生物质燃料常温高压致密成型技术及成型机理研究_41_45

1、0.9511.051.11.1510203040506070压力/Mpa压块密度/(g /c m 3 图3-9 四倍体刺槐枝压块密度与压力之间的关系曲线Fig.3-9 relation curve between branch of tetraploid silver chain briquette density and pressure 图3-10 不同压力作用下四倍体刺槐成型效果图Fig.3-10 Pictures of branch of tetraploid silver chain briquette with different pressure从以上五种材料的压块密度与压力之间

2、的关系曲线可以看出,将所测得的数据经多项式拟合后,拟合度R 2均大于0.9,可以认为拟合曲线对应的函数关系式符合压块密度与压力的实际关系。随着压力的增大,压块密度呈增大趋势,当压力达到一定值(通常为3545MPa,换算成作用在成型块上的压力为194.6250.2MPa后,压块密度缓慢增大,或者几乎不增大。在实验过程中发现,压力在2035MPa(即作用在成型块上的实际压力为111.2194.6MPa范围内,各种生物质成型块的压块密度在0.951.3g/cm 3之间,参照有关学者的研究,压块密度在1.1g/cm 3左右,就可达到存放、运输要求,成型效果就很好,因此压制成型块时不需更大的压力,以降低

3、能耗。3.2含水率对压块密度的影响已有的研究结果表明,影响生物质常温高压致密成型的主要因素是成型压力及原料含水率。含水率对成型效果的影响实验由笔者和李美华硕士共同完成,在这里引用一些实验数据总结说明含水率对成型效果的影响,对实验结论进行完善。实验中不同含水率原料的准备按照 2.2.1.2小节中所叙述的方法进行,含水率的测量参照2.2.2.3的方法。此部分实验的目的是通过改变木材加工剩余物锯末和小刨花的含水率,得出使其成型效果较好且生产成本较低的含水率,并分析得出含水率与压块密度的关系。3.2.1锯末原料含水率与压块密度的关系表3-1 锯末在不同压力下改变含水率压缩成型后的压块密度Tab.3-1

4、 the density of sawdust briquette in different pressure and moisture content 10MPa 0.859 0.913 1.237 0.966 0.895 0.866 不成型 20MPa 1.126 1.065 1.374 1.113 0.936 0.904 不成型 40MPa 1.158 1.278 1.452 1.457 1.042 1.004 不成型 60MPa 1.265 1.394 1.486 1.491 1.213 1.172 不成型 从表3-1的测量数据可以看出,含水率在15%左右压块密度值达到最大,成型效果较

5、好。含水率小于15%左右时,压块密度随含水率的增加呈增大趋势,含水率大于15%左右时,压块密度平均快速下降0.35g/cm3,之后随着含水率的增加,变化较小,总体上有下降趋势。当含水率为23%时,成型块表面有裂纹,颗粒间不能很好的粘结,几日后裂纹处裂开。锯末颗粒在室内自然风干一个月后含水率为5.5%,在此含水率下进行成型加工,效果就很好,压块密度在0.8591.265g/cm3之间。从表中还可看出同一含水率下,对锯末进行压块成型实验时,随着压力的增大,压块密度增大,增大到一定值后,增大趋势不明显,这与上一节的结论吻合。3.2.2小刨花原料含水率与压块密度的关系表3-2小刨花在不同压力下改变含水

6、率压缩成型后的压块密度 Tab.3-2 the density of small paring briquette in different pressure and moisture content 10MPa 0.877 0.831 1.039 1.034 0.952 0.789 不成型20MPa 1.053 0.977 1.186 1.112 1.068 0.867 不成型40MPa 1.223 1.107 1.316 1.259 1.122 0.934 不成型60MPa 1.256 1.125 1.412 1.287 1.143 0.957 不成型从表3-2可看出,小刨花原料的含水率为

7、15%左右,压块密度值最大,含水率大于15%左右时,压块密度有下降趋势。含水率增加到23.7%时成型效果较差,成型块表面有裂纹。在自然风干状态下得到的含水率,小刨花的成型效果就很好,压块密度分布在0.8771.256g/cm 3之间。其他结论与锯末类似。可见,对于木材加工剩余物(锯末和小刨花含水率在15%左右得到的压块密度最大,常温高压致密成型允许的原料最大含水率为22%左右,原料经室内自然风干后得到的含水率,就可满足成型加工要求,并且成型效果较好。3.3原料种类对压块密度的影响本组实验的目的是比较相同压力下,含水率基本相同的不同种原料的致密成型效果,评价指标仍为压块密度。为了使实验结果更全面

