水稻秸稈熱壓成型工藝參數試驗研究*

李安心，張傳佳，涂德浴，2**，何貴生

（1. 安徽工業大學機械工程學院，馬鞍山 243032；2. 農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

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水稻秸稈熱壓成型工藝參數試驗研究*

李安心1，張傳佳1，涂德浴1，2**，何貴生1

（1. 安徽工業大學機械工程學院，馬鞍山 243032；2. 農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室，北京 100081）

摘要：水稻秸稈冷壓成型試驗得到的成型燃料能耗較高且質量不佳，為提高水稻秸稈成型燃料質量，本次試驗利用水稻秸稈成型設備，在不同成型壓力、原料粒徑、溫度以及含水率等工藝參數條件下對水稻秸稈進行熱壓成型試驗。通過分析成型燃料的物理性能，確定各工藝參數最佳選取范圍為：粒徑0～2mm、溫度70～100℃、成型壓力8.89～40MPa、含水率12%～25%。為進一步提高水稻秸稈原料成型燃料的質量，提出通過添加木質素含量較高的木屑原料即形成混合原料，并通過對比試驗進行研究。結果表明，混合原料可以有效提高水稻秸稈成型燃料的綜合質量。

關鍵詞：水稻秸稈；木屑；熱壓成型；物理性能

李安心，張傳佳，涂德浴，等.水稻秸稈熱壓成型工藝參數試驗研究[J].中國農業氣象，2016，37（1）:26-35

生物質能源即綠色植物通過光合作用將太陽能以化學能的形式貯存在生物體中的能量[1]。與其它可再生能源相比，生物質能源具有地區性限制小、可控性強及轉化形式多樣等優勢，且生產成本相對較低，在一定程度上能減少對礦物燃料的依賴[2-3]。中國是農業大國，秸稈類作物資源豐富，但由于秸稈原料質地蓬松，體積大，密度小，導致燃燒時熱值小，利用率低，運輸成本高且不利于存儲和利用[4]。生物質固化成型技術是將松散的生物質原料經過干燥、粉碎等預處理后，在一定外界條件（如溫度和壓力）下，采取機械加工的方式，將無固定形狀的生物質散料壓制成具有規則形狀且致密的生物質成型燃料[5]。

近年來國內外學者對秸稈類生物質固化成型技術進行了相關研究。Kaliyan等[6]對玉米秸稈顆粒進行顯微觀察發現，固體橋接是物料顆粒間的主要結合方式；Gilbert等[7]研究壓力和溫度對切碎的柳枝、小麥稻稈成型顆粒的影響時發現，溫度對顆粒成型有很大影響。Carone等[8]對木材加工剩余物進行研究得出，高溫、低含水率、較小粒徑條件下制得的成型燃料具有較大松弛密度和較好抗碎強度，150℃時，即使在較小壓力和較大含水率及較大粒徑的條件下得到的成型燃料的松弛密度及熱值仍很高。Rhe′n等[9]對挪威云杉木屑研究發現，高壓、低含水率可提高成型燃料松弛密度，壓力≤50MPa，溫度為90℃時成型燃料表現出最大抗滲水性。Mani等[10]發現，原料粒徑對小麥秸稈成型燃料的松弛密度影響較小，原料粒徑3.2mm、含水率12%的條件下玉米秸稈成型燃料的松弛密度最大。回彩娟[11]對豆秸、木屑等5種原料進行冷壓成型試驗得到原料最佳含水率為15%，常溫高壓致密成型時含水率最好控制在5%～15%，最高不能超過22%，其壓力控制在15～35MPa即可滿足存放、運輸要求[12]。王艷云等[13]采用電子萬能試驗機對切碎棉桿進行軸向壓縮試驗研究，得到秸稈燃料的最優含水率應該控制在10%～13%，含水率＜7%時成型塊不密實，品質較差，含水率＞16%會發生卸載現象，不能成型。李慶達等[14]研究了水稻秸稈的含水率對其成型燃料物理特性的影響，認為隨著含水率的提高，水稻秸稈成型燃料的松弛密度和抗滲水性呈現先增大后減小的變化趨勢，成型燃料的抗跌碎性隨著水稻秸稈含水率的增加而降低，稻草和稻殼的最佳含水率區間分別為6.50%～7.80%和6.80%～8.50%。

