胡建军 1, 雷廷宙 2, 沈胜强 3, 郭前辉 1, 刘军伟 4, 李在峰4
(1.河南农业大学机电工程学院, 河南郑州450002; 2.河南省科学院, 河南郑州450008; 3.大连理工大学能源与动力学院, 辽宁大连116026; 4.河南省生物质能源重点实验室, 河南郑州450008)
摘要: 对5种秸秆颗粒冷态压缩成型过程进行开式试验研究, 将其压缩成型过程分为松散, 过渡, 压紧和推移4个阶段, 回归了不同阶段的压力方程, 采用Matlab软件计算出整个压缩成型过程中的比能耗值. 以小麦秸秆为例, 采用二次回归通用旋转组合设计, 建立了压缩速度, 物料含水率2个因素与比能耗的数学模型, 结果表明, 压缩速度的影响比含水率大, 且二者均为负效应.
0引言
目前,国内外秸秆压缩成型技术的成型工艺主要分为常温湿压成型, 热压成型, 炭化成型和冷态压缩成型4种, 成型方式分为 '闭式' 压缩和 '开式' 压缩2种 [1], [2], 常见的成型设备主要包括螺旋挤压式成型机, 活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机 [3]. 无论哪种压缩成型技术, 比能耗均是考察压缩成型工艺设计是否合理的重要性能指标之一. 比能耗是指在单位时间内生产成型燃料所消耗的能量与该段时间内生产的成型燃料质量的比值. 压缩成型所需的能耗主要由2部分组成: 克服物料与成型部件内壁摩擦所消耗的能量和物料变形所消耗的能量[4], [5].
压辊式颗粒成型机具有能耗低, 产量高, 原料适应性强等优点, 因而成为当前研究和开发的热点. 但市场上销售的压辊式颗粒成型机的设计不尽合理, 造成其比能耗较高, 大大制约了其工业化应用的程度. 为此, 本研究采用万能试验机和自制的 '开式' 压缩成型装置, 对5种秸秆的 '开式' 颗粒冷态压缩过程进行比能耗试验, 研究压缩速度, 含水率等因素对比能耗的影响规律, 选取最佳压缩成型参数, 为压辊式颗粒成型机的工业优化设计提供参考依据.
1试验原料与装置
1.1试验原料
试验原料为郑州市郊区常见5种秸秆 (小麦秸秆, 玉米芯, 玉米秸秆, 稻草和棉花秸秆) . 首先采用微型粉碎机将原料粉碎, 清除原料里的杂质, 然后将原料放入马弗炉中, 在105℃下干燥8h后分类封存. 待原料温度降至室温时, 根据试验需要进行配水试验, 按照不同含水率将原料分别封存于黑色塑料袋中.
1.2试验装置
本试验所用仪器为WDW- 50型微机控制电子万能试验机, 试验额定压力为50kN, 横梁移动速度为2~ 200mm/min. 针对压辊式颗粒成型机的特点, 专门设计了一套 '开式' 颗粒压缩成型试验装置 (图1) [6], 其中套筒内径为15mm, 模具内径为10mm, 模具长径比为5.2, 模具开口锥度为450.
试验前先进行秸秆原料预压处理, 使原料填满套筒. 启动万能试验机程序, 即可自动生成每次试验的压力和活塞位移曲线图.
2试验结果及分析
2.1压缩成型特性曲线
由试验结果可知, 虽然压缩成型条件不同, 但它们的压缩成型特性曲线均存在着相同的变化规律 (图2) .
由图2可知, 秸秆颗粒冷态压缩成型过程比较复杂. 为便于计算比能耗数据, 本研究将压缩成型特性曲线定义为4个阶段, 即松散阶段 (oa区间) , 过渡阶段 (ab区间) , 压紧阶段 (bc区间) 和推移阶段 (cd区间) . 在松散阶段和过渡阶段, 物料主要发生弹性变形, 在压紧阶段物料主要发生塑性变形, 在推移阶段物料主要发生弹粘性变形[7].
