文章信息
- 王雪皓, 陈忠加, 俞国胜, 袁湘月, 庞明宏
- Wang Xuehao, Chen Zhongjia, Yu Guosheng, Yuan Xiangyue, Pang Minghong
- 套筒加热方式对锯屑致密成型的影响
- Influence of Die Heating Method on Sawdust Densification
- 林业科学, 2018, 54(2): 145-152.
- Scientia Silvae Sinicae, 2018, 54(2): 145-152.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20180217
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文章历史
- 收稿日期:2017-04-24
- 修回日期:2017-09-21
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作者相关文章
随着人类对能源需求的不断增加,目前广泛使用的石油、煤炭、天然气等不可再生能源正面临日益枯竭的问题。为解决能源危机, 人类有必要开发可再生的新能源来代替化石燃料。生物质能源作为一种廉价、清洁的可再生能源,正越来越广泛地被人们所关注,而我国作为农业大国,在生物质能源的原料供应、能源需求以及政府政策支持等方面均有较大优势。
锯屑(sawdust)是锯木时所产生的细小颗粒,又称木屑或锯末,是林区和木材加工企业生产中的废弃物(Matúš et al., 2014)。废弃锯屑粒度较小,避免了二次粉碎带来的能耗增加(Ajiboye et al., 2017),且锯屑和锯屑残炭的灰分和硫含量均较低,有利于减少燃料燃烧的污染物排放,因此,以其为原料制备生物质成型燃料代替化石能源,将能大大降低企业的生产成本和环保压力(Taulbee et al., 2009)。
在生物质压缩成型时,加热方式和生物质含水率对成型燃料的物理品质、成型压力和比能耗有重要影响。在加热方式方面,张旭等(2010)利用万能试验机研究了温度对生物质成型的影响,发现若要获取高密度产品,可对物料进行预热等加温处理,提高其压缩性,减小动力能耗;侯振东等(2010)发现加热温度在75~100 ℃时,可生产出品质良好的燃料;侯鹏程(2013)发现生物质中所含的木质素软化,熔融而成黏结剂,使压缩燃料的外表炭化,可减少挤压动力消耗;王功亮等(2016)发现100 ℃以内,温度升高,木质素软化黏结作用增强,比能耗不变,100 ℃以上,木质素软化黏结作用已达最大,温度升高比能耗增加。在生物质含水率方面,回彩娟(2006)研究发现,锯屑含水率在15%左右时,燃料密度最大,成型效果较好,含水率小于15%时,密度随着含水率增加呈增大趋势,含水率大于15%时,成型密度下降迅速;李强等(2012)试验证明,冷压成型锯屑的最佳含水率为12%~16%。
综合以上研究发现,虽然加热成型理论得到了进一步完善,但是研究设备多采用万能力学试验机,成型速率较低,加温时间较长,成型工艺与生产实际差距较大,对生产实践指导意义较小(Adapa et al., 2013),且在加热条件下锯屑成型最佳含水率范围未见研究。鉴于此,本文针对生产实际,利用自主研制的单柱塞生物质成型试验机制备成型燃料,探究加热温度对成型燃料物理品质和成型压力的影响,调制一定含水率的锯屑为试验材料,在固定转速下进行生物质致密成型试验,寻找最佳含水率和加热温度,为加热成型方式研究提供一定的思路和参考依据,为生产实际提供合理工艺参数。
1 材料与方法 1.1 试验材料试验材料选用废弃松木锯屑。由于木质材料的理化特性受温度、湿度影响较大(Arul Kumar et al., 2015),因此实地取样并密封储存。取样时间为加工剩余闲置后20~30天,锯屑自然风干,未发生霉变,样品质量为30 kg。锯屑粒度较小,无需粉碎处理,粒度分布如表 1所示。含水率测定参照GB/T 1931—2009,将试验样品置于快速水分测定仪中干燥至质量恒定,计算出初始含水率为5.4%。为考察含水率对成型的影响,加水调制锯屑含水率分别为10%、12%、14%、16%和18%。
试验于2017年3月在北京林业大学工学院实验室进行。环境温度18~22 ℃,相对湿度45%~52%。采用北京林业大学自主研制的单柱塞成型试验机,如图 1所示,主要由机架、动力源、传动系统、成型装置与供料装置5部分组成。动力源为380 V三相异步电动机(型号:YE2-132M-4),额定功率为7.5 kW;单柱塞成型试验机由电动机提供动力,经减速器降低转速后通过联轴器与试验机偏心轴连接,带动柱塞往复运动,设置往复运动速度为每分钟78次。在试验机料仓外部,与柱塞同轴线连接一个内径24.5 mm、长度110 mm(长径比4.5)的成型套筒(图 2)。成型套筒外部套设加热带,用于外部加热。柱式压力传感器(型号:LDCZL-ZK)连接到两柱塞之间,以测量成型过程中压力变化。另外,在机架上安装固定位移传感器(型号:KTM-50),测量柱塞往复运动的实时位移。传感器通过数据采集系统采集信息,实时获取对应的力和位移数据。试验机工作时,原料加入料斗,柱塞往复运动将前端原料不断压入成型套筒,使成型套筒的壁面与原料产生成型压力,将原料挤出模具外成型。
