生物质压缩成型工艺参数

第19卷第3期塑性工程学报Vol 19 No. 32012F6H JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERING Jun. 2012doi:10.3969/.isn.1007-2012.2012.03.020生物质压缩成型工艺参数机械科学研究总院先进制造被术研究中心,北京10063)陈正宇陆辛北京菲美得机械有限公司,北京1008)徐德民摘要:以玉米秸秆、锯末、棉杆为原料,进行改进后热压缩成型工艺试验,通过松弛密度这一指标得到最佳工艺数范围;并利用 OLYMPUS BX51金相显微镜观察玉米秸秆成型后颗粒的微观形貌,从微观角度研究成型工艺参数与成型块微观结构之间的关系。试验结果表明,最佳参数范围是,粒度0~2mm、含水率15%~23%、温度130℃~150℃、长径比5.28;以玉米秸秆为例,微观形貌分析得出的最佳工艺参数范围与试验得出的基本一致。关键词:生物质;热压成型;微观形貌;松弛密度中图分类号;TG385文献标识码:A文章编号:1007-2012(2012)03009807Technology parameters study of biomass compression moldingChEn Zheng-yu LUⅹin(Advanced Manufacture Technology Center China Academy of Machinery Science Technology, Beijing 100083 China)XU De-minBeijing Famed Mechinary Co., Ltd, Beijing 100068 ChinAhstract: Com straw, powder sawdust and cotton straw were referred as feedstock The improved heat forming experimentalstudy on the pelleting technology of the biomass materials was carried out and the best molding processing parameters scope wasgot by measuring relaxed density. The microcosmic structure of com straw pellet was ohserved through OLYMPUS BX51-metalographic microscope and the relationship between molding process parameters and forming microcosmic structure of corn strawpellet was studied from the microscopic view, The results show that the best molding processing parameters scope is as followsparticle size 0--2mm: moisture content 15%-23% temperature 130C-150C and aspect ratio 5. 28, which is basically incordance with microcosmic structure analysis.Key words: biomass; hot-forming: microcosmic structure; relaxed density但由于散碎的生物质原料不易收藏、运输、储存和引言使用,必须经过一定的加工。压缩成型技术是使生物质成型的重要技术,并可作为其他应用的预处理。近年,石油、煤炭价格大幅上涨,能源短缺十国内外学者做了大量的冷、热态压缩成型的试验,分严重;同时,化石能源的大量使用引起了日益严以期找到最佳的成型条件。但无论是热压成型还是重的环境问题,开发适用的可再生能源产品已成为冷压成型,都需要一定的温度。冷压成型时原料和当务之急。生物质能源是可以储存、运输的可再生机器部件之间的摩擦作用能使原料加热到100℃左能源,是替代石化燃料的首选。生物质具有清洁、右,热压成型的加热温度一般在150℃~300℃之可再生、含S很低、CO2零排放、分布广的特点。间。