2.2比能耗计算
本研究采用压强和位移构成的曲线面积经换算后计算比能耗, 压杆在物料压缩成型过程中所作的功可按下式近似计算[8]:
比能耗的具体计算步骤: 提取不同压缩成型条件下的试验数据, 按照不同压缩成型区间分别进行回归分析, 得出每个区间的压强回归方程, 代入式 (1) 中, 采用Matlab软件计算出能耗数值, 然后通过式 (2) 即可得出比能耗. 5种秸秆原料在不同压缩成型条件下的比能耗数据见表1.
由表1可以看出, 虽然同一种秸秆原料在不同压缩成型条件下的比能耗有所差异, 但都存在相同的变化规律, 即当原料含水率一定时, 随着压缩速度的增加, 比能耗逐渐减小; 当压缩速度一定时, 随着含水率的增加, 比能耗也相应减小. 不同秸秆原料的比能耗差异较大, 其中稻草比能耗变化范围最大, 玉米芯次之, 小麦秸秆, 玉米秸秆和棉花秸秆的比能耗比较接近且较小, 说明当冷态压缩成型的工艺参数 (如物料含水率和压缩速度) 在一定范围变化时, 稻草和玉米芯的适应性较差, 压缩成型效果不佳.
2.3比能耗回归模型
从5种秸秆颗粒冷态压缩成型试验结果可知, 压缩速度和物料含水率对比能耗的影响较大. 为了进一步研究压缩速度和含水率对比能耗的影响程度, 现以小麦秸秆为例, 采用二次回归通用旋转组合设计, 建立小麦秸秆的比能耗二次回归模型.
2.3.1试验方法
试验设计的因素水平编码见表2.
2.3.2试验结果
压缩速度和物料含水率对比能耗影响的结果见表3.
表3中, z0, z1, z2为单因素水平, z1z2, z12, z22为两因素交互作用水平, yi为响应变量.
2.3.3回归系数计算
2.3.4回归方程检验
由于设计中各因素均经无量纲线性编码处理, 且各一次项回归系数bj之间, 各交互项, 平均项的回归系数间均是不相关的, 因此可以由回归系数绝对值的大小来直接比较各因素对比能耗的影响. 本试验中压缩速度的影响比含水率大, 且二者均为负效应.
3结论
①秸秆颗粒冷态压缩成型过程可分为松散阶段, 过渡阶段, 压紧阶段和推移阶段, 在松散阶段和过渡阶段物料主要发生弹性变形, 压紧阶段物料主要发生塑性变形, 推移阶段物料主要发生弹粘性变形.
②当同一秸秆原料的含水率 (在本试验的研究范围内) 一定时, 随着压缩速度的增加, 比能耗逐渐减小; 当压缩速度一定时, 随着含水率的增加, 比能耗也相应减小.
③在本试验选用的5种秸秆原料中, 稻草和玉米芯的比能耗变化范围最大, 说明这2种秸秆原料对工艺参数变化的适应性差, 压缩成型效果不佳.
⑤压缩速度和含水率对 '开式' 压缩成型装置的比能耗有不同的影响, 其中压缩速度的影响比含水率大, 且二者均为负效应.
参考文献:
[1]李美华, 俞国胜.生物质燃料成型技术研究现状[J].木材加工机械, 2005 (2) : 36-40.
[2]盛奎川.生物质压缩成型燃料技术研究综述[J].能源工程, 1996 (3) : 8-11.
[3]马彦华.新鲜草物料直接压缩过程基本规律的试验研究[D].呼和浩特: 内蒙古农业大学, 2004.
[4]REECE F N.Power requirements for forming wafers in a closed die process[J].Transactions of American Society of Agricultural Engineers, 1967, 10 (2) : 150-151.
[5]MOHSENIN N, ZASKEASKE J.Stress relaxation and energy requirements in compassion of uncongolidated materials[J].J Agric.Engng.Res, 1976, 21 (1) : 193-205.
[6]胡建军, 雷廷宙, 何晓峰, 等.小麦秸秆颗粒燃料冷态压缩成型参数试验研究[J].太阳能学报, 2008, 29 (2) : 241-245.
[7]胡建军.秸秆颗粒燃料冷态压缩成型实验研究及数值模拟[D].大连: 大连理工大学, 2008.
[8]BUTLER J L.Energy comparisons in processing coastal Bermuda grass and alfalfa[J].Transactions of American Society of Agricultural Engineers, 1985, 8 (2) : 175-176.
