玉米秸稈和木屑及木鈉混配成型工藝參數優(yōu)化

李偉振，姜 洋※，饒 曙，陰秀麗，蔣恩臣

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；3. 廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應用重點實驗室，廣州 510640；4. 華南農業(yè)大學材料與能源學院，廣州 510642）

0 引 言

中國成型燃料產業(yè)初具規(guī)模，年產量達到了 600多萬 t，尤其在工業(yè)發(fā)達的省份生產應用發(fā)展迅速[1]。各類成型燃料中，以木質為原料的顆粒燃料最為成熟，隨著產業(yè)規(guī)模的擴大，木質原料資源有限，產業(yè)規(guī)模受到限制[2]。中國有大量的玉米秸稈資源，將其加工成型，進行燃料化利用，是合理利用途徑之一。混配成型技術是根據不同生物質存在理化差異的特性，按一定比例方案進行混配，實現組分互補、提高粒子間機械互鎖性能，改善成型效果，是未來成型技術的主要發(fā)展方向之一[3]。將玉米秸稈與木屑原料混配成型是較好的技術方案，已有的研究結果也表明采用木屑原料混配成型的方式能夠提高成型效果[4-6]。

生物質成型主要是利用木質素的軟化黏結作用，其含量對成型燃料品質有重要的影響[7-8]。木質素磺酸鈉（簡稱木鈉）是生產紙漿的副產物，為工業(yè)級木質素，易獲得，其組織結構上存在有各種活性基，能產生縮合作用或與其他化合物發(fā)生氫鍵作用，常用做黏結劑、分散劑和潤濕劑等。已有的研究表明，成型過程中添加一定量的木鈉能夠起到很好的黏結作用，改善成型效果[9-11]。因此，本文將其應用到生物質壓縮成型中，采用響應面的試驗方法，研究玉米秸稈與木屑、木鈉的混配成型特性，獲得優(yōu)化成型參數，以期為工業(yè)生產提供一定理論支撐。

1 試驗原料與方法

1.1 試驗原料

玉米秸稈和木屑取自廣東佛山，經自然風干、粉碎和篩分后粒徑在40～100目間，置于105 ℃烘箱至恒質量，根據質量比摻入一定的去離子水，均勻混合后獲得水分4%～20%（4%，8%，12%，16%，20%）間的原料。木鈉來自廣東某造紙廠，深褐色粉末。原料的元素、工業(yè)和熱值分析依據標準[12-14]進行測試，采用的儀器分別為德國Vario EL公司Vario EL CHNS元素分析儀、長沙開元儀器股份有限公司5E-MACIV全自動工業(yè)分析儀、長沙奔特儀器有限公司WZR-1T-CII微電腦量熱計，結果見表 1。參考美國國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）的方法[15]測定玉米秸稈和木屑原料木質素質量分數分別為26.16%、36.26%。

表1 原料的元素分析、工業(yè)分析和熱值Table 1 Ultimate and proximate analysis, HHV of biomass and lignin

1.2 試驗方法

利用Design Expert 8軟件進行響應面設計和分析，采用3水平5因素的中心組合試驗設計（CCD），試驗變量的標識，參數范圍和中間值見表 2。(補充變量范圍選擇的依據)

表2 試驗因素水平設計Table 2 Variables and levels of experiment

壓縮試驗在WD-100KE型電子壓力機上進行，試驗模具見圖1。壓桿直徑10.0 mm，模具內徑10.2 mm。試驗過程中，采用加熱帶、熱電偶和溫控儀進行加熱和溫度控制，待溫度達到設定溫度并保持穩(wěn)定后，向模具中加入一定質量原料，然后調用壓縮程序（設定壓縮速度、目標壓力值、保壓時間）對原料壓縮成型，完畢后將顆粒擠出，每個試驗條件重復 3次，結果取其平均值。成型過程的壓力-位移曲線由電腦自動記錄。

圖1 成型試驗模具圖Fig.1 Assembly drawing of compression experiment

2 成型指標的測試方法

成型顆粒的物理特性是其重要品質特性，直接決定了顆粒的運輸、貯藏條件及使用要求[16]。密度體現成型燃料中粒子間的黏結性能[17]；機械耐久性反映成型燃料的抗破碎能力[18]；能耗反映生產時所耗能大小，3個成型指標是衡量燃料本身和生產過程的重要指標。中國生物質成型燃料標準中對這 3個指標的測試方法有相關規(guī)定[19-21]，依照標準，密度的測量是采用蠟封的方式，通過測定樣品在空氣中與液體中質量的差值來計算密度，實驗室采用該方法測量過程較為繁瑣，本試驗中所制得顆粒為規(guī)則圓柱體，可依據顆粒的質量和體積來計算密度。生產能耗是通過測定生產機組消耗的電能和生產率來計算，主要針對工業(yè)生產機組，在實驗室中也難以實現。壓縮過程比能耗反映了壓縮單位質量物料的耗能量，其數值與實際生產能耗有一定偏差，但可用來反映不同條件下的生產能耗。機械耐久性是通過轉鼓試驗，將已磨損和細小的顆粒分離出來，根據剩余樣品的質量來計算，測試需要500 g樣品，同樣在實驗室中難以實現。徑向最大抗壓力是壓碎顆粒時，破碎點所對應的力值，也能反映顆粒的抗碎能力。因此，本文選用松弛密度、比能耗、徑向最大抗壓力作為成型技術指標。