但冷压成型所需压力偏高,达几十个兆帕;热压成型只有加热到220℃~260℃范围才能较快成国家自然科学基金资助项目(50875105)型陈正宇Emil:chencheng01@126.com中国煤化工备损坏严重,需要作者简介:陈正宇,1986年生,男,河南濮阳人,机械CNMHG科学研究总院先进制造技术研究中心,硕土研究生,研究示、压增双坐⊥艺的特点,一定程方向为生物质固化成型工艺度上降低热压温度、提高压力。通过改进的热压成收稿日期:20120326;修订日期:20120417型试验,考察各项影响因素,找出最佳成型范围第3期陈正宇等:生物质压缩成型工艺参数并通过微观角度探讨不同成型条件下颗粒的微观形13试验过程貌,且与试验结果做比较。通过改进热压成型工艺,1)分别选取自然干燥状态下粒度为0~2mm、达到节能降耗、延长设备使用寿命的目的,从而增2mm~4mm的玉米秸秆,粉状的锯末和0~2mm的强生物质颗粒燃料的市场竞争力。棉杆备用;2)将自然干燥的原料放入干燥箱内,在120℃1生物质压缩成型试验士5℃下烘干2h后备用;3)取若干份干燥后原料,分别配水至含水率1.1试验条件%、17%23%和29%并用黑色塑料袋封装备用以前一年收获的玉米秸秆、棉杆和木材加工残4)通过电阻丝对模具进行加热,达到设定温度余锯末为原料,并把自然干燥后的玉米秸秆和棉杆后,将配水后原料尽量多的放入模具中并捣实,加粉碎,使其粒度达到0~4mm。主要设备包括粉碎压至设定压力;保压约1min,退模后即可得到成型机、TG328A分析天平、自制压缩模具(见图1)、颗粒,自然风干一段时间后(>2h),测量并计算OLYMPUS BX51-金相显微镜、热电偶、游标卡尺、成型颗粒的松弛密度。10C2型电热鼓风干燥箱等。14试验的测定将模具内的成型颗粒退模,自然风干一段时间后,利用托盘天平和游标卡尺分别测量成型颗粒的质量和长度,计算成型颗粒的松弛密度:成型块m成型颗粒的松弛密度/g/cm3m——成型颗粒的质量V—成型颗粒的体积/cm3图1生物质成型模具d-成型颗粒的直径/cmFig 1 Biomass forming moldl—成型颗粒的长度/cm1.2试验方法针对影响生物质成型的主要因索,选择玉米秸2试验结果及分析秆、锯末和棉杆进行成型试验,研究粒度、成型压力、含水率、温度、原料和模具长径比对生物质压2.1原料粒度及成型压力对秸秆成型效果的影响缩成型效果的影响,确定最佳压缩成型工艺参数。将粒径0~2mm和2mm~4m的玉米秸秆,试验完成后,以玉米秸秆为例,选取不同成型条件0~2mm的棉杆、粉状的锯末,在温度130℃、含水下的成型颗粒进行微观分析。率8%、长径比5.28条件下,分别处于2MPa取一定量原料,在达到设定温度时,把自然干sMPa、MPa、8MPa和1lMP压力下进行成型试燥或配一定量水的原料充填于自制模具中,并捣实,验,试验结果如图3~图5所示静置传热约lmin,然后压杆向下运动加压至设定由图3~图5可知,粒度为0~4mm时,所用值,保压约min,再减压卸载得到相应的成型颗原料均可以成型,并且相同成型压力下,原料粒度粒。固化成型工艺流程如图2所示越小,成型颗粒的松弛密度越大(见图3);当成型压力<8MPa时,随压力增大,松弛密度增加较快;当压力>8MPa时,松弛密度增加较慢,且在8MPa加压时凵中国煤化工k作物秸秆在较低填料压力CNMHG所以成型颗粒的松弛峦度较低;随看压刀的增加,秸秆进一步破裂,图2固化成型工艺流程发生紧密充填,其松弛密度和强度得到显著提Fig 2 Process curve of densification高;对于锯末,一开始比较蓬松,随压力增大粉100塑性工程学报第19卷2.2原料水分含量对秸秆成型效果的影响取粒度为0~2mm,含水率分别为8%、17%23%和29%的3种原料,在压力8MPa,长径比528条件下进行压缩成型试验,结果如图6~图8所示1.050-2mm2~4mm压力MPa图3不同粒度的玉米秸秆成型曲线Fig 3 Compressing molding curve of corn090straw of different particle size51015202530含水率伟图6不同含水率的玉米秸秆压缩成型曲线Fig 6 Compressing molding curve of corstraw at different moisture contents0.75681012压力/MPa图4粉状锯末成型曲线Fig. 