生物質(zhì)壓縮成型工藝參數

第19卷第3期塑性工程學(xué)報Vol 19 No. 32012F6H JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERING Jun. 2012doi:10.3969/.isn.1007-2012.2012.03.020生物質(zhì)壓縮成型工藝參數機械科學(xué)研究總院先進(jìn)制造被術(shù)研究中心,北京10063)陳正宇陸辛北京菲美得機械有限公司,北京1008)徐德民摘要:以玉米秸稈、鋸末、棉桿為原料,進(jìn)行改進(jìn)后熱壓縮成型工藝試驗,通過(guò)松弛密度這一指標得到最佳工藝數范圍;并利用 OLYMPUS BX51金相顯微鏡觀(guān)察玉米秸稈成型后顆粒的微觀(guān)形貌,從微觀(guān)角度研究成型工藝參數與成型塊微觀(guān)結構之間的關(guān)系。試驗結果表明,最佳參數范圍是,粒度0~2mm、含水率15%~23%、溫度130℃~150℃、長(cháng)徑比5.28;以玉米秸稈為例,微觀(guān)形貌分析得出的最佳工藝參數范圍與試驗得出的基本一致。關(guān)鍵詞:生物質(zhì);熱壓成型;微觀(guān)形貌;松弛密度中圖分類(lèi)號;TG385文獻標識碼:A文章編號:1007-2012(2012)03009807Technology parameters study of biomass compression moldingChEn Zheng-yu LUⅹin(Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science Technology, Beijing 100083 China)XU De-minBeijing Famed Mechinary Co., Ltd, Beijing 100068 ChinAhstract: Com straw, powder sawdust and cotton straw were referred as feedstock The improved heat forming experimentalstudy on the pelleting technology of the biomass materials was carried out and the best molding processing parameters scope wasgot by measuring relaxed density. The microcosmic structure of com straw pellet was ohserved through OLYMPUS BX51-metalographic microscope and the relationship between molding process parameters and forming microcosmic structure of corn strawpellet was studied from the microscopic view, The results show that the best molding processing parameters scope is as followsparticle size 0--2mm: moisture content 15%-23% temperature 130C-150C and aspect ratio 5. 28, which is basically incordance with microcosmic structure analysis.Key words: biomass; hot-forming: microcosmic structure; relaxed density但由于散碎的生物質(zhì)原料不易收藏、運輸、儲存和引言使用,必須經(jīng)過(guò)一定的加工。壓縮成型技術(shù)是使生物質(zhì)成型的重要技術(shù),并可作為其他應用的預處理。近年,石油、煤炭?jì)r(jià)格大幅上漲,能源短缺十國內外學(xué)者做了大量的冷、熱態(tài)壓縮成型的試驗,分嚴重;同時(shí),化石能源的大量使用引起了日益嚴以期找到最佳的成型條件。但無(wú)論是熱壓成型還是重的環(huán)境問(wèn)題,開(kāi)發(fā)適用的可再生能源產(chǎn)品已成為冷壓成型,都需要一定的溫度。冷壓成型時(shí)原料和當務(wù)之急。生物質(zhì)能源是可以?xún)Υ?