2.1 松弛密度（RDS，relaxed density）

將顆粒擠出后密封保存，2周后測量直徑、長度和質量，計算顆粒的密度，此密度為松弛密度，計算公式見式（1）。

式（1）中RDS、m、D、l分別為顆粒的松弛密度（kg/m3）、質量（kg）、直徑（m）、長度（m）。

2.2 比能耗（SEC，specific energy consumption）

根據壓縮成型過程中壓力-位移曲線，由式（2）計算顆粒壓縮過程的比能耗（未考慮模具加熱能耗）。

式（2）中 SEC、W、m、f、s分別為壓縮過程的比能耗（kJ/kg）、總能耗（J）、顆粒質量（g）、壓力（kN）、位移（mm）。

2.3 徑向最大抗壓力（RMS，radial maximum stress）

將儲存2周的顆粒水平放置在壓力機2塊正對的平板之間，采用程序控制平板下行，下行速度設定為20 mm/min。記錄平板下行時壓力-位移曲線，曲線中出現的壓力快速升高后突然下降對應顆粒的破碎點。破碎點所對應的壓力即為顆粒的徑向最大抗壓力。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗結果

試驗參數組合和試驗結果見表3。在選取的試驗參數范圍內，RDS變化范圍為883～1 201 kg/m3；SEC變化范圍為5.25～23.18 kJ/kg；RMS變化范圍為390～1 566 N。

變化一個參數，其他參數取中間值時，木屑質量分數由0增加到40%（原料木質素質量分數由24.61%增加到30.21%，木鈉木質素含量除外），見試驗編號17、1、29，RDS減小了2.17%，SEC增大了44.21%，RMS增大了49.09%，說明木屑質量分數增加對RDS的影響不大，可顯著提高RMS，改善成型效果，但SEC相應增大。木鈉質量分數從2%增加到10%，見試驗編號14、1、16，RDS增大了8.21%，SEC減小了14.28%，RMS增大了30.40%，說明木鈉發(fā)生熱轉變后，發(fā)揮了黏結作用，對成型效果起促進作用，在減小 SEC的同時提高 RDS和RMS。溫度由40 ℃提高到160 ℃，見試驗編號23、1、18，RDS增大了 14.09%，SEC先減小了25.43%，再增大了53.42%，RMS增大了233.33%，說明溫度適當提高可以增大RDS，降低SEC，顯著增大RMS。水分由4%增加到20%，見試驗編號31、1、32，RDS減小了12.34%，SEC減小了41.86%，RMS減小了46.05%，說明水分增加降低了SEC，但也會降低RDS、RMS。壓力由1 kN提高到9 kN，見試驗編號11、1、26，RDS增大了25.03%，SEC增大了212.19%，RMS先增大了97.17%，再減小了2.42%，說明壓力提高增加了RDS、RMS，但SEC增加比例更大，在RDS、RMS滿足要求時，不宜設置太高壓力。

表3 試驗參數與響應值的平均值Table 3 Average value of experimental parameters and responses

3.2 模型與方差分析

對試驗數據先進行回歸分析，選定最優(yōu)模型，再剔除模型中不顯著項，得到最終模型。對方差分析結果評價的規(guī)則為[22]：調整R2及預測R2值均接近1，兩者的差距在0.2以內，模型充足性精度大于4。所選定的模型和回歸方差分析結果見表4，可以看出模型滿足評價規(guī)則，擬合較好[23-24]。

表4 響應變量的方差分析Table 4 ANOVA of response variables

表 5是回歸后各指標的方差分析結果。可以看出，各指標模型P值均小于0.05，表明模型是顯著的。失擬檢驗P值大于0.05，在統(tǒng)計上不顯著，表明模型與數據相符。基于分析可以得出：模型能夠充分描述3個指標，模型簡化合理，精度較高。最終的回歸模型（剔除了影響概率較小的不顯著項）以編碼值作為自變量的公式見式（3）、式（4）和式（5）。

