秸秆致密成型过程比能耗分析研究

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秸秆作为-种我国农业生产的副产品，产量大、分布广。我国未来的能源短缺问题非常严重，开发和利用秸秆能源可以改变传统的能源生产和消费方式，对建立可持续的能源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义。

目前 ，秸秆致密成型理论基础薄弱导致成型设备的成本高、能耗大，使其难以产业化。通过对秸秆致密成型过程能耗的分析，以期加快秸秆致密成型的产业化进程。

1 秸秆成型机理秸秆致密成型燃料 ，是指把松散的没有形状的秸秆，经过高温高压，压缩成型为-定形状、密度较大、热值较高的致密成型燃料，并可实现 CO：的零排放 。其能源密度相当于中质烟煤，火力持久，燃烧性能好，可代替煤炭作为家庭生活燃料 、工业或服务业小锅炉和秸秆电厂 的发电燃料。

秸秆 致 密成 型燃 料 燃烧 热 值 约 为 3 700～4 200kcal/kg、密度为 800～1 lOOkg/m 、灰分为6% ～20% 、水 分不大 于 12%、CO2为 0、NO：为14mg/m 、SO2 为 46mg/m 、烟 尘 不 大 于127mg/m。。

秸秆成型工艺流程如图 1所示。首先对秸秆进行收集、粉碎、干燥，还要对粉碎后即将加入成型机的秸秆进行除杂、添加水分和粘结剂等辅助工序，最后致密成型阶段主要是喂料、成型和成品收集。从秸秆成型工艺流程各个环节分析得到 ，秸秆致密过程消耗能量最多。

I输送设[喂入f厂靠 成型机卫 成型燃料卫 包装、储存图 1 秸秆成型工艺流程11 秸秆 的化学性质秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素 3部分组成 。木质素是通过光合作用形成的天然聚合物，具有复杂的三维结构，在秸秆成型过程中充当粘结剂的作用。木质素属于非晶体物质，没有熔点 ，只有当温度达到 70～100oC时开始软化，并具有-定 的粘度 。温度继续升高达到 200oC左右则熔融成胶体物质，经-定压力作用，使其与秸秆颗粒粘结，形成体积孝密度大的秸秆成型燃料。半纤维素、纤维素则起到骨架”的作用，半纤维素也可转化出木质素来充当粘结剂。

1.2 秸秆成型过程粘结机理给结构比较疏松，密度较小的秸秆原料施加- 定 的外部压力后 ，秸秆颗粒经历的阶段为 ：重新排列位置关系、颗粒机械变形及塑性流变等阶段。

由于纤维分子之间的相互缠绕及绞合，残余在秸秆颗粒内部的应力使得秸秆颗粒问结合更牢固，秸秆颗粒密度慢慢增大，体积明显减小 。预压时，成型压力的方向与预压的受力方向垂直，压力收稿日期：2012·10-16(修改稿)基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项 目(DL12BB08)；黑龙江省自然科学基金项目(C201030)第 2期 谷志新等.秸秆致密成型过程 比能耗分析研究较小，粒子间的相互位置不断改变，相互绞合，使- 部分纤维粒子进入它们之间的空隙内，直至粒子间所有较大的空隙都被粒子占据，继续增加压力，粒子通过自己发生变形来充满粒子间的空隙，如图2所示。当温度达到 200℃左右时，使被木质素夹盖的纤维素分子团相互错位、变形、产生延展，相邻相嵌、重新组合最后使松散的秸秆成型。

豳 盘 盎a.改变粒子的排列 b.粒子发生变形 c.塑性流动图2 成型过程粒子改变1.3 环恼秆成型机工作原理笔者引用的环模成型机为立式结构(图3)，工作时环模静止而压辊转动。粉碎的秸秆加入成型机后，压辊架在电机的带动下转动，由于受到摩擦力的作用，安在压辊架上的3个压辊跟着转动，将秸秆颗粒挤压入环淖中，在挤压力作用下，新的秸秆颗粒不断被挤入而成型的秸秆被挤出 。 。

环模保型区图 3 环恼秆成型机环模示意 图秸秆致密成型要经过加料、压紧、压实、成型、保型及出料等程序≌秆颗粒加入成型机时，处于松散区，不受挤压力的作用处于松散状态；压辊转动，在摩擦力的作用下带动秸秆进入压辊与环模组成的楔形区域，挤压力逐渐增大，秸秆体积大大减小；秸秆被压入压实区，体积变化缓慢但内部结构遭到破坏；增大挤压力，压实的秸秆进入保型区，外部秸秆不断挤入，在径向力的作用下形成成型燃料，从环淖挤出。

2 影响秸秆成型比能耗的因素比能耗是秸秆成 型的-个重要性能指标 ，即在秸秆成型过程中，单位时间内生产成型燃料所消耗的能量与该段时间内生产的成型燃料质量的比值 ，即：E 式中 E-- 比能耗 ，kJ/kg；E.--单位时间内总能耗，kJ；广-单位时间内成型总质量，kg。

