玉米秸秆皮颗粒燃料耐久性能试验与工艺优化

    近年来，随着我国社会经济的发展和新农村建设的推进，农村能源消费结构发生了很大的变化，传统以农作物秸秆为燃料逐步被煤和液化燃气所取代，秸秆田间焚烧与闲置问题凸显口。3]。玉米已成为我国第一大粮食作物，其秸秆年产量就达2．2×108t[4]。玉米秸秆皮含有丰富的木质素和与木材性能相近的纤维素，不利于秸秆还田和反刍动物的消化[5‘6]，将其用于生物质成型燃料生产，对于发展秸秆经济、提高农民收入、改善农村生活条件和建设生态农业具有战略意义[7‘8]。耐久性是评价生物质成型燃料物理品质的重要性能指标[9]。为探索影响生物质颗粒燃料物理品质的主要因素与基本规律，满足生物质成型燃料的贮存和运输要求，国内外专家利用水稻、棉花、玉米等秸秆为原料进行了大量的试验研究口”13]。但以玉米秸秆皮为原料的研究相对较少，尤其是利用平模成型机及其工艺参数优化组合方面的研究更为少见。由于生物质材料的种类和化学成分的不同，以及压缩工艺和设备技术条件的影响，颗粒成型燃料的物理品质存在明显差异。

试验材料选用成熟的先玉335品种的玉米秸秆，其中皮、穰、叶的质量占秸秆总质量的百分比平均值分别为41．6％、11．6％和46．8％。用玉米秸秆皮穰分离装置[1朝将玉米秸秆的皮与穰分离，将玉米秸秆皮自然晾晒后用粉碎机粉碎，将粉碎后的玉米秸秆皮作为本试验的研究材料。粉碎后的玉米秸秆皮的主要物理特性指标见表1。本试验使用自行设计的平模成型机试验台，如图1所示。平模成型机为动盘式，电机功率为22kW；模盘直径为300mm，厚度为32ram，模孔直径为10ram；模盘2个压辊的表面配有直齿，直径为118ram，厚度为70mm。其他设备和仪器主要有：恒温鼓风干燥箱，SSZ振摆式筛沙机；便携式数显电子温度计；电子天平(精度为0．019)；游标卡尺(精度0．01mm)等。从图2(a)可以看出，随着含水率与模辊间隙的增大，抗破碎性先增大后减小。这说明，合适的水分起到了促进原料颗粒嵌合的作用，且一定范围内的模辊间隙能够提高成型率，同时加强了颗粒挤压层与层的贴合，从而提高了颗粒成型后的抗破碎性。从曲面陡峭程度来看，与模辊间隙相比，含水率对抗破碎性影响曲线更陡峭，说明含水率对抗破碎性影响的程度比模辊间隙更大。从图2(b)中可以看出，随着含水率与主轴转速的增大，抗破碎性先增大后减小；在含水率水平为一1～0、主轴转速水平为0～1范围内，抗破碎性较高；在含水率较高、主轴转速较大和含水率较低、主轴转速较小的情况下，颗粒成型后的抗破碎性较低；由此可见，含水率过大，水从颗粒中被挤压出来，游离在挤压层与挤
压层之间，不利于颗粒成型；同时，较高的转速虽加速了颗粒成型的速度，但出料速度过快使成型后的颗粒
比较松散，减小了其抗破碎性。从图2(c)中可以看出，随着模辊间隙与主轴转速的增大，抗破碎性先增大后减小；在模辊间隙、主轴转速都较小时，颗粒成型后的抗破碎性较低；在模辊间隙水平约为0～1、主轴转速水平为0～1范围时，抗破碎性较高。结合可以看出，二因素交互作用的等高线成椭圆状。如图3所示。从图3可知，设备关键机构的运动
因素对颗粒成型后的抗破碎性影响显著。模辊间隙较大时，颗粒挤压不够密实；主轴转速的增大同时增大了出料速度，使成型后颗粒比较松散，造成抗破碎性较低；在模辊间隙较小时，挤压成型时入料不连续，且主轴转速较低，克服颗粒变形时的挤压力不足，造成颗粒成型不够密实，抗破碎性较低。
1)试验因素影响抗破碎性的程度大小顺序依次为：含水率>主轴转速>模辊间隙；主轴转速与模辊间隙设备关键机构运动因素的交互作用对抗破碎性影响显著。
2)验证试验结果表明，利用Design--Expert 8．0．6软件建立的回归模型是合适的，可以用来预测生物质颗粒成型燃料的抗破碎性。在含水率为15％、模辊间隙为0．3mm、主轴转速为196r／min工艺条件下，抗破碎
性为94．9％，颗粒成型密度大于1．09／cm3，能够满足颗粒燃料实际生产的需要。