向日葵秸秆固体燃料成型工艺及储运条件优化_钱晓亮.pdf

引用本文格式钱 晓 亮，张 静，郑 德 聪，等 向 日 葵 秸 秆 固 体 燃 料 成 型 工 艺 及 储 运 条 件 优 化 J 农 业 工 程，2023，13（1）：47-52 DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.01.008 QIAN Xiaoliang，ZHANG Jing，ZHENG Decong，et alOptimization of forming process and storage and transportationconditions of sunflower straw solid fuelJAgricultural Engineering，2023，13（1）：47-52向日葵秸秆固体燃料成型工艺及储运条件优化钱晓亮，张静，郑德聪，黄志杰（山西农业大学农业工程学院，山西 晋中 030801）摘要：向日葵在北方被广泛种植，其秸秆纤维强度高、油性好，适于制作固体燃料。为提高燃料成型效果，降低储运过程中燃料损耗率，采用田口法优化成型工艺参数，提高燃料品质。试验模拟储藏环境研究储藏湿度对燃料表面形貌、密度、全水分及磨损率的影响，确定储藏条件。以 LBT-5024 型振动台模拟运输振动状况，研究燃料包装材料和运输振动频率对向日葵秸秆固体燃料振动后质量缺损的影响，确定最佳包装材料及合理的振动频率。结果表明，向日葵秸秆固体燃料成型工艺参数对密度的贡献率分别为含水率 59.26%、温度 1.59%、压力 32.96%及粒径 0.59%，最佳工艺组合是含水率 9%、温度 110 C、压力 120 MPa、粒径 0.160.63 mm，为保证固体燃料的物理品质符合使用要求，储藏湿度木箱蛇皮袋纸箱，运输过程中应将振动频率控制在 2 Hz 左右。关键词：向日葵秸秆；固体燃料；储运条件；成型参数；物理性能中图分类号：S216.2文献标识码：A文章编号：2095-1795（2023）01-0047-06DOI：10.19998/ki.2095-1795.2023.01.008Optimization of Forming Process and Storage and Transportation Conditions ofSunflower Straw Solid FuelQIAN Xiaoliang，ZHANG Jing，ZHENG Decong，HUANG Zhijie（College of Agriculture Engineering，Shanxi Agricultural University，Jinzhong Shanxi 030801，China）Abstract：Sunflower has a vast planting area in the north，and its straw fiber has high strength and good oiliness，which is suitable formaking solid fuelIn order to improve fuel molding effect and reduce fuel loss rate during storage and transportation，the Taguchimethod was used to optimize molding process parameters and improve fuel qualityStorage environment was simulated to study effect ofstorage humidity on surface morphology，density，total moisture and wear rate of fuel，and storage conditions were determinedTheLBT-5024 vibration table was used to simulate transportation vibration，and influence of fuel packaging material and transportationvibration frequency on quality defect of sunflower straw solid fuel after vibration was studied，and optimal packaging material andreasonable vibration frequency were determinedResults showed that，contribution rate of sunflower straw solid fuel molding processparameters to density was moisture content 59.26%，temperature 1.59%，pressure 32.96%and particle size 0.59%，optimal processcombination was moisture content 9%，temperature 110 