秸秆致密过程中，能量消耗主要为物料与成型机成型部件之间摩擦所消耗的能量和克服物料发生形变所消耗的能量。

影响秸秆成型比能耗的因素主要有：原料特性、成型设备性能参数和成型成品指标 。

原料的物理特性中影响秸秆成型的因素主要包括原料种类、原料含水量和原料粒度。原料的种类不同，其内部组织结构也各不相同。水分在秸秆致密成型过程中起润滑和溶剂的作用，水分可以与胶质类物质溶融，提高粘结效果 。原料粒度越小越容易成型，粒度过大则难以成型，粒度小时，空隙容易填充，需要的压力就小，但过小则对秸秆纤维形成骨架”、扭曲、嵌合有影响。

成型设备的性能参数对成型也起着至关重要的作用。致密速度的大嗅对秸秆成型有影响，致密速度小，秸秆有较多的时间进行填充、变形、嵌合，致密阻力也变小，但产生的热量较少，影响秸秆的粘结效果，致密速度过大则会导致颗粒填充 、排列不充分 ，致密阻力也会增大 ；成 型压力是致密成型的基本条件，当压力达到-定值，成型密度的增加就不再明显，因此控制压力的大猩以对控制能耗起作用；环模长径比过小则难以成型，保型时间相对较长则有助于成型，长径比过大则不易出料。另外，还有环莫口角度、压辊与环模之间间隙等因素。

成型燃料产品指标主要是成型密度，成型密度和成型压力是呈线性关系的，但当成型密度达到临界值时，成型压力增大而成型密度却变化很小，成型比能耗还在迅速增长 引。临界值对能耗的控制非常有益。成型密度过小则会导致成型松弛，成型率也会降低。适当地降低成型密度，对成型燃料的热值和燃烧效率影响不大，却可以大大降低秸秆成型能耗。

3 各因素对秸秆成型过程比能耗优化分析3.1 试验准备本试验采用哈尔滨附近农村成熟玉米秸秆。

化 工 自 动 化 及 仪 表 第40卷去除根部，自然风干后，置于自然环境中，粉碎，去除物料里的杂质，使粒度大小为 5-7mm。在烘干箱 1O5℃条件下干燥 24h，待物料温度降至室温时，使含水率分别为 14%、15%、16%、17%。自行设计的模具如图4所示，模具长径比为4-6。

图 4 试验 用模 具3.2 秸秆粒度对比能耗的影响小粒度的秸秆虽然容易致密，但不易成型，因此成型需要消耗多余的能量；大粒度的秸秆致密时则需要额外的能量来克服阻力，还需要额外的能量破坏秸秆的内部结构。在其他因素确定的情况下，相应秸秆粒度值对应的比能耗见表 1。

表 1 秸秆粒度对比能耗的影响秸秆粒度/ram 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0比能耗/kJ·kg～ 58.4 56.3 52.4 54.4 60.1秸秆粒度在 6.0mm左右时，秸秆成型比能耗最为适宜，秸秆粒度大于或小于这个值都会引起成型能耗的增加 ，从表 1可以看到，在秸秆粒度超过这个适宜值后，能耗的增加更加明显。

3.3 秸秆含水量对比能耗的影响适当的含水量能够降低致密能耗。含水量过低，水分在致密时的润滑作用降低，内部胶质物粘结作用也降低，秸秆致密克服摩擦做功所需能量增大，同时还需要更多的热量来溶融粘结剂；含水量过高时，内部多余的水分被挤出，使秸秆颗粒之间不易相互结合，在内部形成电势层使颗粒之间互斥。在其他因素确定的情况下，秸秆致密过程中，相应秸秆含水量值对应的成型比能耗见表 2。

表 2 秸秆含水量与比能耗 的关系含水量/% 14.0 15.0 16.0 17.0 17.2 18.0单位能耗/kW ·h·t～ 59.2 60.0 55.3 59.2 64.5 62.4通过上面分析，秸秆含水量约为 16.0%时，秸秆成型比能耗最低，含水量过高或过低都不利于秸秆成型的能耗控制。

3.4 环淖长径 比对 比能耗的影响长径比小，在致密时能减小摩擦能耗，但没有足够的保型时间，需要更大的压力来提高成型密度，产生热量帮助秸秆粘结成型；大的长径比可增加秸秆致密的保型时间，有助于降低成型能耗，但过大的长径比则增大了秸秆在保型腔内的摩擦能耗。在其他因素确定的条件下，相应环淖长径比对应的成型比能耗见表 3。

表 3 环淖长径 比对比能耗的影响环模长径比 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0比能耗/kJ.kg～ 60.8 61.3 58.7 55.1 59.4由表 2分析得到，环模孑L长径 比为 5.5左右时，比能耗达到最低值。

4 结束语试验中对影响比能耗的重要因素做了分析，但在致密过程中，是许多个影响因素共同作用，各因素相互影响。在以后的研究中还有待对多因素交互作用进-步研究。笔者主要从成型原料、成型设备和成型质量3方面对秸秆成型的影响因素作分析，进而分析各因素对成型比能耗的影响，尤其对秸秆含水量、秸秆粒度和环淖长径比三要素进行量化分析，得出在秸秆粒度为 6.0mm、秸秆含水量为 16%、环淖长径比为 5.5时秸秆成型比能耗降到最低。