4 Compressing molding curve of powder sawdust含水率伟图7不同含水率的锯末压缩成型曲线07wdust at different moisture contents0.880.84倒082图50~2mm棉杆成型曲线Fig 5 Compressing molding curve of cottonstraw of 0-2mm pa末快速充填,当压力达到一定值时,这种趋势变缓。含水率伟但提高成型压力会使成型的能耗升高。因此,成型图8不同含水率的棉杆压缩成型曲线压力并不是越高越好,而是在满足成型颗粒性能要Fig8 Compressing molding curve of cotton求的前提下越低越好,以减少成型颗粒在生产过程straw at different moisture contents中的能耗。中国煤化工料在含水率为8%综上可知,较佳粒度为0~2mm,最佳成型压(自划CNMHG高松弛密度。玉米力为8MPa。为便于进行比较,本文在探讨其他因秸秆颗粒的松弛密度随含水率的增加而降低,在含素对生物质秸秆成型效果的影响时,粒度均取0~水率8%~23%都能达到较高密度,又由于所处温2mm,成型压力均取8MP度的不同,表现出不同的下降速度。而锯末和棉杆第3期陈正宇等:生物质压缩成型工艺参数10l颗粒的松弛密度基本都是在含水率7%时达到最大值,锯末在含水率17%~23%之间均可较好成型,棉杆在含水率为8%~23%之间均能较好成型对于棒状成型产品,要求原料的含水率≤10%,对于颗粒成型产品,一般要求原料的含水率在15%~25%之间。试验在加热条件下,能较好成型的含水率范围较宽,对原料含水率的要求相对较低,可节约干燥成本。但含水率过高或过低都不1012压力MPa利于成型,当含水率过高时,加热过程中产生的蒸图10锯末在不同温度下压缩成型曲线汽不能顺利排出,易造成表面开裂,严重时产生爆Fig 10 Compressing molding curve of powder鸣。当含水率过低时,成型也困难,一方面是因为sawdust at different temperatures微量水分对木质素的软化、塑化有促进作用,降低其熔融温度;另一方面是因为水分可作为润滑剂使粒子间的内摩擦变小,流动性增强,促进其相互嵌合。由于不同原料的成分不同,造成成型时的最佳含水率略有不同,但基本一致,与文献[3]相符,这3种原料的最佳含水率基本都在15%~23%范130围2.3成型温度对秸秆成型效果的影响压力MPa将粒度0~2mm、含水率8%的不同原料,在成型温度130℃、150℃和180℃、压力8MPa与长径图11棉杆在不同温度下压缩成型曲线Fig. 11 Compressing molding curve of cotton比5.28条件下,进行压缩成型试验,结果如图9~图11所示。利。因此本文选定130℃、150℃和180℃的成型温度进行成型试验由图9~图11可知,当温度达到一定值后,即使施加很小的压力也可以得到较好的成型效果。但在所设定的3个温度下,成型颗粒的松弛密度差别主燃不大,并且温度越高耗电越多,对设备的腐蚀也越严重。综合考虑原料成型效果和能耗的情况,本文246确定最佳成型温度为130℃~150℃。压力MPa24不同原料对秸秤成型效果的影响图9玉米秸秆在不同温度下压缩成型曲线将粒度0~2mm、含水率8%的不同原料,在温Fig 9 Compressing molding curve of com度130℃、压力8MPa和长径比5.28条件下,进行straw at different temperatures压缩成型试验,结果如图12所示。温度是影响成型质量的重要因素,通过加热不同种类的原料,其压缩特性有很大差异。由一方面可使原料中含有的木质素软化,起到粘结作图12可知,玉米秸秆最易压缩,锯木次之,棉杆最用;另一方面还可以使原料本身变软,容易压缩。难。对于棉杆,由于其具有较强韧性的表皮纤维,木质素在70℃~110℃温度下开始软化,粘合力开粉碎后网状物较多,压缩成型过程中,除细小颗粒始增加,精结作用增强,颗粒产品在成型时仅依靠填补个v山中国煤化工消耗更多的能量摩擦生热(100C左右)教化木质素,成型效果较来破CNMH型困难;对于锯差,能耗较高;加热时间过长或温度超过180℃,末,粉木的认心便共谷勿反生妈充,但作为木本植会使原料过于干燥,易出现裂纹,甚至高温下热分物,木质素含量高,变形较小,需要更高的温度才解而使挥发份增多和颗粒表面碳化,反而对成型不能使其发生较大变形;对于玉米秸秆,由于其表皮102塑性工程学报第19卷3不同成型条件下的微观分析一般将成型颗粒内部的粘结力类型和粘结方式0.7→玉米秸秆分为固体颗粒桥接或架桥、非自由移动粘结剂作用的粘结力、自由移动液体的表面张力和毛细压力粒子间的分子吸引力或静电引力和固体粒子间的充压力/MPa填或嵌合5类。