超聲振動玉米秸稈成型燃料密度和松弛密度影響因素分析

馬 超，周桂霞，李文濤，楊 洋

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319；2.堪薩斯州立大學 生物與農業工程系，美國 堪薩斯州 曼哈頓 66502)

0 引言

農作物秸稈通常松散程度高、堆積密度較低，給收集、運輸、儲存和應用帶來一定的困難，同時秸稈中的木質素等高分子聚合物具有物理和化學抗降解屏障特性，在制備成型燃料時細胞壁組分很難被充分利用[1]，導致生物質成型燃料的機械強度和能量密度偏低。傳統成型過程機器磨損大、能耗高，針對這一弊端，利用超聲壓縮技術可使生物質在常溫、低壓力和無添加劑條件下，通過超聲振子的高頻振動迅速增大生物質密度[2-4]。本文選擇玉米秸稈含水率、成型壓力和超聲波電源功率3個影響因素在超聲波輔助下成型，研究其對燃料密度和松弛密度的變化規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為玉米秸稈，用秸稈粉碎機將玉米秸稈粉碎、過篩成粒直徑為1.0～1.5 mm，利用干燥箱在105 ℃下進行烘干24 h，加入適量蒸餾水，以干基調配其含水率為6%、8%、10%、12%和14%備用。

1.2 試驗方法

取1.5 g不同含水率的原料，裝入模具在成型壓力分別為138 kPa、207 kPa、276 kPa、345 kPa和414 kPa，超聲波電源功率為0%、20%、40%、60%和80%條件下進行壓縮成型。成型燃料制備完成時由數據采集系統記錄成型燃料的高度和直徑，隨機選擇3塊燃料利用數字天平分別測量其質量，分別計算各自的成型密度，最終結果取3次密度的平均值。松弛密度為室內常溫條件下保存24 h和48 h，然后用電子天平測量出樣品質量，用游標卡尺測量成型燃料的高度和直徑，通過橫截面積和高度計算體積，最后計算松弛密度，取3次平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 秸稈含水率對燃料密度和松弛密度的影響

圖1為不同含水率在粒徑1.0～1.5 mm、成型壓力345 kPa、超聲波電源功率40%和壓縮時間70 s條件下獲得成型燃料密度和松弛密度。由圖可見隨著玉米秸稈原料含水率的增加，密度和松弛密度呈現先增加后降低趨勢。含水率為6%時燃料密度最低，僅為1 159.65 kg·m-3，含水率10%時成型燃料密度最高為1 367.28 kg·m-3，比6%時的密度提高了17.9%，含水率14%時密度為1 353.00 kg·m-3，雖然密度下降，仍高于6%時的密度，可見含水率對密度的影響較大。24 h和48 h的松弛密度具有基本相同的變化規律，均呈現先增加后減少的趨勢，但幅度遠低于密度的變化。松弛密度在含水率10%時達到最高值，24 h和48 h的松弛密度分別為965.32 kg·m-3和936.66 kg·m-3，與密度相比分別降低了16.76%和19.23%。導致密度和松弛密度變化的主要原因是原料水分的差異，適宜的水分在成型過程中能起到有效的潤滑作用，減少原料粒子之間的摩擦力，增強粒子之間的流動性，能加強生物質粒子之間的機械嵌合，同時還能與原料中的糖類混合形成膠體并起到粘合劑的作用[5-6]。

圖1 密度和松弛密度隨含水率變化曲線

2.2 成型壓力對燃料密度和松弛密度的影響

圖2為不同成型壓力在粒徑1.0～1.5 mm、含水率為10%、超聲波電源功率40%和壓縮時間70 s條件下獲得成型燃料密度和松弛密度。由圖可見，成型燃料的密度和松弛密度均隨著成型壓力的提高而增加，燃料密度在138～276 kPa增加速度較快，從1 047.23 kg·m-3增加到1 244.67 kg·m-3，提高了18.85%，而后期緩慢增加，414 kPa時密度為1 280.47 kg·m-3，比345 kPa時的密度僅提高了0.18%，說明達到一定限度后，再增加更大壓力也難以有效提高成型燃料的密度。松弛密度隨壓力的增加幅度小于密度值，最大壓力時24 h的松弛密度為1 027.17 kg·m-3，48 h的松弛密度為975.44 kg·m-3，可見壓力越大，24 h和48 h的松弛密度差值也就越大，可能是由于超聲輔助制備燃料過程中無保壓環節，壓力越大導致燃料內部的應力也就越大，彈性變形越強，需要較長時間消除內應力[7]。

圖2 密度和松弛密度隨成型壓力變化曲線

2.3 超聲波電源功率對燃料密度和松弛密度的影響

圖3為不同超聲波電源功率在粒徑1.0～1.5 mm、成型壓力345 kPa、含水率10%和壓縮時間90 s條件下獲得成型燃料的密度和松弛密度。由圖可知隨著超聲波電源功率的增加，燃料密度和松弛密度均不斷提高，超聲波電源功率為0%即無超聲波輔助時，燃料密度和24 h 、48 h松弛密度最低，分別為978.69 kg·m-3、642.50 kg·m-3和639.22 kg·m-3，超聲波電源功率從0%到40%，密度和松弛密度幾乎呈線性增加趨勢，超聲波電源功率40%時密度和松弛密度分別為1 345.44 kg·m-3、1 006.86 kg·m-3和956.65 kg·m-3，與0%相比提高了37.47%、56.71%和49.66%，從40%至60%增加速度有所降低，當超聲波電源功率達到80%時，壓縮過程中燃料出現“放炮”現象[8]，如圖4所示，中心部分炭化不能成型。

圖4 成型燃料

3 結論

本文研究了在超聲輔助成型過程中，原料含水率、成型壓力和超聲波電源功率對成型燃料密度和松弛密度的影響規律。結果表明，隨著原料含水率的增加，燃料的密度和松弛密度先增加后逐漸減小；隨著成型壓力和超聲波電源功率的增加，燃料的密度和松弛密度逐漸增加，但超聲波電源功率過大時燃料內部易炭化。

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