成型顆粒燃料的品質包括燃燒特性品質及物理特性品質。通過燃燒特性能夠直觀評價成型顆粒燃燒品質的優劣，但在研究中投入大量的已成型好的顆粒進行充分燃燒來測試其品質顯然是不符合實際的，不僅增加了研究成本，還造成了原料的浪費，而物理特性品質不僅在一定程度上影響著燃燒特性品質，還直接決定了成型顆粒的運輸條件、貯藏條件及使用要求。所以通常將物理特性品質作為評價成型顆粒燃料的重要指標[15]。本試驗選用成型燃料物性指標中的松弛密度及耐久性作為檢測指標。其中耐久性指標包括抗碎強度、抗壓強度及抗滲水性。本課題組前期主要進行的是水稻秸稈冷壓成型試驗研究，試驗研究表明，水稻秸稈冷壓成型燃料品質較差、能耗高[16-17]。因此，為提高成型燃料質量，首先對水稻秸稈原料進行了熱壓成型試驗，試驗研究了不同成型壓力、原料粒徑、溫度等條件下水稻秸稈成型燃料質量，以尋求水稻秸稈熱壓成型一般參數范圍和各參數對不同成型指標的影響。其次，由于木屑原料中含有較高的木質素，木質素作為大多數生物質能源的組成成分之一，是一種天然有機物，其在一定溫度和壓力下可軟化，黏附和聚合生物質顆粒從而提高成型燃料的結合強度和耐久性，起到黏結劑的作用[18]。因此，提出通過在水稻秸稈原料中加入木屑原料即形成混合原料來進一步提高水稻秸稈成型燃料的質量。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料為皖南地區2012年成熟水稻秸稈及木材加工廠剩余物即松木屑。試驗原料的工業分析結果如表1所示。

表1 試驗原料工業分析（%）Table 1 Proximate analysis of raw material（%）

1.2 試驗設備

成型試驗使用的主要設備包括電子天平（FA2204B，上海產，精度0.001g），網篩（規格Φ200×50，浙江產），電子萬能試驗機（WE-300B，浙江產），溫控加熱裝置（0～300℃，精度0.1℃）及成型模具。電子萬能試驗機內含液壓驅動裝置，可以自由調節壓力大小，壓力測量范圍1～300kN。溫控加熱裝置主要由加熱圈、硅探頭及溫控箱組成。試驗前在加熱系統上設定好試驗溫度后打開加熱設備開關，加熱至設定溫度后，系統自動跳至保溫狀態，誤差為±0.1℃。本研究自行設計成型模具，模具主要由壓桿、凹模、擋塊、底板及加熱裝置組成。成型模孔內徑為30mm，高度為285mm，如圖1所示。

1.3 試驗方法

（1）配制試驗材料。首先將水稻秸稈粉碎，然后用相應密度的網篩進行篩分，得到粒徑分別為0～0.4、0.6～1、1～2、0～2、2～4mm的水稻秸稈原料及粒徑為0～2mm的木屑原料。將粉碎好的試驗原料在自然條件下放置兩個月風干，測定水稻秸稈原料的含水率為12%，達到風干標準。在此基礎上，利用電子天平進行配水及烘干處理，配制出含水率分別為12%、20%、25%、30%的水稻秸稈試驗材料。配水量計算公式為

圖1 閉式熱壓成型試驗裝置Fig.1 Equipment of closed compressing molding experiment

式中，m1為配水量（g）；m2為配水前質量（g）；K1為配水前原料含水率（12%）；K2為設計含水率（%）。

（2）在加熱系統上設定好試驗溫度后打開加熱設備開關，加熱至設定溫度后，系統自動跳至保溫狀態。用電子天平稱量5g原料填充進模具里。隨后打開萬能試驗機，在壓桿上施加壓力（試驗前，根據所需的壓強大小換算成壓力值輸入試驗機系統），推動其壓縮物料，達到試驗設定壓力值后系統自動停止施壓并保持當前壓力10s（此為保型時間），關閉萬能試驗機。移除擋塊后，再繼續使用萬能試驗機將已成型的燃料退模，成型燃料呈扁圓柱形。2h后進行物理性能測試。

1.4 試驗指標及測試方法

（1）松弛密度

參照DB11/7541-2008北京地方標準[18]和Carone 等[8]的檢測方法，將成型燃料放置于密封袋中2h（本試驗規定的松弛時間）后用精度為0.02mm的游標卡尺測量尺寸，根據式（2）計算其松弛密度。每組試驗重復10次，檢測值剔除誤差后取平均值。