表5 松弛密度、比能耗、徑向最大抗壓強度的方差分析Table 5 ANOVA of RDS, SEC and RMS

3.3 交互作用分析

3.3.1 RDS分析

由式（3）可知，CD和DE是RDS的顯著性影響項，其對 RDS的影響見圖 2（其他參數取中間值）。從圖 2a可以看出，大部分試驗條件下RDS都大于1 000 kg/m3。達到一定溫度后，水分增加對RDS的影響較小，如當溫度達到 140 ℃，水分大于 8%時，繼續(xù)增加水分，RDS變化很小，約1 150 kg/m3。同時提高溫度和水分能夠保持RDS不變，成型過程中一定量的水分可在粒子間形成薄膜，增大接觸面積和相互作用力，起到黏結劑和潤滑劑的作用，溫度提高成型過程中水分蒸發(fā)較多，要保持一定起黏結作用的水分，水分含量應相應的增加[25-26]。溫度不變，水分增加，RDS降低，此條件下成型過程中水分蒸發(fā)量一定，過量的水分分布于粒子層之間，阻止粒子間的緊密結合。水分不變，溫度提高，RDS增加，因為提高溫度在促進水分起到黏結劑的同時，能夠使原料中的纖維素變得柔軟，易于發(fā)生變形[27]。從圖2b可以看出，大部分試驗條件下RDS同樣都大于1 000 kg/m3。達到一定水分后，壓力增加對RDS的影響較小，如當水分達到14%，壓力大于6 kN時，繼續(xù)增加壓力，RDS變化很小，約1 100 kg/m3。壓力不變，水分增加，RDS降低，同樣是因為過多的水分阻止粒子間的緊密結合。水分不變，壓力提高，RDS增加，因為壓力提高有助于減小粒子間距，增大吸引力[28]。

圖2 松弛密度的交互作用分析Fig.2 Interaction effect analysis on RDS

3.3.2 RMS分析

由式（5）可知，BC、CD和DE是RMS的顯著性影響項，其對RMS的影響見圖3（其他參數取中間值）。從圖 3a可以看出，溫度小于 100 ℃時，木鈉質量分數對RMS的影響較小。溫度大于100 ℃，木鈉質量分數在一定范圍內對RMS的影響較大，超過這一范圍時，對RMS的影響較小。成型過程中木鈉軟化后起黏結劑作用，從試驗結果可知，只有達到一定溫度（木鈉發(fā)生熱轉變從而軟化）和一定木鈉質量分數范圍內才能起到較好的黏結作用。從圖3b可以看出，溫度和水分的提高能夠保持RMS不變，這與RDS的變化規(guī)律一致，也是一定量的水分起黏結劑和潤滑劑的作用[29]。從圖3c可以看出，壓力不變，水分增加，RMS減小。水分不變，提高壓力，RMS增加到最大值后稍有減小。

3.4 參數優(yōu)化及試驗驗證

中國成型燃料標準NY/T 1878-2010中規(guī)定[30]，顆粒狀燃料密度 ≥1 000 kg/m3，因此，參數優(yōu)化條件設定為：DRS≥1 000 kg/m3，SEC最小。對優(yōu)化參數合理取值后，進行了驗證試驗，并進行了成型指標預測值與試驗值的誤差分析，結果見表6，結果表明誤差值都在8%以內，屬工程實踐可接受范圍，預測值和試驗值吻合良好，模型預測精度較高，可為玉米秸稈實際混配成型參數選取提供一定理論支撐。

圖3 徑向最大抗壓力的交互作用分析Fig.3 Interaction effect analysis on RMS

表6 參數優(yōu)化、驗證試驗結果及誤差分析Table 6 Parameter optimization, validation test results and error analysis of predicted value and test value

4 結 論

本文采用響應面的中心組合試驗設計方法，進行了玉米秸稈與木屑及木鈉的混配成型試驗，研究了木屑質量分數、木鈉質量分數、溫度、水分、壓力 5因素對顆粒RDS、SEC、RMS的影響。

1）在參數變化范圍內，RDS變化范圍為 883～1 200 kg/m3；SEC變化范圍為5.25～23.18 kJ/kg；RMS變化范圍為390～1 566 N。

2）通過對試驗數據的回歸分析，選定成型指標的模型均為調整的二次模型，模型的調整R2與預測R2滿足評價規(guī)則，方差分析顯示指標模型的P值均小于0.000 1，模型擬合度較好，剔除不顯著項后，建立了指標的響應面方程，能夠預測不同參數下的成型指標值。

3）依據響應面方程分析了參數對成型技術指標的交互作用，發(fā)現溫度和水分、水分和粒徑對RDS起顯著交互作用；木鈉質量分數和溫度、溫度和水分、水分和壓力對RMS起顯著交互作用。

4）DRS≥1 000 kg/m3，SEC最小條件下，最佳成型參數為：木屑質量分數10.15%，木鈉質量分數8%，溫度95.83 ℃，水分15.83%，壓力3 kN，對優(yōu)化結果的驗證試驗結果表明誤差值都在8%以內，模型預測精度較高。驗證試驗參數修正為：木屑質量分數 10%，木鈉質量分數8%，溫度96 ℃，水分16%，壓力3 kN，驗證結果為：松弛密度為1054 kg/m3；比能耗為2.69 kJ/kg；徑向最大抗壓力為685N，可為實際混配生產參數的優(yōu)化提供理論參考。

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