相同溫度不同含水率條件下秸稈成型參數關系的試驗研究

翁偉

摘 要：秸稈含水率會對秸稈成型質量產生直接的影響，為提升秸稈成型的整體質量，筆者利用溫度相同但含水率存在差異的秸稈樣本展開秸稈成型的相關試驗，得出了在相同溫度下含水率與成型壓力、生產率、單位產品能耗及成型效果的關系，并計算出含水率為13.8%時生產率最高；含水率為13.2%時的單位產品能耗最小；含水率為14.9%時有較好的成型效果，所需壓力偏小；秸稈成型所需含水率最佳值為14%～15%。

關鍵詞：秸稈；含水率；溫度；試驗

中圖分類號：S210 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160832008

農作物秸稈能量密度低，結構疏松、分布分散，因此收集、運輸、儲存困難，使用很不方便。解決這一問題的措施之一是利用秸稈成型技術，將松散細碎的無定型秸稈擠壓成質地致密、形狀規則的成型燃料。原料擠壓成型后，密度可達0.8～1.3g/cm3，能量密度與中值煤相當，成型后的秸稈成型燃料燃燒特性較成型前有明顯改善，火力持久、黑煙小、爐膛溫度高，且儲存、運輸、使用方便、干凈衛生，可代替礦物能源用于生產和生活領域[1-3]。

影響秸稈成型的變量很多，總的分為2大類：工藝變量和物料特性變量[5]。工藝變量包括：成型部件的幾何尺寸、保型筒的長度、成型加熱溫度、對物料施加的最高壓力和壓縮速度。物料特性[4]變量包括：秸稈的含水率、秸稈的形狀和尺寸、尺寸分布、物料的生物化學特性和機械特性[6]。關于物料特性和部分工藝變量對成型的影響，國內外已經做了比較多的研究[4-8]，但未見秸稈含水率對秸稈成型的影響的報道。為此，筆者設計本次試驗，以研究相同溫度下含水率對秸稈成型所需壓力、生產率、單位產品能耗以及成型效果的影響。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗裝置采用由河南農業大學農業部機電工程學院研制的HPB-Ⅲ型液壓式生物質（秸稈）成型機（出口直徑為130mm）；其他配套裝置：磅秤、粉碎機、干燥箱、溫度計、噴霧器、天平、FD-G2稻麥草水分測定儀、噪音計、游標卡尺、30～100A電度表、秒表等。

1.2 不同含水率試驗原料

筆者選擇的玉米秸稈由新鄭市郊區生產，在對其進行自然曬干和粉碎處理后，獲得的玉米秸稈原料粒度在0～6cm之間，經隨機抽取計算其平均力=粒度在3.1cm左右，對其進行檢測發現其平均含水率在9.5%左右，為保證試驗結果的準確性和有效性，筆者人工在空氣流通非常小的相對封閉環境中對原料進行加濕處理，并在加濕的同時對原料進行充分攪拌，保證其濕度均勻，在此過程中共對此操作重復11次。加水量逐次加大。

1.3 方法

試驗于2005年11月，在河南省新鄭市秸稈成型機推廣試點進行。試驗進行時環境溫度為16～19℃，環境濕度為26%。

筆者將成型機指示溫度設定為250℃，并將原料的種類、粒度、喂入頻率等可能影響成型機組運行狀態和試驗連續性、可操作性的因素設定為相對穩定或固定的定值。

測試方法為：讀出電表的初始值，成型機組運行穩定后，筆者在相同的環境中，將含水率存在差異的原料分別加入，并保持持續生產30min，每次分別記錄電表的初始值和最后讀數。每5min讀1次壓力表和噪音計的讀數，同時利用成型棒料，在原料的溫度達到常溫的情況下，對直徑進行測量，并計算其平均值；確定生產量。

2 測試結果與分析

測試結果如表1所示：

結合以上數據和信息得出以下結論：

由圖1看出，生產率和含水率之間的關系可以通過拋物線曲線進行表示，其擬合曲線為：

y = -2.6908x2+74.169x-39.304、相關系數R = 0.9172

計算得出含水率為13.8%時生產率最高。

由圖2得出，單位產品能耗與含水率的關系曲線接近拋物線，其擬合曲線為：

y = 0.225x2-5.9493x+85.763、相關系數R = 0.8821

在含水率為13.2%的情況下，單位產品能耗也將達到最低程度。

由圖3看出，含水率變化同時對應的成型棒直徑變化趨勢可以通過近似直線表示，其擬合曲線為：

y =1.4407x+117.75、相關系數R = 0.9672

在含水率為9.5%的情況下的成型棒直徑雖然達到最低程度，但密度卻上升到最大值，原料含水率與秸稈成型棒的出模直徑之間表現出顯著的正相關性。

通過測試試驗結果分析如圖4，壓力與含水率的關系曲線呈拋物線，其擬合曲線為：

y = 0.1442x2-4.3182x+56.946、相關系數R = 0.9547

計算得出有較好的成型效果的原料含水率為14.9%，此時對成型壓力的依賴性較低。通過試驗可以發現，在含水率過低的情況下，成型機工作壓力會表現出較高的水平，而且產生的噪音也非常大，加劇了設備的損耗和烘干生物質的能量消耗，在經濟性和環境性等方面均不理想；而在含水率過高的情況下，如果成型溫度條件不發生改變，秸稈的傳熱速度會相對降低，蒸發多余的水分過程中能量被消耗，使成型套內易出現一定的高壓蒸汽，為“放炮”現象的發生提供了條件，此時秸稈正常成型也會受到嚴重的影響，膨脹較大的成型塊數量明顯增多[8]。

3 小結

秸稈含水率是影響秸稈成型的主要因素之一，不同含水率的秸稈在成型過程中，其生產率、單位產品能耗、設備工作壓力及成型效果差別很大。試驗表明：含水率為13.8%時的生產率最高；含水率為13.2%時的單位產品能耗最小；含水率為14.9%時有較好的成型效果，所需壓力偏小。并得出秸稈成型最佳的含水率范圍為14%～15%，為秸稈成型機的改進和設計提供了一定的依據。

本次試驗是對實驗中的部分因素進行了強制性的統一，如原料的種類和粒度等方面，具有一定的局限性，因此在多因素的影響下含水率和壓力、單位產品能耗等的關系還需進一步試驗。

參考文獻

[1]張百良，李保謙.HPB-I型生物質成型機的應用研究[J].太陽能學報，1999，20（3）：234-238.

[2]張百良.HPB-I型生物質成型機的試驗研究[J].農業工程學報，1999，15（3）：133-136.

[3]李保謙，張百良，馬孝琴.液壓驅動式秸稈成型技術研究及其產業化[C].2000年國際可再生能源研討會論文集，2000.

[4]馬孝琴.生物質（秸稈）成型燃料燃燒動力學特性及液壓秸稈成型機改進設計研究[D].河南農業大學博士學位論文， 2002（44）.

[5]孟慶蘭.生物質壓塊擠壓部件結構參數的優化設計[J].農業工程學報，1994， 10 （4） ：142-147.

[6]0Dogherty，M.J.Wheeler，J.A.The effect of die diameter，mode of loading and chopping on the compression of straw to high densities in closed cylindrical dies[J].Divisional note dn/1103， national institute of agriculture engineering，silsoe，1982.

[7]何元斌.生物質壓縮成型燃料及成型技術（一）[J].農村能源，1995（5）：12-14.

[8]康德孚，孟慶蘭.生物質物料熱壓成型工藝參數的探討[J].農業工程學報，1994，10（3）：121-126.