模擬利用太陽能預處理玉米秸稈壓縮成型試驗

鄭勝+王佳欣++張同開

摘要：為了降低玉米秸稈在熱壓成型工藝的熱能輸入及成型過程中的壓縮能耗，首先檢測了太陽聚光板焦點溫度的波動范圍，然后分析了在類似波動溫度下秸稈的分解行為，最后采用模擬利用太陽能替代傳統玉米秸稈熱壓成型工藝的熱源，以之預處理軟化秸稈，對比壓縮成型的能耗變化。結果表明，太陽能聚光板聚光焦點溫度速率的波動基本維持在±15 ℃/min左右，且該工藝僅適宜于晴天或多云天氣條件下進行。模擬利用太陽能熱解秸稈的熱重曲線整體與恒定升溫速率下的趨勢相同，起始熱解溫度也維持在260～280 ℃，且秸稈熱解的動力學參數也符合傳統生物質熱解動力學的一般分析情況。為了避免秸稈受熱分解，利用太陽能預處理秸稈溫度范圍為0～250 ℃。經模擬太陽能預處理后的玉米秸稈壓縮比能耗為24.015 J/g，與未預處理的秸稈樣品相比必能耗降低1.194 J/g。

關鍵詞：玉米秸稈；壓縮成型；太陽能；預處理；熱解溫度；動力學參數；能耗

中圖分類號： TK6文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0261-03

中國作為農業大國，農作物秸稈資源豐富，具有潛在的開發與應用前景[1]。但秸稈大多以傳統方式低效直燃或燒荒，造成嚴重的資源浪費與環境污染等問題[2]。生物質成型技術可將低品位的生物質轉換為高品位的、易存儲與運輸的、體積密度較大的、熱效率高的生物質固體燃料[3]。成型后的生物質燃料能量密度與中值煤相當[4]。目前，生物質成型技術已得到一定的發展與推廣，國內外學者對小麥秸稈、玉米秸稈等生物質成型技術開展了大量的研究工作[5-6]，但是在成型過程中普遍存在設備使用壽命短、耗能高、成本高等問題，難以規模化應用[7-8]。研究比較熱門的秸稈熱壓成型工藝可以降低成型壓力，減少機械摩擦對成型設備的磨損，保證較好的成型塊品質，但熱壓成型工藝需要大量的熱能輸入，間接增加了成型成本[9-10]。由于太陽能資源具有巨大、廣泛、長久、無成本等特點[11]，若能將太陽能作為秸稈熱壓預處理（太陽能預處理軟化秸稈）的熱源，將大幅度降低生物質成型技術的成本。本試驗旨在研究模擬利用太陽能替代傳統秸稈熱壓成型工藝的熱源，預處理軟化玉米秸稈后壓縮成型，以達到降低玉米秸稈在成型過程中的壓縮比能耗的目的。

1材料與方法

1.1原料

原料選用吉林省吉林市郊區成熟的玉米秸稈，平均株高約2 m，上下平均直徑約2.5 cm，經去葉、去根處理后，自然風干至含水率為9.14%，利用F120型粉碎機（北京市永光明醫療儀器廠）將秸稈一部分粉碎并篩分至粒徑為15 mm以下的樣品，密封保存備用，用于秸稈壓縮成型試驗；另一部分粉碎并篩分至粉末狀樣品，置于鼓風干燥箱，在105 ℃下干燥 12 h，密封保存備用，用于秸稈熱解試驗。

1.2設備

設備主要選用TES-1310型數字溫度計，杭州豐華儀表廠；ZCT-B型綜合熱分析儀上，北京精儀高科有限公司；KDM型數顯恒溫加熱套，杭州豐華儀表廠；WDW-100型萬能試驗機，長春科新試驗儀器有限公司。同時配備一內徑為 16 mm 的壓縮成型模具，成型模具見圖1。

1.3方法

在室外的空曠地搭建直徑為1.5 m的太陽能聚光板，利用數字溫度計測量太陽能聚光板測量桿上測量點的焦斑溫度。分別在晴天、多云、陰天天氣條件下，在不同時刻實時監控聚光焦斑的溫度。測量時間從太陽光強度充足的11：00至15：00止，測量時間間隔為30 min，測量后計算聚光焦點的溫度波動范圍。

