第5章 生物质秸秆致密成型试验研究
5.1成型块质量的评价
秸秆
颗粒燃料致密成型后品质的好或者差主要是看成型块的密度以及其燃烧热值。最重要质量特性是成型块的密度，它直接决定了成型块的热值、强度和运输要求。
生物质成型块的块物理特性的重要指标一般包括压块的松弛密度和耐久性。对于常温压缩致密成型来说，成型块的物理特性受生物质原料尺寸大小、挤压的方式、成型压力的大小、物料的含水率、模具的几何形状、原料物理特性等众多因素的影响。
松弛密度是生物质秸秆压缩致密成型后在干燥的环境中放置一段时间后的最终密度。它对生物质成型块的耐久性有重大的影响，密度大的生物质成型块，它的耐久性大。生物质成型块的耐久性也反映了生物质原料之间的粘结性能，耐久性好的成型块强度高、储存和运输性能也好。
生物质压块的松弛密度比刚压出成型的压块密度小，我们同常用松弛比描述成型块的密度。即初始的成型密度与最终成型的密度的比值�？梢员硎疚�
A=p
0/p
式中，Po-初始成型密度（刚从压块机挤出成型的密度）；
p-最终成型密度（成型块在干燥环境中放置一段时间的密度）。
目前国内外对生物质的质量评价还没有统一的标准。国内对生物质致密成型研究主要考察的是成型块的最终成型密度、强度以及运输性能等，对其它性能方面的研究很少，比如成型块的耐久性，燃烧热值等。
5.2试验目标
秸秆致密成型后，需对成型块进行质量检测分析，确定成型块是否满足运输、贮藏和搬运等使用要求。对秸秆致密成型影响最大的是秸秆的物料特性和成型的工艺变量。物料特性变量主要包括秸秆的尺寸、含水率等；工艺变量主要包括成型机的机型、温度、所施加的压力等。对于一台设计好的成型机，原料的含水率、施加压力及温度是影响生物质致密成型的主要影响因素。本文采用自制的模具进行试验研究，主要考虑秸秆的尺寸、含水率以及成型压力对秸秆致密成型的影响。
分别改变秸秆原料的含水率、原料尺寸、成型压力等因素，以玉米秸秆为原料进行致密成型试验。对比试验结果，找出成型效果较好的各种因素的最佳值。为生物质秸秆致密成型过程提供工艺参数，增强成型块的物理品质，提高成型块的致密成型率。
秸秆生物质燃料致密成型流程如图5-1所示。
5.3试验材料和试验方法
5.3.1 试验材料
1)不同尺寸原料的制备
用粉碎的方法制备不同尺寸的秸秆原料。粉碎是用工具将固体物质由大块碎裂成小块过程。传统的粉碎设备分为破碎机械和粉磨机械，它是根据粉碎成品的尺寸大小分类的。破碎机械是能将一半以上的物料粉碎到尺寸大于3mm的机器：粉末机械是能将一半以上的物料粉碎到尺寸小于3mm的机器。
破碎机械根据用途和结构可分：鄂式破碎机、圆锥式破碎机、锤片式破碎机等。
生物质秸秆类粉碎多用锤片式粉碎机。将粉碎过的玉米秸秆分级，得到小于
10mm，10~20mm，20—30mm三种不同尺寸的试验原料。
2)不同含水率的原料制备
原料含水率是秸秆致密成型中的一个重要影响因素。原料的含水率过高或过低都不能使产品很好的成型。原料含水率太低时，物料比较干燥，物料与成型模具之间以及物料与物料之间的摩擦力增大，虽然温度升高，木质素软化，但是水分太少不能促进木质素塑化和物料之间的粘结，致密成型很困难，而且能耗较大。含水率过高，成型率低，且容易产生放炮现象，造成事故。国内外目前都是根据实际的生产情况依据经验选取物料的含水率，没有具体的含水率规范。
①含水率的计算
含水率有两种表示方法，绝对含水率和相对含水率。
借鉴木材含水率的计算公式，计算玉米秸秆原料中所含水分质量比，绝对含水率用木材所含水分的质量除以绝干木材质量的比值。
玉米秸秆的绝对含水率是指玉米秸秆所含水分的质量占绝干秸秆质量的百分率，表达式为：
W=（G-G
0）/G
0*100%
式中：G
0-绝干质量，g
G-湿物料质量，g
w—绝对含水率，%
玉米秸秆的相对含水率的测定方法是，它所含水分的质量占总的湿秸秆质量的百分率，表达式为：
W - (G -Go)/G x100%
本文选用绝对含水率计算。
②含水率的测定
生物质秸秆含水率常用电测法和干燥法测定。
电测法是用含水率测量仪器进行直接读数。