、運輸的可再生機器部件之間的摩擦作用能使原料加熱到100℃左能源,是替代石化燃料的首選。生物質(zhì)具有清潔、右,熱壓成型的加熱溫度一般在150℃~300℃之可再生、含S很低、CO2零排放、分布廣的特點(diǎn)。間。但冷壓成型所需壓力偏高,達幾十個(gè)兆帕;熱壓成型只有加熱到220℃~260℃范圍才能較快成國家自然科學(xué)基金資助項目(50875105)型陳正宇Emil:chencheng01@126.com中國煤化工備損壞嚴重,需要作者簡(jiǎn)介:陳正宇,1986年生,男,河南濮陽(yáng)人,機械CNMHG科學(xué)研究總院先進(jìn)制造技術(shù)研究中心,碩土研究生,研究示、壓增雙坐⊥藝的特點(diǎn),一定程方向為生物質(zhì)固化成型工藝度上降低熱壓溫度、提高壓力。通過(guò)改進(jìn)的熱壓成收稿日期:20120326;修訂日期:20120417型試驗,考察各項影響因素,找出最佳成型范圍第3期陳正宇等:生物質(zhì)壓縮成型工藝參數并通過(guò)微觀(guān)角度探討不同成型條件下顆粒的微觀(guān)形13試驗過(guò)程貌,且與試驗結果做比較。通過(guò)改進(jìn)熱壓成型工藝,1)分別選取自然干燥狀態(tài)下粒度為0~2mm、達到節能降耗、延長(cháng)設備使用壽命的目的,從而增2mm~4mm的玉米秸稈,粉狀的鋸末和0~2mm的強生物質(zhì)顆粒燃料的市場(chǎng)競爭力。棉桿備用;2)將自然干燥的原料放入干燥箱內,在120℃1生物質(zhì)壓縮成型試驗士5℃下烘干2h后備用;3)取若干份干燥后原料,分別配水至含水率1.1試驗條件%、17%23%和29%并用黑色塑料袋封裝備用以前一年收獲的玉米秸稈、棉桿和木材加工殘4)通過(guò)電阻絲對模具進(jìn)行加熱,達到設定溫度余鋸末為原料,并把自然干燥后的玉米秸稈和棉桿后,將配水后原料盡量多的放入模具中并搗實(shí),加粉碎,使其粒度達到0~4mm。主要設備包括粉碎壓至設定壓力;保壓約1min,退模后即可得到成型機、TG328A分析天平、自制壓縮模具(見(jiàn)圖1)、顆粒,自然風(fēng)干一段時(shí)間后(>2h),測量并計算OLYMPUS BX51-金相顯微鏡、熱電偶、游標卡尺、成型顆粒的松弛密度。10C2型電熱鼓風(fēng)干燥箱等。14試驗的測定將模具內的成型顆粒退模,自然風(fēng)干一段時(shí)間后,利用托盤(pán)天平和游標卡尺分別測量成型顆粒的質(zhì)量和長(cháng)度,計算成型顆粒的松弛密度:成型塊m成型顆粒的松弛密度/g/cm3m——成型顆粒的質(zhì)量V—成型顆粒的體積/cm3圖1生物質(zhì)成型模具d-成型顆粒的直徑/cmFig 1 Biomass forming moldl—成型顆粒的長(cháng)度/cm1.2試驗方法針對影響生物質(zhì)成型的主要因索,選擇玉米秸2試驗結果及分析稈、鋸末和棉桿進(jìn)行成型試驗,研究粒度、成型壓力、含水率、溫度、原料和模具長(cháng)徑比對生物質(zhì)壓2.1原料粒度及成型壓力對秸稈成型效果的影響縮成型效果的影響,確定最佳壓縮成型工藝參數。將粒徑0~2mm和2mm~4m的玉米秸稈,試驗完成后,以玉米秸稈為例,選取不同成型條件0~2mm的棉桿、粉狀的鋸末,在溫度130℃、含水下的成型顆粒進(jìn)行微觀(guān)分析。率8%、長(cháng)徑比5.28條件下,分別處于2MPa取一定量原料,在達到設定溫度時(shí),把自然干sMPa、MPa、8MPa和1lMP壓力下進(jìn)行成型試燥或配一定量水的原料充填于自制模具中,并搗實(shí),驗,試驗結果如圖3~圖5所示靜置傳熱約lmin,然后壓桿向下運動(dòng)加壓至設定由圖3~圖5可知,粒度為0~4mm時(shí),所用值,保壓約min,再減壓卸載得到相應的成型顆原料均可以成型,并且相同成型壓力下,原料粒度粒。固化成型工藝流程如圖2所示越小,成型顆粒的松弛密度越大(見(jiàn)圖3);當成型壓力<8MPa時(shí),隨壓力增大,松弛密度增加較快;當壓力>8MPa時(shí),松弛密度增加較慢,且在8MPa加壓時(shí)凵中國煤化工k作物秸稈在較低填料壓力CNMHG所以成型顆粒的松弛巒度較低;隨看壓刀的增加,秸稈進(jìn)一步破裂,圖2固化成型工藝流程發(fā)生緊密充填,其松弛密度和強度得到顯著(zhù)提Fig 2 Process curve of