將裝有5 mg左右秸稈樣品的坩堝置于綜合熱分析儀上，根據聚光焦點的溫度波動范圍數據，利用程序設定模擬太陽能不恒定的升溫速率，以高純N2為載氣，載氣流量 50 mL/min，使秸稈樣品在氮氣氛圍中以不恒定的升溫速率從室溫升至指定溫度，隨著溫度的升高，樣品的質量發生變化，記錄下熱重（TG）曲線。分析秸稈在不恒定升溫速率下的失重情況及熱力學數據，并與恒定升溫速率下的熱解情況相對比，得出利用太陽能預處理秸稈的溫度范圍。

利用數顯恒溫電熱套模擬太陽能作為熱源預處理軟化秸稈的溫度波動，根據壓縮成型模具的尺寸，稱取1.5 g左右在不同預處理條件下的秸稈樣品并裝入模具中，利用萬能試驗機將秸稈以20 mm/min的壓縮速度壓縮到一定的壓力下成型，計算秸稈在壓縮過程中的壓縮比能耗，比較得出最佳軟化效果下的預處理條件。

比能耗E[12]是指生產單位質量的秸稈成型塊所消耗的能量（J/g）。計算公式如下：

E=∫0lFdS1m×10-3。

式中：S為壓縮位移，mm；F為壓縮試驗力，N；m為秸稈質量，g；l為壓縮總位移，mm。

2結果與分析

2.1太陽能聚光板焦點溫度測量

在晴天、多云、陰天天氣條件下，利用數字溫度計測量太陽能聚光板聚光焦點的溫度，結果見表1。

通過多組平行試驗結果發現，在晴天條件下，太陽能聚光板的聚光焦點溫度有較小波動，速率波動范圍在±5 ℃/min左右；多云條件下，太陽能聚光板的聚光焦點溫度有較大波動，速率波動范圍在±15 ℃/min左右；陰天條件下，太陽能聚光板的聚光效果較差，不作為試驗條件考慮。

綜合多種天氣條件考慮，該工藝適用于晴天或多云天氣條件。太陽能聚光焦點溫度速率的波動范圍基本維持在 ±15 ℃/min 左右。

2.2模擬利用太陽能熱解秸稈的TG分析

將裝有5 mg左右秸稈樣品的坩堝置于綜合熱分析儀上，根據程序設定氣體流速、升溫速率、終止溫度等參數，分別將秸稈樣品以5、10、15 ℃/min的升溫速率從室溫升至500 ℃并記錄下TG曲線，不同升溫速率下秸稈的熱重曲線見圖2。

利用綜合熱分析儀程序設定模擬太陽能的升溫條件，分別將秸稈樣品以如下升溫速率：第1組，15 ℃/min→200 ℃/min、5 ℃/min→300 ℃/min、15 ℃/min→500 ℃/min；第2組，15 ℃/min→200 ℃/min、10 ℃/min→300 ℃/min、15 ℃/min→500 ℃/min；第3組，15 ℃/min→200 ℃/min、15 ℃/min→3 000 ℃/min、5 ℃/min→500 ℃/min。

從室溫升至500 ℃并記錄下熱重曲線，不同升溫條件下秸稈的熱重曲線見圖3。

結果顯示，秸稈在不同升溫速率下，隨著升溫速率的提高，試樣的失重曲線向高溫區移動，起始熱解溫度在260～280 ℃。而模擬利用太陽能熱解秸稈，秸稈的失重曲線整體與恒定升溫速率下的趨勢相同，且起始熱解溫度也基本維持在260～280 ℃。若利用太陽能預處理秸稈，須保證秸稈的預處理溫度維持在250 ℃以下，避免秸稈過熱發生分解。所以，利用太陽能預處理秸稈的溫度范圍應保持在0～250 ℃。

秸稈熱解的反應級數通常近似為一級，即n=1。由n=1時的反應式知，ln-ln（1-a）1T2與11T呈線性關系，將ln-ln（1-a）1T2對11T作圖，將其擬合成一條直線，斜率為 -E1R，截距為lnAR1Eβ，可以求出反應活化能E、指前因子A。秸稈在不同升溫速率及升溫條件下的熱解動力學參數見表2。