干燥方法是采用测量方法准确度较高的炉干法。在不同尺寸秸秆原料中分别取出一定质量作为样本，并称其重量记录下来G(仪器为FA2004N型电子天平，精度为0.001g)，将样本物料放入搪瓷盘里，然后再放入101-2型电热鼓风干燥箱进行烘干，将干燥温度定为105±2℃，分时间段进行干燥，第一次烘干时间为3小时，主要是看看烘干效果，取出后称量样品的重量，记录下数据，计算所蒸发掉的水分，然后放回烘干箱继续进行干燥，直至被称量样品的重量前后两次相差不到0.002g时，看作质量达到恒重，干燥结束，记录晟终重量Gq。用公式(5-2)计算得出含水率值。
本文选用干燥法测定含水率。将不同尺寸的秸秆试验原料分成三份，然后从中取出一定量进行干燥，根据失去水分的多少计算出原料的含水率。本试验采用玉米秸秆作为原料，在河北科技大学工程训练中心力学试验室万能拉伸压缩试验机上进行试验研究。试验原料取自石家庄周边农田本年度收割成熟玉米秸秆，去除根部，自然风干至含水率10～20%。采用微型粉碎机对原料进行粉碎，清除物料里的杂质，然后将物料在101-2型电热鼓风干燥箱105℃条件下干燥，然后分别封存。待物料温度降至室温时，分别进行配水试验，通过计算每次加水量t，使原料含水率分别控制在5%、6.8%、10%、13%、15%、18%、20%、25%和30%，然后按照物料尺寸及含水率分别封存于写有标记的白色塑料袋里。
5-3.2 试验装置
试验中包括的试验仪器和设备包括：
液压万能试验机如图5-2所示；101-2型电热鼓风干燥箱如图5-3所示；游标卡尺；天平；喷水器；自制成型模具如图5-4所示等。
烘干机为101-2型电热鼓风干燥箱，如图5-3所示，其工作温度范围为50～300℃。烘干器皿为350x230x50mm的搪瓷盘，物料均匀铺开，以达到最优的烘干效果。由于秸秆颗粒较细小，应把鼓风调为最低，以免颗粒被吹出，造成质量流失。
5.3.3试验程序
本次试验设计的模具为外径45mm，内径30mm的圆筒形模具。试验前，用天平称出物料的质量，之后向模具内填充物料，同时压实物料直至物料充满模具，并使物料起始厚度一定^。根据试验情况设定不同的压力P，然后进行压缩试验，记录每次压杆位移s和压力P。根据每组试验所测得的物料质量m、压杆位移s和压力P，进行数据处理。
试验程序具体如下：
1)在同一物料、不同四种压力的条件下，不同含水率下的致密成型；
2)在同一含水率、相同尺寸物料条件下，不同压力下的致密成型；
3)在同一含水率、同一种物料条件下，不同尺寸的致密成型。
5.4试验结果及分析
5.4.1不同含水率条件下的致密成型试验
通过试验可得到玉米秸秆在不同含水率时的各种参数如表5-1所示。
表5-1玉米秸秆在不同含水率时致密成型试验结果
由表5-1可得到不同压力时秸秆物料的含水率一密度关系图，如图5-4所示。
以上四图是不同压力下，不同含水率和密度曲线图。经对比从中可以看出，不同四种压力下，成型块密度值达到最大时秸秆物料的含水率均在13～18%之间成型效果较好。成型块密度在含水率小于15%左右时随着含水率的增加变大；在含水率大于15%左右时，成型块密度随含水率增大迅速变小，之后随着含水率的增加，密度减小趋势缓和，当物料含水率大于25%时成型块表面有裂纹，成型块内部密度不均匀，成型效果不理想，含水率大于30%时，很难成型。
5.4.2不同压力条件下的致密成型试验
通过试验可得到玉米秸秆在不同压力下的各种参数如表5-2所示。
表5-2在不同压力下玉米秸秆致密试验结果玉米秸秆成型块密度与成型压力之间的关系如图5-5所示。
本文试验原料尺寸主要分布在5—20mm之间。玉米秸秆含水率为130/0，接近上个试验所得结果15%左右，分别施加5~70MPa不等压力进试验，每次施加压力相差SMPa，其他因素不变。得到在不同压力下玉米秸秆致密试验数据，结果记录如表5-2所示。
通过观察试验结果可以发现，在压力较小时，物料挤压不是很实在，成型块密度较小，表面粗糙，无法满足运输、贮存的要求，容易出现裂痕，强度低；随着压力的增大，在压力大于60MPa时，成型块密度变大，表面光滑，可以满足运输、贮存的要求，强度提高，成型效果比较好。
从图5-5中还可看出，在玉米秆进行致密成型过程中，密度随着压力的增加而变
