玉米秸秆与褐煤混合物型煤蠕变特性研究_马哲.pdf

第 44 卷 第 1 期2023 年1 月Vol.44 No.1Jan.2023玉米秸秆与褐煤混合物型煤蠕变特性研究马哲1，王云山2，于伯文3，王洪波1，*（1.内蒙古农业大学机电工程学院，呼和浩特 010018；2.中国铁建重工集团股份有限公司，长沙 410100；3.葛洲坝水务（唐山）有限公司，唐山 063000）摘要：本文以褐煤与玉米秸秆混合物为研究对象，研究褐煤与玉米秸秆混合物制生物质型煤的蠕变特性。通过试验得到不同喂入量和压力条件下的位移-时间曲线，建立了保压阶段生物质型煤的蠕变模型和本构方程，分析不同试验条件对生物质型煤蠕变特性参数的影响。结果表明：压力的增加会使瞬时弹性系数E1、延迟弹性系数E2、黏性系数1增加，对延迟时间无显著影响；喂入量的增加会使瞬时弹性系数E1、延迟时间增加，黏性系数1减小，对延迟弹性系数E2无显著影响。关键词：褐煤；玉米秸秆；生物质型煤；蠕变特性中图分类号：S216.2；O37 文献标识码：A 文章编号：1009-3575（2023）01-0073-05Creep Characteristics of Mixed Briquette of Corn Stalk and LigniteMA Zhe1，WANG Yunshan2，YU Bowen3，WANG Hongbo1，*（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China；2.China Railway Construction Heavy Industry Corporation Limited，Changsha 410100，China；3.Gezhouba Water（Tangshan）Corporation Limited，Tangshan 063000，China）Abstract：In order to study the creep characteristics of biomass briquette made by the mixture of lignite and corn stalk，the mixture of lignite and corn stalk was taken as the research object，the creep model and constitutive equation of biomass briquette were estab-lished through experiments，related strain-time curves under different feeding rates and pressures were obtained as well，and the in-fluence of different experimental conditions on the creep characteristics of biomass briquette was also analyzed.The results showed that，with the increase of the pressure，the transient elastic coefficient E1，the delayed elastic coefficient E2，and the viscosity coeffi-cient 1 all increased，but there was no significant effect on the delay time.With the increase of the feeding amount，both the tran-sient elastic coefficient E1 and delay time increased，and the viscosity coefficient 1 decreased，but there was no significant effect on the delay elastic coefficient E2.Key words：Lignite；Corn straw；Biomass briquette；Creep property我国煤炭资源丰富，消费量大，约占全国能源结构的 60%，但是勘探程度较低，且优质煤炭占有率不高，其中以褐煤为代表的劣质煤已经成为我国的主要使用煤种之一。我国褐煤储量丰富，主要分布在华北地区，但是普遍存在高水分、高灰分、低热值、容易风化、自燃等问题，主要用于发电。