关于农用液压式生物质成型机的试验研究

摘要:阐述了液压式生物质成型机的成型机理,并对其进行了试验研究。试验和分析结果皆表明:在原料为自然干燥玉米秸秆的条件下,要保证成型机工作顺利、成型棒成型效果良好且单位产品能耗较低,应该把加热温度稳定在240~250℃之间,从而使在原料为自然干燥玉米秸秆的条件下成型机的关键生产参数(即加热温度)得到了确定。

关键词:生物质;液压式成型机;成型燃料

0引言

我国是一个农业大国,8亿多人口生活在农村,农村能源尤其优质能源普遍短缺。农村能源70%来自生物质能,中国生物质资源非常丰富,资源总量达6.5亿t标准煤以上[1]。由于生物质结构疏松,能量密度低,燃烧效率低,且难以找到合理的利用方式,大量的秸秆被遗弃荒烧,造成空气环境的严重污染,笔者对社会、经济、环境和生态等造成了严重的不良影响。

为开发和利用国内以秸秆为主的生物质能源,笔者对液压式生物质成型机及配套秸秆成型燃料生产线所需的技术与设备进行了设计和试验研究。

1液压式生物质成型机成型机理和技术路线1.1成型机理该系统是在不加任何粘结剂的条件下对生物质进行热压成型的。生物质之所以能够成型,主要是由于生物质中木质素的存在。木材中木质素的含量为27%~32%(绝干原料),禾草类植物木质素含量为14%~25%。通过X射线衍射表明,木质素属非晶体,没有熔点,但有软化点。试验表明:在一定的压力下,当温度在70~100℃时其粘合力开始增加;温度在200~300℃时,可以熔融[2]。热压成型的合适温度为140~200℃。该成型机采用液压驱动往复活塞双向挤压成型机构,在该温度下通过双出杆油缸两端的冲杆挤压成型套筒中的生物质,由于外力的作用,粒子主要以相互靠紧的形式结合[3]。随着外力的增大,生物质体积大幅度减小,密度显着增大,生物质内部胶合外部焦化,并且具有一定的形状和强度。在冲杆的挤压作用下,生物质成为棒状从两端成型套筒中交替挤出,成为既定形状[4]。由于采用了液压驱动,所以成型机的运行稳定性好,噪音比较小,操作环境得到了明显的改善。

1.2成型燃料生产线技术路线

秸秆生物质成型燃料生产线的生产是将收集的秸秆生物质先通过太阳能干燥系统进行自然脱水,通过输送带进入粉碎机;粉碎后的秸秆由气力输送装置送入原料库,再由输送带送入秸秆液压式生物质成型机中,即可得到成型燃料产品[5]。

成型燃料生产线的工艺流程是:太阳能干燥或直接晒干输送带秸秆粉碎机原料库输送带搅龙预压喂入液压式生物质成型机包装成品贮存。

2成型燃料生产线的配套设备

成型燃料生产线设备包括太阳能干燥系统、秸秆粉碎机、液压式生物质成型机、生物质燃烧炉和包装机等;生产线采用的原料主要是秸秆类生物质,如玉米秸秆、豆秸、稻草、棉秆和树枝合木屑等;生产线的关键设备是液压式生物质成型机[6]。

3试验材料与方法

3.1原料及试样制备试验原料取自新郑市周围的玉米秸秆,经自然晒干后,用粉碎机将其粉碎,粉碎后的平均粒度为31㎜,含水率为9.5%。

3.2试验装置与方法

试验采用液压生物质成型机、粉碎机、电热干燥箱、分析天平、台秤、磅秤、干湿温度计、噪音计、游标卡尺、30~100A电度表、秒表和玉米秸秆等。

试验条件:生产环境温度为18℃,湿度为25%。

检测方法:将测试设备与成型机连接好后,使成型机处于稳定运行状态,从测试仪器设备中记录出相应的参数。在每一个成型温度条件下,使成型机平稳运行30min,测试3次,然后取其平均值。

3.3试验结果及分析

上述基本试验条件下,成型机在不同成型温度下生产出的成型棒冷却后直径如表1所示。

表1不同成型温度下成型棒冷却后直径Tab.1 The briquetting staff diameters of different temperature成型温度/℃成型棒直径/㎜成型温度/℃成型棒直径/㎜300 140290 138280 136270 135260 134250 133240 131230 132220 131210 130成型棒冷却后,由于内部的水蒸汽膨胀和吸收空气中的水分,当成型温度高时,成型棒成型后内部会产生较多的水蒸汽,这可以看作是使成型棒膨胀的内在动力;在成型棒冷却过程中,其干燥的表面会吸收空气中的水分,从而使成型棒膨胀,这是造成成型棒膨胀的外部动力[7]。从试验结果以看出,在其它生产条件相同的条件下,成型棒冷却后直径随着成型温度的增加而增加。

不同成型温度下的成型棒膨胀率折线图如图1所示。从图1可以看出,冷却后成型棒膨胀率随着成型温度的上升逐渐增加,其曲线接近线性关系。这说明,冷却后成型棒的密度随着成型温度的升高而减小。在300℃时,成型棒的直径最大,则其密度最低;而在210℃时,成型棒的直径最小,则其密度达到最大值。