大，当密度达到1.1g/m3左右时，压力继续增大时密度变化不明显。
5.4.3不同尺寸的秸秆致密成型试验
通过试验可得到不同玉米秸秆致密成型的各种参数如表5-3所示。
表5-3不同尺寸玉米秸秆致密成型试验结果
一般情况在相同压力下，原料尺寸小容易压缩成型，尺寸大的较难压缩成型。由致密成型原理可知，成型主要是秸秆粒子间相互挤压填充物料间的空隙进而密度变大，秸秆原料尺寸越小，粒子间填充性越高，粒子之间分子吸引力、粘结力大，在相同的压力下很容易粘结在一块，成型密度高，成型物表面光滑，强度高，成型效果很好。秸秆物料尺寸越大，粒子间填充性变低，粒子接触比较松散，彼此间嵌入不好，分子间的吸引力变小导致成型效果不好。
秸秆的尺寸对成型燃料的致密成型效果有很大影响，本文对三种不同尺寸的玉米秸秆进行了试验研究，虽然具有局限性，但也能一定程度上说明问题。图5-6为不同物料尺寸的压力一密度关系。
由图5-6可知，不同的尺寸的玉米秸秆致密成型密度不同，随着压力的增大，小于10mm和10～20mm尺寸的秸秆的致密程度增加，成型效果比较好，密度达到了1.1g/cm3左右，而20—30mm尺寸的秸秆成型密度较小，才达到0.9g/cm3左右，效果不理想。当压力达到一定值时，密度增大趋势缓和。试验表明10~20mm左右的颗粒大小较适于进行致密成型，而且成型效果比较好。
5.5本章小结
对玉米秸秆的含水率、尺寸、成型压力各个因素单独进行考虑，用自制的模具进行试验。
1)对玉米秆在不同含水率的条件下致密成型进行了试验，结果表明含水率在25%以下的物料几乎都可以致密成型，含水率大于30%的物料成型率较低，含水率在15%左右(13—18%)为最佳致密成型范围。
2)对玉米秸秆同样含水率和同样的尺寸条件下进行了试验，在压力较小时，物料挤压不是很实在，成型块密度较小，表面粗糙，强度低，容易出现裂痕，无法满足运输、贮存的要求：成型块密度变大，表面光滑，强度提高，成型效果比较好。试验结果表明60MPa左右多数原料能够成型，并且成型产品表面光滑，密度较大，品质较高。随着压力的增大，在压力大于60MPa时，密度的增加幅度不明显。
3)对玉米秸秆在不同尺寸的条件下进行了致密成型试验，发现秸秆尺寸太大或太小成型效果都不理想。试验结果表明，10—20mm左右的秸秆较适于进行致密成型。结论
可再生能源将是人类社会未来能源的基石，是常规化石能源很好的替代能源，由于生物质能是可再生能源的重要组成部分，是方便储存和可以运输的可再生能源，有很大的发展潜力，所以研究和发展生物质致密成型技术成为全世界最热门的课题之一。
本文通过对环模式
秸秆压块机成型机理的研究，应用有限元分析软件ANSYS对秸秆致密成型过程的主压缩阶段进行模拟分析，通过试验研究得到影响秸秆致密成型的主要参数。研究过程总结如下：
1)对环模式秸秆压块机的结构进行了分析，针对其特点，提出了影响环模式成型机工作效率的主要技术参数，如主电机功率、环模长径比、环模的开孔率以及环模和压轮之间的工作间隙等。
2)对生物质弹塑性变性理论进行了研究，从生物质成型的非线性问题出发，对秸秆挤压有限变形采用欧拉法进行了研究。选用了适合生物质秸秆的Druker-Prager屈服条件；根据致密成型中静水压力及屈服条件的影响，推导出弹塑性本构方程，为ANSYS数值模拟秸秆致密成型过程奠定了理论基础。
3)对秸秆致密成型的应力应变进行了分析。在挤压过程中，秸秆与模具内壁的摩擦力作用以及静水压力的改变，造成秸秆成型块应力应变分布的不均匀，易出现成型表面裂纹等缺陷。等效应变随相对密度的增大而增加，挤压力也增加，在模具锥角处，其等效应力应变达到最大值。
4)通过对玉米秸秆进行致密成型试验研究，得出原料含水率、尺寸大小、工作压力对成型块质量的影响规律，确定了其最佳应用参数。
综上分析，通过对玉米秸秆成型过程的研究和有限元分析，突破了以往传统研究方法，能有效的用于生物质致密成型的工艺设计和设备的改进优化，对实际生产能起到积极的指导作用。
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