使用电子游标卡尺测量成型燃料的长度和直径。直径测量时为保证精度,分别沿成型燃料轴向测量前中后3个位置,并取平均值。使用精度为0.01 g的电子天平(型号:SF-400 A)称量成型燃料质量。为获取精确的体积,将成型燃料的边缘磨平。
每个温度梯度试验随机抽取5个样品,室内放置72 h后测量其质量、长度和直径,计算松弛密度,公式如下:
$ \rho = \frac{{4m}}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}{d^2}L}}。$ | (1) |
式中:ρ为松弛密度(g·cm-3);m为成型试样质量(g);d为成型试样直径(cm);L为成型试样长度(cm)。
1.2.3 成型燃料耐久度测定根据NY/T 1881,成型燃料耐久性即耐磨性,采用防尘滚筒装置测量。检测时旋转速度固定在(40±1)r·min-1并保持12.5 min,即保证总的旋转次数为500±1。耐久度计算公式如下:
$ {\rm{Du}} = \frac{{{m_1}}}{m} \times 100\% 。$ | (2) |
式中:Du为耐久性(%);m1为磨损后成型试样质量(g);m为磨损前成型试样质量(g)。
1.2.4 试验设计单因素试验:每个含水率试验温度分别控制在AT(ambient temperature, 环境温度)、50、75、100、125、150、175、200、225和250 ℃,且每个温度梯度试验进行不少于20 min,记录每个温度成型过程中的最大成型压力。通过单因素试验,考察含水率和加热温度对成型燃料松弛密度、耐久度和成型压力的影响。根据单因素试验结果,确定试验点,建立松弛密度和成型压力数学回归模型。试验设计见表 2。
表 3为筛选试验,表中数字表示致密成型燃料表观特征及成型条件,具体含义如下:1——成型燃料表面光滑,少有裂纹;2——成型燃料表面裂纹明显;3——成型压力小于100 MPa;4——成型压力大于100 MPa;5——松弛密度大于0.7 g·cm-3;6——松弛密度小于0.7 g·cm-3;7——所需成型压力过大,无法正常出料;8——成型条件不适宜,无法成型;9——成型黏结效果差,呈片状。综合试验结果发现,10%含水率的成型燃料:当温度小于200 ℃时,成型所需压力较大,无法正常出料;当温度大于200 ℃时,成型压力大于95.74 MPa,能耗较高且机器易磨损,这是因为含水率过低,缺少了水分的润滑作用。18%含水率的成型燃料:成型效果如图 3所示,50~100 ℃成型黏结效果差,呈片状,这是因为在低温下,成型压力较大,剧烈的撞击运动破坏了成型燃料内部颗粒的纵向结合;当温度高于100 ℃时,成型燃料表面多裂纹,成型效果较差,不满足预期成型要求。故满足良好成型要求的因素范围为:含水率12%~16%,加热温度75~225 ℃。
图 4为75~225 ℃下16%含水率成型燃料的成型效果。成型燃料在75~150 ℃下,表面光滑,成型效果较好;当温度达到175 ℃时,成型燃料表面出现明显裂纹和变形,成型效果略有下降;当温度达到200 ℃以上时,成型效果下降明显。这是因为成型加工时燃料内部会产生部分蒸汽,在成型套筒内部蒸汽无法排出,当成型燃料出模后,存储在成型燃料内部的蒸汽迅速逸出,出现“放炮”现象,造成局部膨胀或开裂(Kaliyan et al., 2009;齐天等,2017)。成型燃料在75~175 ℃下,表层出现炭化,并随温度升高,表层炭化颜色逐渐加深(Lunguleasa et al., 2015)。
由图 5可知,温度从75 ℃升至225 ℃,不同含水率成型燃料的成型压力总体呈下降趋势,但也存在个别温度下成型压力呈现短暂持平或升高的现象。可能由于温度升高,样品中的水分散失,失去了水的润滑作用,造成样品与成型套筒间摩擦力增大(Tumuluru et al., 2010;Križan et al., 2015)。
由图 6可知,温度从75 ℃升至225 ℃,不同含水率成型燃料的松弛密度由1.2 g·cm-3逐渐下降至0.4 g·cm-3,总体呈下降趋势。但当温度为125~175 ℃时,松弛密度下降趋势减慢,这是因为成型燃料内部温度达到了70~110 ℃,微观上木质素分子结构中的芳香基和酚羟基开始遭到破坏,从而使得木质素宏观表现为黏合力增加(张霞等,2014;吴云玉等,2011;Zhang et al., 2008;Li et al., 2012)。当温度达到200 ℃以上时,成型燃料的松弛密度急剧下降,可能是因为物料在高温高压下表面发生了炭化。在同一温度下,14%含水率成型燃料的松弛密度高于12%和16%含水率成型燃料的松弛密度,这说明生产高密度成型燃料的最佳含水率应在14%左右。