C，pressure 120 MPa，particle size 0.160.63 mmIn order to ensure thatphysical quality of solid fuel could meet requirements for use，storage humidity should be lower than 60%RH，and choice of packagingmaterials was iron box wooden box snakeskin bag cartonVibration frequency was controlled at about 2 HzKeywords：sunflower straw，solid fuel，storage and transportation conditions，molding parameters，physical properties0引言为实现“碳达峰、碳中和”目标，以农作物秸秆压缩成型制作固体燃料能有效解决能源短缺问题，减少秸秆露天焚烧，提高秸秆综合利用率。向日葵在北方被广泛种植，每年收获后都会剩余大量秸秆1。将其制成固体燃料可提升燃料品质，降低储运成本，但生产后通常需经 6 个月的储藏才可转运至燃烧地。在此期间，需对储藏环境进行严格把控以保证燃料不会出现霉变，而湿度会对燃料表面形貌、密度、全水分和磨损率产生影响2。国内外学者对其他固体燃料的成型及储运进行了 收稿日期：2022-07-18修回日期：2022-10-07基金项目：国家现代农业产业技术体系项目（CARS-07-D-2）作者简介：钱晓亮，硕士生，主要从事生物质能源技术研究E-mail：张静，通信作者，博士，教授，主要从事生物质能源技术研究E-mail：第 13 卷 第 1 期农业工程Vol.13No.12023 年 1 月AGRICULTURAL ENGINEERINGJan.2023相关研究。谢祖琪等3监测了麦秆捆的密度、含水率、芯部温度和热值等参数，研究发现，麦秆捆在相对湿度较高的年份里，储藏环境对绝对干热值影响不显著，能安全储存并作能源利用。黄文等4认为低温低湿条件利于木薯干颗粒长期储藏，编织袋包装材料可减缓全水分增长，延长储藏期。樊峰鸣等5以华北地区玉米秸秆和大豆秸秆为原料，研究了粒度、含水率等对燃料物理性能的影响，生产出了便于储运的成型燃料。RENTIZELAS A A 等6认为生物质固体燃料可以在10%15%较低全水分下大批量长期储存。本文在梁少雄7研究储运条件的基础上进一步探讨向日葵秸秆的成型工艺、储藏条件和运输振动状况3 个重要环节的参数要求，优化向日葵秸秆成型工艺，得到向日葵秸秆固体燃料（简称燃料）的储藏条件，确定最佳包装材料及合理的振动频率，为向日葵秸秆的综合利用和储运环境调控提供参考。1材料与方法 1.1试验准备向日葵秸秆用睿核 TQ-1000Y 型粉碎机进行粉碎并筛分出粒径范围在 0.160.63、0.631.25 和1.252.50 mm 的试验原料，密封烘干至恒定质量。运输和储藏所用成型燃料为山西农业大学自研的 11JP-6 型生物质颗粒燃料成型机压缩成型，其成型工艺参数为含水率 4%8%、温度 130150 C，压力 80100 MPa，粒径 0.160.63 mm。成型燃料尺寸为直径 6 mm，长（22.57.5）mm。1.2试验方法 1.2.1成型试验方法称取一定量的干燥向日葵秸秆颗粒装入自封袋中滴加定量纯净水后充分混合均匀，每次试验取 10 g 加入孔径 40 mm 的筒状模具中，并在模具外包裹陶瓷加热圈，调节 XMTD 型数显调节仪至试验温度后，停止加热，并在 YP-20TB 型油压式粉末压片机上以设计压力进行加压成型。保压 3 min 后取出成型燃料，用游标卡尺测量 3 次燃料厚度和直径取平均值，称量其质量计算密度后，装入自封袋中备用。1.2.2储藏试验方法试验以表面形貌、密度、全水分和磨损率为评价指标。试验称取约 30 g 成型燃料置于 HSP-80B 型恒温恒湿培养箱内并设定相应的温度和相对湿度。储藏时间为 30 d。对储藏前后的成型燃料进行密度（直径、长度、质量）、全水分和磨损率 3 项物理指标的测定，通过改变储藏环境湿度进行单因素试验考察燃料密度、全水分和磨损率在储藏过程中的变化，在环境温度25 C 时分别设定相对湿度为 40%、50%、60%、70%、80%和 90%RH。1.2.3运输试验方法运输试验主要考量成型燃料对运输环境的适应性及包装的可靠性8-10。运输试验常用现场跑车或机械振动台模拟进行，前者试验重现率较低、不能采用加速试验且试验成本较高，后者可以通过提高振动量值来压缩试验时间，并且其试验成本较低11-12。运输振动是宽带随机振动13。因振动瞬时值服从高斯分布，故根据振动信号的幅值概率密度函数、自相关函数和功率谱密度函数 3 个特征函数即可描述该振动。自相关函数描述随机过程的时域特性，功率谱密度函数描述随机过程的频域特性，由维纳辛钦定理，功率谱密度函数与自相关函数是一傅里叶变换对，如式（1）所示14。Gx（f）=2Rx（）ej2fd（1）Gx（f）式中功率谱密度函数Rx（）定义在数学期望上的自相关函数，应符合狄利赫里条件，满足傅里叶级数的收敛性j复数单位当两个宽带随机振动具有相同的幅值概率密度函数，在正态随机振动模拟中即可认定两者等效15。