式中，ρ為松弛密度（g·cm?3）；m為成型燃料質量（g）；d為成型燃料直徑（cm），h為成型燃料顆粒長度。

本試驗成型燃料為圓柱體，截面直徑≥25mm，根據北京地方標準[19]，松弛密度≥0.6g·cm?3即為合格產品。

（2）抗碎強度

按照北京地方標準檢測方法[19]，將成型燃料從高2m處自由跌落到平坦的水泥地面5次后，測量成型燃料占原成型燃料的質量百分數，≥95%[19]表示該成型燃料成型品質良好。選取相同成型條件下的3個成型燃料測試，取所有檢測值的平均值，其計算式為

式中，DS為抗碎強度；m1為經過抗碎強度測試后成型燃料的質量（g）；m為原成型燃料質量（g）。

（3）抗滲水性

參照Lindley等的檢測方法[20]，先向干凈的燒杯內倒入200mL27℃的水，然后將成型燃料置于水面下25mm處，30s后取出，滴干后計算成型燃料所吸收的水量與原成型燃料質量之比，即能反映成型燃料的抗滲水性。目前抗滲水性在國內還沒有統一的標準，檢測值越小說明抗滲水性越好。同樣選取相同成型條件下的3個成型燃料測試，取檢測值平均值，其計算式為

式中，SS為抗滲水性；m2為經過抗滲水性測試后成型燃料的質量（g）；m為原成型燃料質量（g）。

（4）抗壓強度

抗壓強度是成型燃料所能承受的外界施加的最大壓力，它直接反應了燃料在外界壓力下的抗變形能力。“閉式”成型燃料呈規則的圓柱體形狀，燃料表面積大但長度小，一般軸向的承壓能力較好，因此，本試驗僅進行成型燃料徑向抗壓強度的測試試驗，并將徑向承受的最大壓力值作為最終的抗壓強度。將成型燃料放在萬能試驗機的工作臺上，在燃料的徑向做上標記，對標記處進行緩慢施壓。當出現裂紋時開始觀測，直至燃料完全斷裂立刻停止施壓，記錄下此失效壓力F徑，即為燃料所能承受的最大壓力值。壓力值越大說明其抗壓強度越好。選取相同成型條件下的3個成型燃料測試，取所有檢測值的平均值。

1.5 試驗設計

（1）通過設置不同溫度（50、70、90和110℃）、粒徑（0～0.4、0.6～1、1～2和2～4mm）、含水率（12%、20%、25%、30%）和成型壓力（4.44、8.89、13.33、17.78、22.22、31.11、48.88和53.33MPa）條件下對水稻秸稈試驗材料進行熱壓成型試驗，通過測定各種條件下水稻秸稈成型燃料的松弛密度、抗壓強度、抗碎強度等指標，確定各工藝參數的最佳選取范圍。

（2）將水稻秸稈原料與木屑原料按1:1質量混合，在相同條件下進行熱壓成型試驗，對比成型燃料的物理性能研究不同原料成型燃料的特點，試驗驗證在水稻秸稈原料中添加木屑原料是否可以提高成型燃料質量。

2 結果與分析

2.1 原料粒徑對成型燃料物理性能的影響

選取含水率為20%，粒徑分別為＜0.4、0.6～1、1～2、2～4mm的水稻秸稈原料，在溫度為90℃，成型壓力分別為4.44、8.89、13.33、22.22MPa條件下進行熱壓成型試驗，所得成型燃料的物理性能見圖2。

由圖2a可見，原料粒徑＜0.4mm的水稻秸稈成型燃料在各種試驗壓力下的松弛密度均最大，且均＞0.6g·cm?3，說明在該4種壓力條件下均可成型，且隨著壓力增大成型產品的松弛密度略有增加。其它粒徑原料在相同壓力下成型產品的松弛密度均較小，且原料粒徑越大產品松弛密度越小，甚至大多數產品（除0.6～1mm在較大壓力下外）的松弛密度＜0.6g·cm?3，說明產品不能成型。因此，可以認為22.22MPa壓力下，原料粒徑為＜0.4mm的成型燃料松弛密度最高，為0.89g·cm?3，質量較優，而其它粒徑原料加工的成型燃料，松弛密度小且不合格，同時伴有成型燃料不密實、進料不順等現象。這主要是由于原料粒徑較大時物料間的填充特性差，顆粒間彼此嵌入不好。與李慶達等[14]所做同類型試驗具有一致結論。