densification高;對于鋸末,一開(kāi)始比較蓬松,隨壓力增大粉100塑性工程學(xué)報第19卷2.2原料水分含量對秸稈成型效果的影響取粒度為0~2mm,含水率分別為8%、17%23%和29%的3種原料,在壓力8MPa,長(cháng)徑比528條件下進(jìn)行壓縮成型試驗,結果如圖6~圖8所示1.050-2mm2~4mm壓力MPa圖3不同粒度的玉米秸稈成型曲線(xiàn)Fig 3 Compressing molding curve of corn090straw of different particle size51015202530含水率偉圖6不同含水率的玉米秸稈壓縮成型曲線(xiàn)Fig 6 Compressing molding curve of corstraw at different moisture contents0.75681012壓力/MPa圖4粉狀鋸末成型曲線(xiàn)Fig. 4 Compressing molding curve of powder sawdust含水率偉圖7不同含水率的鋸末壓縮成型曲線(xiàn)07wdust at different moisture contents0.880.84倒082圖50~2mm棉桿成型曲線(xiàn)Fig 5 Compressing molding curve of cottonstraw of 0-2mm pa末快速充填,當壓力達到一定值時(shí),這種趨勢變緩。含水率偉但提高成型壓力會(huì )使成型的能耗升高。因此,成型圖8不同含水率的棉桿壓縮成型曲線(xiàn)壓力并不是越高越好,而是在滿(mǎn)足成型顆粒性能要Fig8 Compressing molding curve of cotton求的前提下越低越好,以減少成型顆粒在生產(chǎn)過(guò)程straw at different moisture contents中的能耗。中國煤化工料在含水率為8%綜上可知,較佳粒度為0~2mm,最佳成型壓(自劃CNMHG高松弛密度。玉米力為8MPa。為便于進(jìn)行比較,本文在探討其他因秸稈顆粒的松弛密度隨含水率的增加而降低,在含素對生物質(zhì)秸稈成型效果的影響時(shí),粒度均取0~水率8%~23%都能達到較高密度,又由于所處溫2mm,成型壓力均取8MP度的不同,表現出不同的下降速度。而鋸末和棉桿第3期陳正宇等:生物質(zhì)壓縮成型工藝參數10l顆粒的松弛密度基本都是在含水率7%時(shí)達到最大值,鋸末在含水率17%~23%之間均可較好成型,棉桿在含水率為8%~23%之間均能較好成型對于棒狀成型產(chǎn)品,要求原料的含水率≤10%,對于顆粒成型產(chǎn)品,一般要求原料的含水率在15%~25%之間。試驗在加熱條件下,能較好成型的含水率范圍較寬,對原料含水率的要求相對較低,可節約干燥成本。但含水率過(guò)高或過(guò)低都不1012壓力MPa利于成型,當含水率過(guò)高時(shí),加熱過(guò)程中產(chǎn)生的蒸圖10鋸末在不同溫度下壓縮成型曲線(xiàn)汽不能順利排出,易造成表面開(kāi)裂,嚴重時(shí)產(chǎn)生爆Fig 10 Compressing molding curve of powder鳴。當含水率過(guò)低時(shí),成型也困難,一方面是因為sawdust at different temperatures微量水分對木質(zhì)素的軟化、塑化有促進(jìn)作用,降低其熔融溫度;另一方面是因為水分可作為潤滑劑使粒子間的內摩擦變小,流動(dòng)性增強,促進(jìn)其相互嵌合。由于不同原料的成分不同,造成成型時(shí)的最佳含水率略有不同,但基本一致,與文獻[3]相符,這3種原料的最佳含水率基本都在15%~23%范130圍2.3成型溫度對秸稈成型效果的影響壓力MPa將粒度0~2mm、含水率8%的不同原料,在成型溫度130℃、150℃和180℃、壓力8MPa與長(cháng)徑圖11棉桿在不同溫度下壓縮成型曲線(xiàn)Fig. 11 Compressing molding curve of cotton比5.28條件下,進(jìn)行壓縮成型試驗,結果如圖9~圖11所示。利。因此本文選定130℃、150℃和180℃的成型溫度進(jìn)行成型試驗由圖9~圖11可知,當溫度達到一定值后,即使施加很小的壓力也可以得到較好的成型效果。但在所設定的3個(gè)溫度下,成型顆粒的松弛密度差別主燃不大,并且溫度越高耗電越多,對設備的腐蝕也越嚴重。綜合考慮原料成型效果和能耗的情況,本文246確定最佳成型溫度為130℃~150℃。壓力MPa24不同原料對秸秤成型效果的影響圖9玉米秸稈在不同溫度下壓縮成型曲線(xiàn)將粒度0~2mm、含水率8%的不同原料,在溫Fig 9 Compressing molding curve of com度130℃、壓力8MPa和長(cháng)徑比5.28條件下,進(jìn)行straw at different temperatures壓縮成型試驗,結果如圖12所示。