此外，由于褐煤的煤化程度很低，氮、硫含量高，在燃烧时会产生大量粉尘，以及SO2、NO等气体，造成严重的空气污染1-4。同时，我国也是一个农业大国，每年产生的秸秆可达10多亿t。一部分用于饲料、造纸、生产秸秆建材等，另外还有很大一部分直接就地焚烧或废弃掉，不仅浪费了生物质资源，还污染了环境，不利于可持续发展5。但是秸秆具有燃点低，氮、硫含量低，灰分低，可以充分燃烧、对环境污染少等优点6-7。因此，有不少学者用秸秆改良褐煤的燃烧特性，不仅解决了褐煤难以充分燃烧和污染大的问题，还提高了秸秆的利用率，增加了农民收入，缓解了能源危机8-9。也有学者通过研究发现适当添加秸秆既可以提高生物质型煤的热值，也可以增强生物质燃料的强度，从而便于运输10-12。因此，本文采用电子万能试验机和自制的压缩装置，在室温条件下研究生物质型煤成型过程中的蠕变特性，分析压力和喂入量对生物质型煤蠕变特性参数的影响，为研究生物质型煤的生产工艺和设备设计提供理论参考。1材料与方法1.1试验材料本次试验选取的褐煤样品为内蒙古自治区锡林浩特市胜利煤田所产的褐煤，经粉碎机粉碎后，用标准筛筛选出0.150.20 mm的颗粒粉末。秸秆DOI：10.16853/ki.1009-3575.2023.01.010内 蒙 古 农 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of Inner Mongolia Agricultural University（Natural Science Edition）收稿日期：2022-06-29基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFD0701704-3）；内蒙古自治区高等学校科学研究项目（NJZY180572021）作者简介：马哲（1997），男，硕士研究生，主要从事生物质能源综合利用技术方面的研究；*为通信作者，王洪波E-mail：2023 年内 蒙 古 农 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）样品选取内蒙古呼和浩特市郊区所产的玉米秸秆为原料进行试验。使用揉碎机将其揉碎，并利用标准筛进行筛选3 mm以下粒度。然后使用烘干机将褐煤与玉米秸秆的含水率分别调到10%，用密封袋密封备用。1.2试验设备本次试验所用的试验设备为长春机械科学研究院研制的DDL-200型电子万能试验机，该万能试验机由长春机械科学院和德国 DOLI 公司合作研制，可实现力、变形、位移闭环控制，最大试验力200 kN，力测量精度0.5%，最大位移速度500 mm/min，压缩模具有压头，料筒，底板、底座组成，其中料筒直径15 mm，长100 mm。电子万能试验机及模具如图1所示。1.3试验方法影响生物质型煤成型质量的因数主要有生物质含量、喂入量、压力、含水率、模具孔径等 13-15。在本试验中生物质含量、含水率、模具孔径都是固定的，选取喂入量和压力作为试验因素，根据预先试验和相关文献，每个因素选取5个水平，试验因素和水平见表1，每组试验进行3次。根据课题组前期的试验确定生物型煤秸秆含量为26.89%。在万能试验机中设置加载卸载速度为400 mm/min，保压时间设置为20 s，试验总时长为50 s。按照上述试验方案分别称重褐煤粉末与玉米秸秆粉末，混合均匀后放入模具内部，调整压头与模具上表面平行后开始试验，将试验过程中电子万能试验机所测出的试验数据保存为*.xlsx格式。2结果与分析2.1试验结果曲线生物质型煤的蠕变试验曲线如图2所示。由图2可以看出，生物质型煤的蠕变试验可分为 3个阶段：第一段为加载阶段，该阶段为匀速变形过程，所以生物质型煤的变形量呈线性增加；第二阶段为保压阶段，当压力达到了试验指定值，进入保压阶段，变形速率较第一阶段大幅度下降，其曲线接近水平；第三阶段为蠕变卸载阶段，变化趋势较好地符合了蠕变试验卸载阶段的变化规律16-17。2.2保压阶段生物质型煤蠕变模型参考图2的变化规律以及相关文献可知，生物质型煤保压阶段的蠕变规律可以用四元件Burgers模型进行拟合18-19。Burgers 模型是由一个麦克斯韦和一个开尔文体串联而成的四参数流变模型，其结构如图3所示20-21。图1电子万能试验机及模具Fig.1The electronic universal testing machine and mold图2生物质型煤的蠕变规律Fig.2Creep law of biomass briquette表1试验因素与水平Table 1Test factors and levels水平12345因素压力/kN1314151617喂入量/g4.24.75.25.76.2图3Burgers模型Fig.3Burgers model74第 1 期马哲，王云山，于伯文，等：玉米秸秆与褐煤混合物型煤蠕变特性研究Burgers模型蠕变阶段的蠕变历程变化关系为：(t)=0E1+0E2(1-e-t)+01t（1）式中：(t)为应变；0为恒应力，N/mm2；E1，E2为弹性系数，N/mm2；=2E2为延迟时间，s；1，2为黏性系数，N s/mm2；t为作用时间，s。