试验采用的模拟运输振动台需产生能满足高斯分布的带宽随机振动，并且功率谱和振动量值相同，即可模拟汽车运输振动。试验依据 ASTM D 4728、ASTM D 999 及 GB/T4857 标准16-19。选用 LBT-5024 型模拟汽车运输振动台，其频率为 1.55.0 Hz，振幅为 25.4 mm，采用回转振动方式，可模拟车速为 2540 km/h。试验依据式（2）计算速度选择方式，总振动次数 14 200 次。T=14200v（2）式中T持续测试时间，minv偏心轴转速，r/min，v=振动频率60磨损率反映成型燃料内颗粒间的黏结程度。依据CEN/TS 15210-2，将成型燃料装入 200 mm598 mm防尘滚筒内，以 21 r/min 匀速转动 5 min，即 105 转。取出滚筒内燃料并称量，按式（3）计算燃料磨损率。Du=m1m100%（3）式中Du磨损率，%m1试验后燃料质量，gm试验前燃料质量，g2成型工艺参数优化 2.1数据分析田口方法是一种有效的稳健性优化设计方法，试 48 农业工程生物环境与能源 验成本低、效益高，正交表和信噪比则是其重要工具20。采用 L9（34）4 因素 3 水平正交表，含水率水平为 6%、9%、12%，温度水平为 80、110、140 C，压力水平为 60、90、120 MPa，粒径水平为 0.160.63、0.631.25、1.252.50 mm。密度的信噪比符合望大特性，其计算如式（4）所示，试验结果和信噪比（VSNR）如表 1 所示。VSNR=10lg(1nni=11y2i)（4）式中yi燃料密度品质特性n试验重复次数MiI比效应值，即 I 因素 i 水平信噪比的平均值，其公式为MiI=1nIinIij=1(VSNR)iIj（5）式中nIi因素 I 在水平 i 中出现的总次数j信噪比的出现顺序(VSNR)iI因素 I 在水平 i 中的信噪比由表 1 可知，9 组正交试验中 R5的信噪比最大为0.520，相比于 R7、R8和 R9可知，较高的含水率不利于燃料成型。少量水分会在燃料压缩过程中与物料内糖类和果胶质结合成胶状物，促进颗粒间的黏结；也会加强热传导，加快木质素软化提高黏结性；同时也会在颗粒间形成较高的范德华力和较强的氢键21。然而，过高的水分会在高温作用下形成水蒸气，在燃料内形成较高的内应力，在脱模时会因水蒸气压力造成燃料开裂甚至是“放炮”现象22。4 因素 3 水平正交试验的比效应值如表 2 所示，4个因素比效应最大值分别为0.463、0.303、0.203、0.024，对应最优因素/水平组合为 A/0、B/0、C/1、D/1，即固体燃料的最佳工艺参数组合为含水率 9%、温度 110 C、压力 120 MPa、粒径 0.160.63 mm。2.2方差分析将表 1 中数据导入 SAS 软件中进行方差分析，分析含水率、温度、压力及粒径对燃料密度的影响，其结果如表 3 所示。分析表明，向日葵秸秆固体燃料成型过程中各工艺参数对密度贡献率分别为含水率59.26%、温度 1.59%、压力 32.96%、粒径 0.59%，其中误差贡献率为 5.6%。含水率和压力 P 值均0.01，对成型燃料密度影响极其显著；温度 P 值0.05，对成型燃料密度影响不显著。3储藏试验结果与分析3.1燃料表面形貌燃料在储藏 30 d 后，在相对湿度 40%60%RH时，燃料表面光滑无裂纹，体积状态良好。在相对湿度 70%80%RH 时，燃料表面粗糙，体积略有膨胀，颜色略微增暗。在相对湿度 90%RH 时，燃料表面附着大量霉菌，颗粒粗糙，颜色暗淡，体积涨大。3.2燃料密度因成型燃料密度的不确定性，每组试验重复 5 次取平均值，结果如图 1 所示。在同等温度下，相对湿度的增加导致了燃料密度小幅增长后大幅度降低，相对湿度低于 50%RH 时，燃料与环境湿度达到平衡后能吸收环境中的水分而体积尚未膨胀，故而出现小幅度的密度增长。随着相对湿度的升高，燃料吸收大量水分，体积大幅膨胀甚至是胀裂，密度大幅下降，燃料品质下降。因此，为保证燃料密度的稳定性，适宜的储藏湿度 60%RH。3.3燃料全水分全水分指燃料达到空气干燥时保持的水分和燃料在与周围湿度平衡时所丢失的水分之和，以及内在水分与外在水分之和，其计算如式（6）所示。Mar=（m2m3）（m4m5）+m6m2m1100%（6）式中m1空盘质量，gm2干燥前托盘和样品总质量，gm3干燥后托盘和样品总质量，g表 1燃料成型试验结果及其信噪比Tab.1 Fuel molding test results and signal-to-noise ratio序号因素密度/（gcm3）信噪比含水率 A温度 B压力 C粒径 Dy1y2y3R111110.9390.9530.9600.441R210101.0451.0401.0420.360R311010.8600.8670.8441.342R401110.8930.8860.9070.962R500011.0611.0601.0640.520R601100.8930.9060.8910.948R711000.9340.9400.9110.648R810110.8150.8230.8041.789R911110.9431.0291.0340.006钱晓亮等：向日葵秸秆固体燃料成型工艺及储运条件优化 49 m4干燥前参照盘质量（室温称量），gm5干燥后参照盘质量（热态称量），gm6包装内水分质量，g全水分对燃料热值具有较高的影响，1 个百分点全水分增量可减少 210294 kJ 的低位热值23。