如圖2b所示，原料粒徑＜0.4mm的水稻秸稈成型燃料，其抗碎強度在所有壓力下均達到98%且相差較小，說明當原料粒徑＜0.4mm時，成型壓力對其抗碎強度影響較小。壓力為4.44MPa時，粒徑為0.6～1mm成型燃料的抗碎強度≥91%，1～2mm、2～4mm成型燃料的抗碎強度≤96%。但當壓力為22.22MPa時，所有粒徑的成型燃料抗碎強度均可達98%左右。因此，得出原料粒徑對成型燃料抗碎強度的影響受壓力因素制約，壓力越大，原料粒徑對成型燃料抗碎強度的影響減小。

由圖2c可知，較小壓力4.44MPa下，原料粒徑＜0.4mm的水稻秸稈成型燃料的抗滲水性最低。這是由于在壓縮過程中小粒徑原料成型塊內部形成的內應力增大，從而造成成型塊的親水力上升，表現出更易滲水特質[21]。如圖2d所示，相同壓力下，原料粒徑＜0.4mm的成型燃料的抗壓強度最好。這是由于相同壓力下，較小粒徑成型燃料內部粒子間產生靜電引力、分子引力以及液相附著力，原料粒子在這些力的作用下鑲嵌緊密，成型燃料密實。

圖2 原料粒徑對成型燃料物理特性的影響Fig. 2 Effect of raw particle size on physical properties of biomass briquettes

可見，原料粒徑越小，成型燃料綜合質量越好。但粒徑越小，加工工藝程序就會隨之變得繁瑣，并將導致實際生產成本增高。又由于大粒徑原料的堆積密度小于小粒徑，不易發生模具孔堵死現象[22-23]，且Arshadi發現混合粒徑的原料可以增加制粒的耐久性[24]。因此，綜合考慮認為，水稻秸稈原料最佳原料粒徑范圍為0～2mm。為便于比較，在研究其它因素影響試驗時粒徑均選用0～2mm。

2.2 成型壓力對成型顆粒燃料物理性能的影響

選取含水率為20%，粒徑為0～2mm的水稻秸稈原料，在溫度為80℃，成型壓力分別為8.89、13.33、17.78、31.11、48.88、53.33MPa條件下進行熱壓成型試驗，所得成型燃料物理特性見圖3。

由圖3可知，當壓力≤31.11MPa時，成型燃料的物性指標與壓力呈近似線性關系。8.89MPa壓力下成型燃料的松弛密度為0.64g·cm?3，抗碎強度為97.95%，抗滲水性及抗壓強度分別為25.05%和4.30kN。31.11MPa下松弛密度可達0.74g·cm?3，抗碎強度為99.32%，抗滲水性為19.99%，抗壓強度為4.75kN，各項指標均漲幅較大。從成型過程看，壓力≤31.11MPa時，壓縮成型處在松散階段和過渡階段。成型初期主要克服的是物料間的空隙，壓力作用下物料間的空氣和水分很快被排除，空隙迅速減小，體積也隨之減小，松弛密度提高較大。隨著壓力的增大，成型進入過渡階段。此階段大顆粒原料破裂成小粒子，在壓力作用下粒子位置不斷進行排序填補小粒子間間隙。當壓力≥31.11MPa后，成型燃料松弛密度穩定在0.81g·cm?3，抗碎強度在99.35%上下小幅浮動。因為，此階段為壓實階段，原料主要進行塑形變形。隨著壓力的增大，粒子間相互錯位，形狀和位置發生變化。在主應力方向上粒子得到充分延展，粒子間以嚙合的方式緊密結合在一起。在與主應力相垂直方向粒子厚度不斷減小，粒子間通過貼合的方式緊密接觸。此外，粒子間還存在一定的殘余應力，使粒子能夠更加牢固地結合在一起[25]，成型燃料質量較優。

可見，較大的壓力可提高成型燃料質量，但是當壓力增至一定大小后成型燃料的松弛密度、抗滲強度等質量指標趨于穩定。因此，在相同成型效果下選取壓力較小，同時綜合考慮壓力與其它工藝參數之間的制約關系，壓力最佳選取范圍為8.89～40.00MPa。

圖3 成型壓力對成型燃料物理特性的影響Fig. 3 Effect of compressive force on physical properties of biomass briquettes