結果顯示，在不同升溫條件下，秸稈的熱解反應活化能（E）和頻率因子（A）存在差異。其中，在恒定的升溫速率條件下，升溫速率越大，反應活化能就越高。而當升溫速率不恒定的條件下，即模擬太陽能熱解秸稈的情況下，秸稈熱解的動力學參數也符合一般生物質熱解動力學分析。

2.4恒溫加熱預處理軟化秸稈壓縮成型試驗

利用數顯恒溫加熱套在50、100、150 ℃下分別以0.5、1.0、1.5、2.0 h加熱密封在容器內的秸稈樣品，利用萬能試驗機將樣品壓縮到1萬的壓力下成型。玉米秸稈的壓縮比能耗見圖4。

從圖4可以看出，通過對秸稈加熱預處理，隨著加熱溫度與加熱時間的增加，秸稈的壓縮比能耗與未預處理過的秸稈樣品相比有一定的降低。但隨著加熱時間的進一步增加，秸稈的壓縮比能耗有所提高，從整體來看，加熱溫度為150 ℃時、秸稈的壓縮比能耗降低的效果更為顯著。其中當加熱溫度為150 ℃，加熱時間為1 h時，秸稈的壓縮比能耗為 22.612 J/g，比未預處理過的秸稈樣品降低2.597 J/g。

2.5模擬利用太陽能預處理秸稈壓縮成型的試驗

依據太陽能聚光焦點溫度速率波動范圍（±15 ℃/min）及利用太陽能預處理秸稈的溫度范圍（0～250 ℃），利用加熱套模擬太陽能預處理秸稈的試驗條件見表3，加熱密封在容器內的秸稈樣品后，利用萬能試驗機將樣品壓縮到1萬的壓力下成型。結果顯示，由于太陽能具有不穩定性，所以利用加

熱套模擬太陽能預處理秸稈的加溫速率需呈現出不規律性。整體來看，秸稈的壓縮比能耗與未預處理過的秸稈樣品相比都有一定的降低。其中，當加熱溫度在0～50 ℃時，加熱時間對秸稈的壓縮比能耗并沒有太大影響；當加熱溫度在50～150 ℃時，加熱時間越長，秸稈的壓縮比能耗降低越明顯；而當加熱溫度在150～250 ℃時，加熱時間越短，秸稈的壓縮比能耗降低越明顯。為了節約時間與成本，當秸稈在0～50 ℃加熱預處理10 min、50～150 ℃加熱預處理20 min、150～250 ℃ 加熱預處理10 min時，秸稈的壓縮比能耗為 24.015 J/g，比未預處理的秸稈樣品降低1.194 J/g（表3）。

3結論與討論

利用數字溫度計測量太陽能聚光板上聚光焦點的溫度，計算得出太陽能作為熱源條件下的溫度速率波動范圍，基本維持在±15 ℃/min左右，且該工藝僅適宜于晴天或多云的天氣條件下進行。

分別在恒定升溫速率及模擬利用太陽能作為熱源下熱解秸稈，模擬利用太陽能熱解秸稈的TG曲線整體與恒定升溫速率下趨勢相同，起始熱解溫度也維持在260～280 ℃，且秸稈熱解的動力學參數符合傳統生物質熱解動力學的一般分析情況。為了避免秸稈受熱分解，利用太陽能預處理秸稈的溫度范圍應保持在0～250 ℃。

利用加熱套預熱處理秸稈，加熱溫度和時間對秸稈的成型均有一定的影響，當加熱溫度為150 ℃、加熱時間為1 h時，秸稈的壓縮比能耗為22.612 J/g，比未預處理過的秸稈降低2597 J/g。此外，利用加熱套模擬太陽能預處理秸稈壓縮成型，當秸稈在0～50 ℃加熱預處理10 min、50～150 ℃加熱預處理20 min、150～250 ℃加熱預處理10 min時，秸稈的壓縮比能耗為24.015 J/g，比未預處理過的秸稈樣品降低 1.194 J/g。

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