所以,在保证成型棒顺利成型的前提下,成型加热温度应该尽量降低。这样既可以减少加热能耗,降低生产成本,又可以保证成型棒的成型效果。

图1不同成型温度对成型棒膨胀率的影响Fig.1 The expansion coefficient of briquetting staff ondifferent temperature根据实际情况,进行了大量的试验,如表2所示。

从表2可以看出:在液压生物质成型机生产过程中,加热温度在230℃以上时,加工出来的成型棒表面光滑程度较好;在220℃和210℃时,其表面光滑程度降低;在200℃几乎不能成型。这说明,加热温度对成型棒的成型效果有很大的影响,是影响成型效果的一个比较关键的因素。所以,加热温度的确定是成型机生产参数确定的关键环节。

加热温度在230℃以上时,成型棒出模比较顺利;加热温度为220℃,成型棒出模开始出现困难;在210℃时,可以看到成型棒出模明显困难;而在200℃时,成型棒几乎不能出模。成型棒的加热温度在210~230℃之间时,其表面颜色为灰褐色,成型棒出模比较困难;在240~260℃之间时,成型棒颜色为灰黑色,且出模相对顺利;在270℃及其以上时,成型棒表面呈焦黑色,出模比较顺利。这说明,加热温度对成型棒出模顺利程度影响很大,加热温度的高低直接决定了成型棒是否出模。

根据试验情况可以得出,要想保证成型棒出模顺利,加热温度必须在230℃以上。成型温度在260℃以上时,成型棒出模冷却后的膨胀率较大,冷却后表面裂纹较多;加热温度在260℃以下时,成型棒冷却后膨胀率较小,表面比较光滑。可以看出,冷却后成型棒表面裂口的大小随着加热温度的降低而减小。

在液压式生物质成型机的整个运行过程中,其空转运行时的最高噪音为82dB,进行生产时的最高噪音稳定在90dB左右。不同成型温度下的成型压力如图2所示。

图2不同成型温度下的成型压力

Fig.2 Briquetting Pressure of different briquetting temperature从图2可以看出,成型机的成型压力随着成型加热温度的升高而逐渐较小,可见增加成型温度可以降低成型压力。这主要是由于温度增加可以使成型棒在成型阶段表面软化,降低了成型棒出模时的摩擦阻力,从而可以降低液压系统的工作阻力,使液压压力下降。由于成型机生产过程中的噪音主要是由液压系统造成的,所以液压压力的下降也可以使生产过程中的噪音降低。这就要求在成型机生产过程中选择合适的成型温度,以充分利用液压能而又不使液压压力过高[8]。

4结论

根据以上试验,可得出以下结论:液压生物质成型机在生产原料的种类、原料粒度、含水率、成型压力、成型套筒的锥长和锥 角、成型周期、摩擦力及喂入频率不变化的情况下,环境温度为18℃、环境湿度为25%时,生产线生产方案的制定要考虑以下因素:一是加热温度在230℃以上时,成型棒表面光滑程度较好,所以加热温度应该在230℃以上才能保证加工出来的成型棒的表面光滑度;二是加热温度应在230℃以上时,才能保证成型棒的出模顺利,从而保证成型生产过程的连续性和成型机组运行的稳定性;三是成型棒出模后的表面颜色不是影响成型的主要因素,但是当成型棒表面为焦黑或者灰黑色时成型比较顺利,表面为灰褐色时,成型开始出现困难,所以成型棒的表面颜色可以作为表征秸秆成型顺利程度的指标之一;四是成型棒出模冷却后的膨胀率不应太大,冷却后表面应比较光滑,所以机组正常生产时的加热温度应该控制在260℃以下;五是成型机的成型压力随着加热温度的升高而逐渐较小。在成型机生产过程中,要选择合适的成型温度,以充分利用液压能而又不使液压压力过高;六是在整个试验过程中,液压生物质成型机正常工作时的最高噪音稳定在90dB左右,在人体承受范围之内。

综合考虑影响液压式生物质成型机生产时的生产率、成型部件磨损、原料含水率变化、成型机体寿命以及能耗等因素,把生产时的加热温度稳定在240~250℃之间为适宜温度。

参考文献:

[1]张百良.农村能源工程学[M].北京:中国农业出版社,1999.[2]何元斌.生物质压缩成型燃料及成型技术(一)[J].农村能源,1995(5):12-14.[3]郭康权,赵东.植物材料压缩成型时粒子的变形及结合形式[J].农业工程学报,l995,11(1):138-143.[4]张百良,李保谦,赵朝会,等.PB-Ⅰ型生物质成型机的应用研究[J].太阳能学报,1999(3):234-238.[5]P D Grover,S.K.Mishra.Proceedings of the internationalworkshop on biomass briquetting[C]//Food and AgricultureOrganazation of the United Nations Report on Wood EnergyDevelepment Programme in Asia,1996.[6]李保谦,张百良.PB—I型活塞式生物质成型机的研制[J].河南农业大学学报,1997,31(2):112-117.