2.3 原料含水率對成型燃料物理性能的影響

選取粒徑為0～2mm，含水率分別為12%、20%、25%、30%的水稻秸稈原料，在溫度為50℃和70℃，成型壓力為13.33MPa條件下進行熱壓成型試驗，所得成型燃料的物理特性見圖4。

試驗表明，含水率在12%～30%的原料均可壓縮成型，但成型燃料質量相差較大。從圖4a、b、c可知，成型燃料的松弛密度、抗滲水性及其抗壓強度均隨著原料含水率的增大呈先增大后減小的趨勢，與Theerarattananoona[26]的研究結論一致。在50℃條件下，原料含水率為12%的成型燃料松弛密度為0.69g·cm?3，抗滲水性39.79%，抗壓強度4.59kN。當原料含水率增至20%時，成型燃料的松弛密度為0.76g·cm?3，抗滲水性15.71%，抗壓強度4.74kN。這是由于壓力作用下水與果膠質或糖類混合形成膠體起到黏結劑的作用，同時一定范圍內增加原料的含水率使粒子間內摩擦減小，粒子流動性增強，充分延展并與四周粒子緊密結合，從而提高了成型燃料的松弛密度及抗壓強度。含水率≥20%后，成型燃料的松弛密度、抗壓強度及抗滲水性開始降低，原料含水率為30%的成型燃料其抗滲水性甚至無法檢測出。這是由于原料的含水率較高時，粒子盡管在垂直于最大主應力方向上能夠充分延展，粒子間能夠嚙合，但原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使粒子層間不能緊密貼合。而且，過多的水蒸氣使分子間距加大，影響熱量傳導，降低成型溫度，使原料中的木質素難以熔融，粗纖維不易軟化，導致黏結力下降，從而導致成型燃料質量降低[27]。由圖4d可見，成型燃料抗碎強度隨著含水率的增加而降低，下降趨勢不明顯。但含水率較大時，下降幅度較大。同時，試驗表明，同一含水率、70℃條件下制得的成型燃料質量比50℃較優，說明含水率對成型燃料質量的影響狀況受溫度影響。綜合考慮以上分析認為，原料含水率最佳選取范圍為12%～25%。

圖4 含水率對成型燃料物理特性的影響Fig. 4 Effect of moisture content on physical properties of biomass briquette

2.4 溫度對成型燃料物理性能的影響

選取含水率為20%，粒徑為0～2mm的水稻秸稈原料，成型壓力為8.89MPa，分別在50、70、90、110℃條件下進行熱壓成型試驗，檢測成型燃料物理特性，結果見圖5。

圖5 溫度對成型燃料物理特性的影響Fig. 5 Effect of temperature on physical properties of biomass briquettes

由圖5可見，成型燃料的松弛密度、抗碎強度、抗壓強度及抗滲水性均隨著溫度的升高呈現先增大后減小的趨勢。由熱壓成型原理可知，壓縮成型主要是靠木質素軟化和顆粒逐漸填充物料間的空隙完成[20]。50℃時，成型燃料的松弛密度為0.64g·cm?3，抗碎強度為98.61%，抗滲水性為19.29%，抗壓強度為4.73kN。隨著溫度的升高，秸稈原料中的木質素吸熱軟化，黏合力增加，此時在一定壓力作用下，木質素與纖維素結合并同臨近的秸稈顆粒互相交接，成型燃料變得密實緊致[9]，成型燃料表現出較好的質量。70～90℃時，燃料松弛密度達到0.65g·cm?3，抗碎強度為99.51%，抗滲水性為17.48%，抗壓強度為4.76kN。由此可得，溫度較大時，可在小壓力下獲得質量較好的成型燃料，這與Carone等所得結論相近[8]。隨著溫度繼續升高，燃料松弛密度、抗碎強度、抗滲水性及抗壓強度均變小。110℃時，松弛密度降至0.65g·cm?3，抗碎強度為98.98%，抗滲水性為20%，抗壓強度為4.7kN。這是由于溫度較高時，燃料內部形成水蒸氣使成型燃料內部膨脹，同時成型燃料表面出現炭化，冷卻過程中吸收空氣中的水分，亦使成型燃料膨脹。這種膨脹致使成型燃料易開裂[24]，所以成型燃料質量變差。溫度過低，原料不能成型且能耗較高，而一定范圍內增加溫度可使成型燃料質量提高。因此，綜合考慮認為，最佳成型溫度宜選取70～100℃。

