主要技術(shù)參數(shù)：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(yè)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(yè)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(biāo)卡尺。
3實驗結(jié)果與分析
按正交表L9（34）設(shè)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(jié)果填入實驗表，用正交試驗方法計算、分析實驗結(jié)果[11-12]。
熱值測定結(jié)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(biāo)函數(shù)的影響很小，因此該項可以不做評定成分。
實驗數(shù)據(jù)見表2，分析結(jié)論見表3[13]。
實驗結(jié)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(jīng)計算得因素F1、F2和F3的最優(yōu)水平分別為F（2，2，2）和F（2，3，2）。F（2，2，2）的預(yù)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(jié)果與預(yù)測相符。
4結(jié)論
實驗結(jié)果表明：復(fù)合生物質(zhì)的配比對燃料的性能影響最大，主要體現(xiàn)在提高燃料的軟化溫度和抗結(jié)渣性；成型壓力和成型溫度的影響力基本相當(dāng)，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(zhì)。但是，成型壓力高于32MPa后，壓力增高對提高成型品質(zhì)貢獻不顯著，而消耗功率大大增加，不經(jīng)濟。
成型溫度達(dá)到200℃后，顆粒表面出現(xiàn)焦糊，燃料的揮發(fā)份析出，壓縮過程易出現(xiàn)放炮現(xiàn)象。綜合分析實驗結(jié)果認(rèn)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(fù)合生物質(zhì)顆粒燃料的綜合性能最佳。
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