溫度是影響成型質(zhì)量的重要因素,通過(guò)加熱不同種類(lèi)的原料,其壓縮特性有很大差異。由一方面可使原料中含有的木質(zhì)素軟化,起到粘結作圖12可知,玉米秸稈最易壓縮,鋸木次之,棉桿最用;另一方面還可以使原料本身變軟,容易壓縮。難。對于棉桿,由于其具有較強韌性的表皮纖維,木質(zhì)素在70℃~110℃溫度下開(kāi)始軟化,粘合力開(kāi)粉碎后網(wǎng)狀物較多,壓縮成型過(guò)程中,除細小顆粒始增加,精結作用增強,顆粒產(chǎn)品在成型時(shí)僅依靠填補個(gè)v山中國煤化工消耗更多的能量摩擦生熱(100C左右)教化木質(zhì)素,成型效果較來(lái)破CNMH型困難;對于鋸差,能耗較高;加熱時(shí)間過(guò)長(cháng)或溫度超過(guò)180℃,末,粉木的認心便共谷勿反生媽充,但作為木本植會(huì )使原料過(guò)于干燥,易出現裂紋,甚至高溫下熱分物,木質(zhì)素含量高,變形較小,需要更高的溫度才解而使揮發(fā)份增多和顆粒表面碳化,反而對成型不能使其發(fā)生較大變形;對于玉米秸稈,由于其表皮102塑性工程學(xué)報第19卷3不同成型條件下的微觀(guān)分析一般將成型顆粒內部的粘結力類(lèi)型和粘結方式0.7→玉米秸稈分為固體顆粒橋接或架橋、非自由移動(dòng)粘結劑作用的粘結力、自由移動(dòng)液體的表面張力和毛細壓力粒子間的分子吸引力或靜電引力和固體粒子間的充壓力/MPa填或嵌合5類(lèi)。在對生物質(zhì)壓縮成型的研究中,雖圖12不同原料壓縮成型曲線(xiàn)然成型顆粒的松弛密度受粒度、含水率、溫度、壓Fig. 12 Compressing molding curve力等諸多因素影響,但實(shí)質(zhì)上都可以用上述的一種of different raw materials或幾種粘結類(lèi)型和粘結力來(lái)解釋成型顆粒內部的成細胞中含有大量的栓化物和硅化物,在成型過(guò)程中型機制起到了潤滑作用,使粒子容易相互靠攏結合,并且本文以玉米秸稈不同條件下成型顆粒的微觀(guān)組其進(jìn)一步破碎所需能量較少,所以較易成型?？棡槔?說(shuō)明不同成型條件對其微觀(guān)組織的影響。2.5模具長(cháng)徑比對秸稈成型效果的影響3.1不同壓力下的顯微結構將粒度0~2mm、含水率8%的不同原料,在溫度取含水率8%,成型溫度130℃條件下的玉米秸130℃、壓力8MPa和不同模具長(cháng)徑比(38、5.28和稈成型顆粒,考察不同壓力(5MPa、MPa、8MPa5)條件下進(jìn)行壓縮成型試驗結果如圖13所示。和1MPa)對成型效果的影響,其顯微結構如圖14所示。由圖14可知,隨著(zhù)成型壓力的增加,顆粒內部粒子的破裂和嵌合程度增加,即成型顆粒的松弛密度增加。當成型壓力較小時(shí),內部粒子的破裂程度085米秸開(kāi)較低,內部粒子橋接或架橋,相互纏繞不明顯,空積080棉桿隙較大,結合比較松散,抵抗變形能力較弱,如圖14a中的A處、14b中的B處所示。這樣的成型顆粒在運輸和使用過(guò)程中易碎,造成不便。隨著(zhù)成型壓力的增加,原料粒子進(jìn)一步破裂,相互之間進(jìn)圖13不同模具長(cháng)徑比下的成型曲線(xiàn)步發(fā)生機械嵌合、相互纏繞,并產(chǎn)生較大塑性變形,Fig. 13 Compressing molding curve表面較平整,如圖14c、圖14d所示at different raw materials由上述可知,成型壓力對成型效果的影響主要由圖13可知,隨模具長(cháng)徑比的增大,這3種原在于內部粒子的破裂和嵌合程度。當壓力達到一定料成型顆粒的松弛密度都是先增加后減小。模具長(cháng)值時(shí),粒子的破裂和嵌合不會(huì )繼續進(jìn)行或者很慢,徑比是顆粒成型設備直接決定原料成型條件的重要無(wú)法產(chǎn)生明顯變形。所以在生產(chǎn)中選取8MPa左右因素,決定了原料所受的成型壓力和壓縮比。當模的成型壓力即可,既能滿(mǎn)足較好成型又能避免能源具長(cháng)徑比為38時(shí),成型顆粒松弛較大,造成成型浪費。顆粒松弛密度較小;當模具長(cháng)徑比為5.28時(shí),細小3.2不同含水率條件下的顯微結構粒子的交錯與折疊程度變大,松弛比降低,松弛密取成型壓力8MPa、成型溫度130℃條件下的玉度增大,但同時(shí)摩擦阻力呈比例增加,這就造成成米秸稈成型顆?？