2.5 原材料種類對成型顆粒燃料物理性能的影響

將粒徑為0～2mm的水稻秸稈、木屑及1:1混合原料分別在50℃、不同壓力（8.89、13.33、22.22、31.11、40.00、44.44MPa）條件下進行熱壓成型試驗，檢測成型燃料各物理特性指標，試驗結果見圖6。由圖6a可知，3種原料成型燃料的松弛密度隨著壓力的增大均呈現先增大后平緩趨穩的趨勢。其中水稻秸稈成型燃料隨著壓力的增大變化較大。13.33MPa壓力下水稻秸稈成型燃料的松弛密度為0.69g·cm?3，當壓力為22.22MPa時，水稻秸稈成型燃料的松弛密度增至0.83g·cm?3，增幅較大。這是由于在成型初期，散布于原料間的水分和空氣在壓力作用下被排出，秸稈間隙不斷減小，體積也隨之迅速減小，因此，成型燃料松弛密度大幅上升。但是松弛密度并不隨著壓力的增大持續增大。當壓力增至40MPa后，水稻秸稈成型燃料的松弛密度基本維持在0.94g·cm?3，上下波動較小。這是由于隨著壓力的增大，成型經過到達壓實階段，此階段原料粒徑及顆粒內部間隙已基本被填充完畢，因此，隨著壓力的增大成型燃料松弛密度變化不大。木屑和1:1混合原料成型燃料的松弛密度隨著壓力的增大緩慢增長。壓力為8.89MPa時，水稻秸稈、木屑、混合原料成型燃料的松弛密度分別為0.66、0.69、0.68g·cm?3，均達標。由于木屑中木質素含量較高，而木質素在成型過程中經軟化后具有黏結劑的作用，因此，在壓力＜22.22MPa時，木屑及1:1混合原料成型燃料的松弛密度均大于水稻秸稈成型燃料。當壓力增至22.22MPa時，木屑成型燃料的松弛密度為0.77g·cm?3，水稻秸稈成型燃料與1:1混合原料成型燃料的松弛密度增至0.83g·cm?3左右。可見，較小壓力下1:1混合原料成型燃料的松弛密度比水稻秸稈成型燃料的松弛密度要高。

圖6 不同原材料成型燃料的物理性能Fig. 6 Physical properties of different materials pellets

從圖6b可見，相同壓力下，水稻秸稈、木屑以及1:1混合原料成型燃料的抗碎強度差異較大。壓力為8.89MPa時，水稻秸稈、木屑、1:1混合原料成型燃料的抗碎強度分別為84.61%、91.49%、94.83%，1:1混合原料成型燃料的抗碎強度最大。當壓力增至13.33MPa時，木屑以及1:1混合原料成型燃料的抗碎強度分別為95.01%、98.15%，二者抗碎強度均較好，而水稻秸稈成型燃料抗碎強度為89.95%，未達標準。壓力增至22.22MPa時，木屑原料成型燃料抗碎強度為95%，相對于13.33MPa壓力下成型燃料抗碎強度無明顯變化，水稻秸稈成型燃料抗碎強度為98.93%，達標，而此時1:1混合原料成型燃料的抗碎強度為99.08%。當壓力大于22.22MPa后，3種原料成型燃料的抗碎強度均趨于某一穩定值。因此，可以認為，較小壓力下，相對于水稻秸稈原料，1:1混合原料成型燃料的抗碎強度較好。

由圖6c可知，當壓力小于13.33MPa時，1:1混合原料的抗壓強度最大，即1:1混合原料＞木屑＞水稻。當壓力為22.22MPa時，水稻秸稈抗壓強度達到4.79kN，與木屑成型燃料的抗壓強度接近。1:1混合原料成型燃料的抗壓強度隨著壓力的增長變化不大，趨于穩定狀態。因此，可以認為，在較小壓力下可得到具有較好抗壓強度的1:1混合原料成型燃料。

由圖6d可知，8.89MPa壓力下水稻秸稈成型燃料的抗滲水性最好，木屑原料成型燃料在抗滲水性檢測時，30s內幾乎完全松散在燒杯中，無法檢測。這是因為相對于水稻秸稈，木屑結構中蠟質含量低，纖維結構較為疏松，密度小，易吸水膨脹，而較小壓力制得的成型燃料內部黏結不緊致，原料粒子間的黏結作用力較小。隨著壓力的增加，3種原料成型燃料的抗滲水性逐漸變好，其中水稻秸稈成型燃料的抗滲水性最佳。