使用MATLAB软件的非线性模块，采用Burgers模型的关系式对数据进行拟合，对不同压力、喂入量条件下保压阶段试验数据进行拟合，得出各试验条件下保压阶段的蠕变特性参数值。图4是保压阶段载荷为13 kN喂入量4.2 g蠕变试验值与拟合曲线，其他喂入量和压力的拟合参数值见表 2和表 3所示。2.3喂入量和压力对保压阶段蠕变特性参数的影响2.3.1喂入量和压力对瞬时弹性系数E1的影响图5是保压阶段生物质型煤的蠕变瞬时弹性系数E1随在喂入量和压力变化的关系图。由图可知，压力一定时生物质型煤瞬时弹性系数E1随喂入量的增加而增加，分析其原因是随着喂入量的增大生物质型煤的瞬时蠕变量减小，从而导致瞬时弹性系数E1增大。而喂入量一定时，生物质型煤的瞬时弹性系数E1随着压力而增加，分析其原因是随着压力的增大，生物质型煤的瞬时蠕变量也增大，但是生物质图4保压阶段蠕变试验值与拟合曲线Fig.4Creep test value and fitted curve during the packing stage表2不同喂入量的生物质型煤在13 kN加载时保压阶段蠕变本构方程参数值Table 2The parameter values of the creep constitutive equation of the biomass briquette with different feed rates at the pressure-holding stage when loaded at 13 kN喂入量/g4.24.75.25.76.2E1/（N/mm2）91.910 2995.365 5799.304 81102.945 70105.514 90E2/（N/mm2）6 192.3406 084.7815 707.1376 005.3065 650.154/s0.097 80.112 30.125 10.141 60.147 71/（Ns/mm2）967 960.5559 004.6466 783.1367 641.2338 697.12/（Ns/mm2）605.487 1683.320 9713.962 9850.351 3834.527 7R20.978 80.966 40.961 90.948 70.948 2表3不同压力的生物质型煤在4.2 g喂入量时保压阶段蠕变本构方程参数值Table 3The parameter values of the creep constitutive equation with different values of pressure at the pressure-holding stage when feed rates is 4.2 g压力/kN1314151617E1/（N/mm2）91.910 2998.292 56105.026 72112.209 07119.015 58E2/（N/mm2）6 192.3406 788.6727 132.9917 949.2098 118.168/s0.097 80.101 60.099 30.094 90.097 11/（Ns/mm2）967 960.5996 400.51 283 571.71 176 016.41 368 036.12/（Ns/mm2）605.487 1689.729 1708.306 1754.936 4788.923 6R20.978 80.974 60.973 40.094 90.973 2图5喂入量和压力对瞬时弹性系数 E1的影响Fig.5The effect of feed volume and pressure on the instantaneous coefficient of elasticity E1752023 年内 蒙 古 农 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）型煤在13 kN的压力下已经达到较高的密度，随着压力的增大瞬时蠕变量的增加幅度减少，抵抗变形的能力增大，从而导致E1的增大22。2.3.2不同喂入量和压力对延迟弹性系数E E2 2的影响图6绘制的是保压阶段生物质型煤的蠕变延迟弹性系数E2随喂入量和压力变化的关系图。