疾觳煌?8%、17%、23%和型阻力增加;當模具長(cháng)徑比為9.5時(shí),細小粒子的29%)對成型效果的影響其顯微結構如圖15所示。交錯與折疊程度進(jìn)一步變大,松弛降低,但同時(shí)摩V凵中國煤化工%-23%時(shí),由木擦阻力大幅增加,造成成型阻力增加較多,對原料質(zhì)素CNMHG明顯,隨著(zhù)含水中力的傳遞很不利,致使顆粒松弛密度減小,并且率的開(kāi)局,這膠質(zhì)有趣米趣個(gè)明顯的趨勢,即發(fā)成型過(guò)程加長(cháng),不易成型顆粒的取出。所以模具長(cháng)生軟化和塑性變形的木質(zhì)素減少。這與微量水分能徑比為5.28較好。降低木質(zhì)素熔融溫度和文獻[11]認為的熱壓成型中第3期陳正宇等:生物質(zhì)壓縮成型工藝參數03木質(zhì)素軟化而成的膠質(zhì)圖15不同含水率條件下玉米秸稈成型顆粒的顯微結構(×200圖14不同成型壓力條件下玉米秸稈a)8%;b)17%;c)23%;d)29%成型顆粒的顯微結構(×100)Fig 15 Microstructure of corn strawa)5MPa: b)7MPa; c) 8MPa: d)11MPaat different moisture contentsFig 14 Microstructure of corn straw垂直應力方向上充分延展,粒子間能夠嚙at different forming pressures注:顯微圖白色光亮處是軟化并發(fā)生塑性變形的木質(zhì)素,下同合中國煤化工分,其被擠出后分布于CNMHG緊密結合,內部粒含水率過(guò)高會(huì )影響熱量傳遞相一致。并且當含水率子較為松散,相互嵌合、纏繞不足,如圖15d所示。過(guò)低時(shí),粒子不能充分延展,與四周的粒子結合不這一方面是因為含水量過(guò)高會(huì )增大原料與模具的摩夠緊密,不能較好成型;當含水率過(guò)高時(shí),粒子在擦,不利于力的相互傳遞,使之所受壓力降低;另104塑性工程學(xué)報第19卷方面是因為粒子層間水分過(guò)多,造成結合不緊密,16a所示。當溫度達到150℃時(shí),軟化的木質(zhì)素增空隙較大(見(jiàn)圖15d中C處)。所以玉米秸稈的最多,并且其連續性較好,但已有部分粒子碳化,如佳含水率為8%~23%。圖16b中D處,雖然沒(méi)有在180℃時(shí)見(jiàn)到更多的粒3.3不同溫度條件下的顯微結構子碳化,但從節能和不降低顆粒產(chǎn)品使用性能方面取成型壓力8MPa含水率8%條件下的玉米秸考慮,已不適合再提高溫度稈成型顆粒,考察不同成型溫度(130℃、150C和由以上分析可知,較好加熱溫度為130℃~180℃)對成型效果的影響,其顯微結構如圖16所示。150℃C。4結論1)改進(jìn)后的熱壓成型工藝能較好成型,并且適用的原料范圍較廣,利用成型顆粒的松弛密度確定其最佳工藝參數為,粒度0~2mm、含水率15%~23%、溫度130℃~150℃和長(cháng)徑比5.28。2)通過(guò)對玉米秸稈成型顆粒的微觀(guān)分析,得出其內部粒子的結合情況,并與改進(jìn)后熱壓成型試驗得到的最佳成型范圍基本一致參考文獻[1]王春光楊明邵高文煥農業(yè)纖維物料壓縮現狀[門(mén)]中國農業(yè)大學(xué)學(xué)報1996.1(6):1418[2]何元斌生物質(zhì)壓縮成型顆粒及成型技術(shù)(一)J].農村能源,195.63(5):12-14[3]袁振宏吳創(chuàng )之,馬隆龍等.生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005[4] ODogherty M J. 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Transactions of the ASAE, 1989.使水分揮發(fā)加快,造成原料的實(shí)際含水率低于8%中國煤化工不利于木質(zhì)素的軟化。雖然理論上隨著(zhù)溫度的增加[10CNMHG:西北大學(xué)出版社,木質(zhì)素越易軟化,但同時(shí)水分的揮發(fā)也越快,造成并不是溫度越高木質(zhì)素軟化越多。在溫度130℃時(shí),1]張百良,李保謙,HPBI型生物質(zhì)成型機的應用研究軟化的木質(zhì)素已基本足夠用于粘接內部粒子,如圖J].太陽(yáng)能學(xué)報,199.20(3):234238