對比試驗結果表明，較小壓力下1:1混合原料成型燃料綜合物理性能比水稻秸稈成型燃料好，此方法可作為提高水稻秸稈原料成型燃料質量方法。

3 結論與討論

本文以水稻秸稈為原料，以松弛密度和耐久性作為衡量標準，試驗結果表明，水稻秸稈熱壓成型工藝參數選取范圍為：粒徑0～2mm、溫度70～100℃、壓力8.89～40MPa、含水率12%～25%。與冷壓成型試驗結果相比[15]（成型壓力120～180MPa、粒徑＜0.9mm、含水率15%～25%）其成型壓力變小，降低了能耗；熱壓成型試驗原料粒徑范圍變大，同時由于加入溫度的因素使原料含水率范圍也變大，一定程度上降低了生產成本，可為秸稈燃料實際生產中工藝參數的選擇提供數據支持。

相對于單一水稻秸稈原料成型燃料，加入了木屑原料的1:1混合原料成型燃料具有較好的物理性能，并且與傳統的通過在一定范圍內降低原料含水率、提高加熱溫度、增大成型壓力或在原料中加入黏結劑[28-29]來提高成型燃料質量的方法相比，此方法工藝程序更為簡便，且不會增大成型燃料的灰分含量以影響其熱值。但是由于木屑本身的結構特點使1:1混合原料成型燃料的抗滲水性較差，因此，在使用混合原料方法前有必要進一步對混合原料成型燃料進行研究。

相對于以往學者的試驗研究[10，13]，本試驗制得的成型燃料在抗滲水性測試時吸水量較大，這主要是由于本試驗制得的顆粒較小，在保證松弛密度要求的條件下（≤0.6g·cm?3）壓力較小，加之木屑原料本身的結構特征，使此工況下制得的成型燃料抗滲水性較低。成型燃料抗吸濕性是指將成型燃料放置在恒定溫度和水分含量的容器中直至質量恒定后所吸收的水量[9]。成型燃料存儲時一般都會采取防水措施，因此，抗吸濕性最能指導實際生產中燃料的儲備和運輸。但由于條件限制，本試驗選擇了檢測其抗滲水性，抗滲水性檢測條件比實際儲存和運輸的條件惡劣，因此，后續成型燃料試驗研究應盡量選取抗吸濕性為檢測標準。

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Lab-scale Experimental Study on the Compressing Molding Parameters under Hot Condition for Rice Straw Pellets

LI An-xin1, ZHANG Chuan-jia1, TU De-yu1,2, HE Gui-sheng1
（1.School of Mechanical Engineering， Anhui University of Technology， Maanshan 243032 ，China；2.Key Laboratory of Energy Conservation ＆ Waste Management of Agricultural Structures， Ministry of Agriculture， Beijing 100081）

Abstract：Rice straw cold press process had been done early and the result showed that the energy consumption of pellets was high and the quality of pellets was bad. In order to increase the quality of pellets， the rice straw hot-press forming experiment was carried out under different technological parameters （compressive forces， particle size，temperature， moisture content） by utilizing special briquetting equipment. By checking pellets’ physical properties （loose density， shatter resistance， compressive forces and water resistance）， the confirmed best process parameters were as follows: particle size 0-2mm， temperature 70-100℃， compressive forces 8.89-40MPa， moisture content 12%-25%. In order to increase the quality of rice straw pellets， some wood chips were added to the rice straw materials forming the mixed raw material.By analyzing the results of contrast tests， we found that under low compressive forces， the physical property of 1:1 blended material pellets were better than that of pure rice straw and wood chips pellets， and the results also indicated that adding wood chips into the rice straw material could improve the quality of single rice straw pellets.

Key words：Rice straw；Wood chips；Hot molding；Physical properties

作者簡介：李安心（1990-），女，碩士生，研究方向為生物質能源。E-mail:15755511791@163.com

基金項目：安徽省教育廳自然科學基金項目（KJ2013A060）；農業部設施農業節能與廢棄物處理重點實驗室開放課題（2013KT02）

* 收稿日期：2015-08-18**通訊作者。E-mail:tudeyu@ahut.edu.cn

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.004