由图可知，压力一定时延迟弹性系数随喂入量的变化不明显，处于小幅度波动，分析其原因是玉米秸秆和褐煤颗粒均为非刚体材料，造成压缩过程中摩擦力不断变化且各向分布不均匀，压力的传递在各轴向截面的分布也不均匀，而喂入量的增加使压力和摩擦力分布的不均匀性增加，从而使不同喂入量下的生物质型煤在起始蠕变阶段蠕变量几乎一样，导致延迟弹性系数E2没有明显变化。喂入量一定时，生物质型煤延迟弹性系数E2随着压力的增加而增加，分析其原因是随着压力的增大，加载阶段形成的密度越大，试样的摩擦阻力就越大，从而导致起始蠕变阶段的延迟弹性系数 E2增大。2.3.3不同喂入量和压力对延迟时间的影响图7绘制的是保压阶段生物质型煤的蠕变延迟时间随喂入量和压力变化的关系图。由图可知，压力一定时，生物质型煤的延迟时间随着喂入量的增加而增加，整体变化规律比较明显，由Burgers模型的关系是可知 =2E2，玉米秸秆和褐煤颗粒为非刚体材料，当喂入量较小时，压缩力和摩擦力的分布较为均匀，加载阶段结束时试样密度大且较为均匀，导致起始蠕变阶段蠕变效果较差，延迟变形能力较强（2较小）；而随着喂入量的增加，摩擦力和压力的分布变得不均匀，试样密度下降且不均匀，从而使起始蠕变阶段的应变能力增强，延迟变形能力减小（2增大）。根据2.3.2节的结论可知，延迟弹性系数E2并不随着喂入量的增大而增大，所以延迟时间随着喂入量的增加而增加。喂入量一定时，延迟弹性系数随着压力的变化不明显，处于小幅度波动。分析其原因是随着压力的增大，试样在加载阶段的密度增大使得其蠕变阶段的应变能力减弱，蠕变速率下降，从而使2和E2同时增大，而且根据表3可知2和E2的增大比例较为接近，因此导致延迟时间没有明显变化。2.3.4不同喂入量和压力对黏性系数1的影响图8绘制的是保压阶段生物质型煤的蠕变黏性系数1随喂入量和压力变化的关系图。由图可知，当压力一定时生物质型煤的黏性系数1随着喂入量的增加而减小，整体规律性比较明显，分析其原因主要是玉米秸秆和褐煤颗粒为非刚体材料，当喂入量较小时压缩力和摩擦力的分布较为均匀，加载阶段结束时试样密度大且较为均匀，导致稳定蠕变阶段的蠕变效果较差（1较大），而随着喂入量的增图6喂入量和压力对延迟弹性系数 E2的影响Fig.6The influence of feed volume and pressure on the delayed elastic coefficient E2图7喂入量和压力对延迟时间的影响Fig.7The influence of feed volume and pressure on delay time 图8喂入量和压力对黏性系数1的影响Fig.8The influence of feed volume and pressure on the viscosity coefficient 176第 1 期马哲，王云山，于伯文，等：玉米秸秆与褐煤混合物型煤蠕变特性研究加，摩擦力和压力的分布变得不均匀，试样密度下降且不均匀，从而使稳定蠕变阶段的应变能力增强，黏性系数1减小。当喂入量一定时，黏性系数1随着压力的增大出现小幅度增加，其原因和延迟弹性系数E2类似，主要是因为随着压力的增大生物型煤的密度也增大导致后续稳定蠕变阶段的应变能力下降，从而导致黏性系数1小幅度增加。3结论3.1 通过生物质型煤的蠕变试验可知，生物质型煤的蠕变曲线可分3个阶段，其保压阶段的蠕变规律可以用四元件Burgers模型拟合，由此可以得出不同条件下混合物的蠕变特性参数：瞬时弹性系数E1、延迟弹性系数E2、延迟时间、黏性系数1，从而可以定量分析混合物型煤的蠕变特性。3.2 对不同喂入量和压力条件下所得生物质型煤蠕变特性参数分析可知，压力的增加会使瞬时弹性系数E1、延迟弹性系数E2、黏性系数1增加，对延迟时间无显著影响；喂入量的增加会使瞬时弹性系数E1、延迟时间增加，黏性系数1减小，对延迟弹性系数E2无显著影响。虽然压力增大会使应变、密度、抗跌落强度出现小幅增加，但是E1、E2、1增大，也会导致无用功耗和整体功耗大幅上升，对压缩设备的性能要求越高；喂入量增大会使E1增大，1减少，从而导致可恢复变形减少，不可恢复变形增大，提高卸载后的产品质量。因此，在满足产品要求的情况下选择较小的压力和较大的喂入量，可以降低成本、提高产品质量。参考文献：1 王云山.秸秆与煤混合物冷压缩成型特性试验研究D.呼和浩特：内蒙古农业大学，2020.2 于伯文玉米秸秆与褐煤混合物“开式”冷压缩成型特性研究 D 呼和浩特：内蒙古农业大学，20213 肖雷基于褐煤的生物质型煤成型机理及其特性研究 D 徐州：中国矿业大学，20114 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