由图 7可知,不同含水率成型燃料在75~200 ℃条件下耐久度变化总体呈直线趋势,变化不显著,均达到90%以上。这是因为在合理的温度下,加热有效促进了微观颗粒的结合,宏观上表现为耐久度较高。温度达到200 ℃以上时,耐久度下降明显,由于16%含水率成型燃料表面有较多裂纹,故下降最为显著。考虑实际生产要求(Tumuluru et al., 2010;2011),最优加热温度不宜高于200 ℃。
利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行二次回归分析(表 4)和多元回归拟合,得到松弛密度(ρ)和成型压力(P) 2个指标的回归模型,并检验其显著性。
由表 5可知,对于松弛密度,因素及因素间的交互作用影响的主次顺序是x22、x13、x14、x1、x2、x12,含水率的平方项x22对松弛密度的影响极显著(P<0.01),加热温度的三次项x13、四次项x14对松弛密度的影响较显著(0.05<P<0.1)。将影响不显著的项和自由度并入残差项,然后进行方差分析,得到各因素对松弛密度影响的回归方程如下:
$ \begin{array}{l} \rho = - 8.29968 + 0.09947T + 0.91295H - 1.16637 \times \\ {10^{ - 3}}{T^2} - 0.032892{H^2} + 5.82453 \times {10^{ - 6}}{T^3} - 1.069 \times \\ {10^{ - 8}}{T^4}, {R^2} = 0.97。\end{array} $ | (3) |
由表 6可知,对于成型压力,因素及因素间的交互作用影响的主次顺序x1、x1x2、x12x22、x23、x1x22、x12、x12x2、x2,加热温度x1, 加热温度和含水率交互作用项x1x2、x12x22、x1x22,含水率的平方项x22对成型压力的影响极显著(P<0.05)。将影响不显著的项和自由度并入残差项,然后进行方差分析,得到各因素对成型压力影响的回归方程如下:
$ \begin{array}{l} \rho = - 7403.29396 + 92.25065T + 1081.40002H - \\ 13.18032TH - 0.29884{T^2} - 38.55925{H^2}{\rm{ + }}\\ 0.042254{T^2}H{\rm{ + }}0.46762T{H^2} - 1.49013 \times \\ {10^{ - 3}}{T^2}{H^2}, {R^2} = 0.99。\end{array} $ | (4) |
通过Design-Expert 8.0.6软件对数据进行处理,得到加热温度(x1)、含水率(x2)对松弛密度(ρ)、成型压力(P) 2个试验指标影响的响应面,如图 8所示。
对于松弛密度,当含水率固定在某一水平时,随着加热温度升高,松弛密度降低。当加热温度一定时,随着含水率增大,松弛密度先增大后减小,在含水率为14%左右时取得最大值。试验结果与图 6结论相一致。
对于成型压力,当含水率固定在某一水平时,随着加热温度升高,成型压力下降,且在温度200 ℃左右时成型压力急剧下降。
2.2.4 试验因素优化及验证通过对图 8中2个响应面的分析,利用Design-Expert 8.0.6软件的优化模块对回归模型进行求解,根据锯屑成型实际工作条件、燃料品质要求及上述模型的分析结果,选择优化约束的条件如下:
$ \left\{ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\min P\left({{x_1}, {x_2}} \right)\\ {\rm{s.t.}}\left\{ \begin{array}{l} \;\;\;{\rm{Du}} \ge 90\% \\ \;\;\;\;\;\rho \ge 0.7\\ 12\% \le H \le 16\% \end{array} \right. \end{array} \right. $ | (5) |
对其参数进行求解,得到多种参数优化组合。考虑成型能耗和生产效率,同时满足中密度成型燃料标准、成型压力最小条件的试验参数:含水率12%,加热温度200 ℃,此时松弛密度达0.79 g·cm-3,成型压力50.9 MPa。对优化结果进行验证试验,由表 6可知,试验因素的优化可使锯屑松弛密度达到0.79 g·cm-3,满足中密度成型燃料标准的要求(盛奎川等,2008)。
1) 成型套筒加热方式可以有效降低成型压力,从而降低成型能耗。
2) 采用套筒加热方式,锯屑在含水率14%附近时成型效果最佳,适宜生产高密度成型燃料。
3) 松弛密度达到中密度成型燃料标准(>0.7 g·cm-3)、耐久度达到90%以上,成型压力最小的参数水平为加热温度200 ℃、含水率12%。
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