8、,结合工学院林业与园林机械实验室之前做过的几种原料的成型实验数据,比较玉米秆、豆秆、芝麻秆、锯末、小刨花、木材削片、灌木、芦竹和四倍体刺槐枝九种原料的致密成型效果。由于实验原料的含水率较难精确控制,因此取相近的值认为是同一含水率。各种原料的含水率分别为7.0%、7.8%、7.3%、7.97%、7.0%、7.2%、7.6%、7.65%、8.06%,成型压力在成型效果较好的2035MPa 之间取值。 0.80.911.11.21.31.4123456789原料种类压块密度/(g /c m 3图 3-11 不同原料种类的成型比较Fig.3-11 Comparison of briquette wit

9、h different materials实验数据取自以上两组实验,图3-11中横坐标1、2、3、4、5、6、7、8、9分别代表玉米秆、豆秆、芝麻秆、锯末、小刨花、木材削片、灌木、芦竹和四倍体刺槐枝这九种不同的生物质原材料。由图3-11可以看出:玉米秆的压块密度集中在1.21.32g/cm 3之间,压缩比为:7.958.74;豆秆压块密度则在1.181.31 g/cm 3之间,压缩比为:9.8310.92;芝麻秆的压块密度在 1.051.3 g/cm3之间,压缩比为:9.7212.04;锯末的压块密度在 1.051.13 g/cm3之间,压缩比为:6.737.24;小刨花的压块密度集中在1.1

10、61.3 g/cm3之间,压缩比为:17.8520;木材削片的压块密度在0.91.1 g/cm3之间,压缩比为:7.839.56;灌木纤维具有很强的韧性,其压块密度在1.21.35 g/cm3之间,压缩比为:5.486.16;芦竹也具有较强的韧性,其压块密度在0.8 1.15g/cm3之间,压缩比为:5.167.42;四倍体刺槐枝的原料密度较大,其成型块的密度相对集中,分布在1.081.15 g/cm3之间,压缩比为:5.545.90。农作物秸秆所含木质素较少,不适宜通过加热使木质素软化而成型,采用常温高压致密成型具有优势;灌木、芦竹和四倍体刺槐枝的纤维长且韧性强,成型时较困难,但通过常温高压

11、致密成型后也可达到存放、运输要求,成型效果也很好、用手掰时很难裂开,且压块密度值相对集中。同一种原料随着成型压力在2035MPa范围内增长时,压块密度呈增大趋势,在这个压力范围内锯末和木材削片的压块密度相对集中,芝麻秆和豆秆的压块密度分布较分散,由于灌木原料本身密度大,其压块密度均较高,而锯末由于颗粒细小,成型后的密度值总体上较低,芦竹和四倍体刺槐枝的密度随压力的增大变化趋势不大,数值也相对集中,总体上林木生物质成型块的密度分布较农作物秸秆成型块的密度集中。虽然不同材料的压块密度不同,成型效果也各不一样,但仍可从以上实验看出多数原料都适于进行常温高压致密成型,这说明此机型具有广阔的应用前景,适

12、合于多种原料的成型,益于在多数地区使用。3.4小结目前为止,对生物质燃料常温高压致密成型影响因素的研究还很少。本章以能耗低、成本低为出发点,借助未充分开发利用的秸秆、木材加工剩余物、芦竹、四倍体刺槐枝等原料,在现有的成型设备上进行成型实验,观察实验现象,找出各影响因素的最佳参数范围,得出相关结论。本章以压块密度作为评价成型块好坏的标准,通过实验数据,归纳出了成型压力对压块密度的影响曲线及关系式,得出成型压力在20MPa35MPa之间,即作用在成型块上的压力为111.2194.6MPa之间所得的成型块,其密度值在0.951.3g/cm3之间(相关资料表明,压块密度在1.1g/cm3左右,就可达到存放、运输要求,成型效果就很好,因此压制成型块时无需更大的压力,避免造成能源浪费。针对锯末、小刨花两种生物质原料,改变其含水率,进行常温高压致密成型实验,得出含水率在15%左右时,压块密度最大,并得出经自然风干后的原料即可很好的成型,这样在今后的成型燃料加工时,可以不进行原料干燥这项工序,直接使用自然风干后的原料进行压块。同时,也验证得出了此液压驱动的活塞冲压式成型机所能压制原料的最大含水率为22%左右。对九种不同的生物质原料进行了常温高压致密成型实验,认为大多数原