过高的全水会造成无效运输，甚至在低温环境下会发生冻车现象影响燃料装卸。储藏前后不同湿度环境下全水分变化情况如图 2 所示，随储藏环境内相对湿度的升高，燃料全水分也不断上升，在相对湿度为 90%RH 时，燃料全水分最多增长了 2.04 个百分点，燃料热值大幅下降，不利于燃料利用。为保证燃料全水分的平衡，适宜的储藏湿度97.5%，只有相对湿度95%，此时相对湿度90%，相 对 湿 度 70%RH24。故在燃料储藏过程中应始终保持相对湿度70%RH，才可使燃料磨损率符合使用要求。图 3储藏环境对磨损率的影响Fig.3 Influence of storage environment on wear rate4运输试验分析分别试验蛇皮袋、纸箱、木箱和铁皮箱 4 种包装方式下向日葵秸秆固体燃料承受运输振动的能力。如图 4 所示，记录成型燃料在不同试验速度下各包装方式模拟运输振动前后的质量，并计算其差值记为质量缺损（g）。偏心轴转速 120、150、180、210 r/min 分别对应频率 2.0、2.5、3.0 和 3.5 Hz，在 2 Hz 振动频率下燃料质表 2比效应值Tab.2 Ratio effect value因素/水平(SN)iIMiIj=1j=2j=3A/10.4410.3601.3420.474A/00.9620.5200.9480.463A/10.6481.7890.0060.814B/10.4410.9620.6480.684B/00.3600.5201.7890.303B/11.3420.9480.0060.765C/10.4410.9481.7891.059C/01.3420.5200.6480.490C/10.3600.9620.0060.203D/10.4410.5200.0060.024D/00.3600.9480.6480.412D/11.3420.9621.7891.364表 3方差分析结果Tab.3 ANOVA results方差来源含水率 A温度 B压力 C粒径 D误差F138.584.6977.532.37P0.000 10.023 0木箱蛇皮袋纸箱。5结束语以向日葵秸秆为原料，研究秸秆成型、储藏和运输 3 个重要环节中影响燃料品质的因素，以成型后密度为衡量标准进行成型工艺优化，以环境湿度为变量研究燃料表面形貌、密度、全水分及磨损率的变化情况，试验研究了蛇皮袋、纸箱、木箱和铁皮箱 4 种包装方式对燃料运输过程中质量缺损的影响。正交试验表明，向日葵秸秆固体燃料成型最佳工艺参数是含水率 9%、温 度 110 C、压 力 120 MPa、粒 径 0.160.63 mm。储藏试验表明，要求环境湿度60%RH，因此在年均湿度 40%60%RH 的北方地区，成型燃料能存储较长时间。运输过程中用铁皮箱包装并以偏心轴转速 120 r/min 运输能保持较低的质量缺损。参考文献魏华丽，于文吉，钟磊葵花秆木素的结构特征J中国造纸学报，2007，22（4）：11-13WEI Huali，YU Wenji，ZHONG LeiIsolation of the lignin in sun-flower stalk and its propertiesJTransactions of China Pulp and Paper，2007，22（4）：11-131张丽，张佳喜，王彦，等移动式棉秸秆固化成型燃料车的选型与集成J中国农机化学报，2015，36（5）：326-329ZHANG Li，ZHANG Jiaxi，WANG Yan，et alIntegrate system formobile straw curing forming fuel vechicleJJournal of Chinese Agri-cultural Mechanization，2015，36（5）：326-3292谢祖琪，余满江，庹洪章，等小麦秸秆储存机理研究J西南大学学报（自然科学版），2011，33（7）：129-136XIE Zuqi，YU Manjiang，TUO Hongzhang，et alStudy on storagemechanism of wheat strawJJournal of Southwest University（NaturalScience Edition），2011，33（7）：129-1363黄文，徐德林，梁燕理木薯干颗粒的简易仓储藏研究J粮食科技与经济，2010，35（5）：28-314樊蜂鸣，张百良，李保谦，等大粒径生物质成型燃料物理特性的研究J农业环境科学学报，2005，24（2）：398-402FAN Fengming，ZHANG Bailiang，LI Baoqian，et alPhysical prop-erties of briquettes from coarse biomassJJournal of Agro-Environ-ment Science，2005，24（2）：398-4025RENTIZELAS A 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