在对生物质压缩成型的研究中,虽图12不同原料压缩成型曲线然成型颗粒的松弛密度受粒度、含水率、温度、压Fig. 12 Compressing molding curve力等诸多因素影响,但实质上都可以用上述的一种of different raw materials或几种粘结类型和粘结力来解释成型颗粒内部的成细胞中含有大量的栓化物和硅化物,在成型过程中型机制起到了润滑作用,使粒子容易相互靠拢结合,并且本文以玉米秸秆不同条件下成型颗粒的微观组其进一步破碎所需能量较少,所以较易成型。织为例,说明不同成型条件对其微观组织的影响。2.5模具长径比对秸秆成型效果的影响3.1不同压力下的显微结构将粒度0~2mm、含水率8%的不同原料,在温度取含水率8%,成型温度130℃条件下的玉米秸130℃、压力8MPa和不同模具长径比(38、5.28和秆成型颗粒,考察不同压力(5MPa、MPa、8MPa5)条件下进行压缩成型试验结果如图13所示。和1MPa)对成型效果的影响,其显微结构如图14所示。由图14可知,随着成型压力的增加,颗粒内部粒子的破裂和嵌合程度增加,即成型颗粒的松弛密度增加。当成型压力较小时,内部粒子的破裂程度085米秸开较低,内部粒子桥接或架桥,相互缠绕不明显,空积080棉杆隙较大,结合比较松散,抵抗变形能力较弱,如图14a中的A处、14b中的B处所示。这样的成型颗粒在运输和使用过程中易碎,造成不便。随着成型压力的增加,原料粒子进一步破裂,相互之间进图13不同模具长径比下的成型曲线步发生机械嵌合、相互缠绕,并产生较大塑性变形,Fig. 13 Compressing molding curve表面较平整,如图14c、图14d所示at different raw materials由上述可知,成型压力对成型效果的影响主要由图13可知,随模具长径比的增大,这3种原在于内部粒子的破裂和嵌合程度。当压力达到一定料成型颗粒的松弛密度都是先增加后减小。模具长值时,粒子的破裂和嵌合不会继续进行或者很慢,径比是颗粒成型设备直接决定原料成型条件的重要无法产生明显变形。所以在生产中选取8MPa左右因素,决定了原料所受的成型压力和压缩比。当模的成型压力即可,既能满足较好成型又能避免能源具长径比为38时,成型颗粒松弛较大,造成成型浪费。颗粒松弛密度较小;当模具长径比为5.28时,细小3.2不同含水率条件下的显微结构粒子的交错与折叠程度变大,松弛比降低,松弛密取成型压力8MPa、成型温度130℃条件下的玉度增大,但同时摩擦阻力呈比例增加,这就造成成米秸秆成型颗粒考察不同含水率(8%、17%、23%和型阻力增加;当模具长径比为9.5时,细小粒子的29%)对成型效果的影响其显微结构如图15所示。交错与折叠程度进一步变大,松弛降低,但同时摩V凵中国煤化工%-23%时,由木擦阻力大幅增加,造成成型阻力增加较多,对原料质素CNMHG明显,随着含水中力的传递很不利,致使颗粒松弛密度减小,并且率的开局,这胶质有趣米趣个明显的趋势,即发成型过程加长,不易成型颗粒的取出。所以模具长生软化和塑性变形的木质素减少。这与微量水分能径比为5.28较好。降低木质素熔融温度和文献[11]认为的热压成型中第3期陈正宇等:生物质压缩成型工艺参数03木质素软化而成的胶质图15不同含水率条件下玉米秸秆成型颗粒的显微结构(×200图14不同成型压力条件下玉米秸秆a)8%;b)17%;c)23%;d)29%成型颗粒的显微结构(×100)Fig 15 Microstructure of corn strawa)5MPa: b)7MPa; c) 8MPa: d)11MPaat different moisture contentsFig 14 Microstructure of corn straw垂直应力方向上充分延展,粒子间能够啮at different forming pressures注:显微图白色光亮处是软化并发生塑性变形的木质素,下同合中国煤化工分,其被挤出后分布于CNMHG紧密结合,内部粒含水率过高会影响热量传递相一致。并且当含水率子较为松散,相互嵌合、缠绕不足,如图15d所示。过低时,粒子不能充分延展,与四周的粒子结合不这一方面是因为含水量过高会增大原料与模具的摩够紧密,不能较好成型;当含水率过高时,粒子在擦,不利于力的相互传递,使之所受压力降低;另104塑性工程学报第19卷方面是因为粒子层间水分过多,造成结合不紧密,16a所示。当温度达到150℃时,软化的木质素增空隙较大(见图15d中C处)。所以玉米秸秆的最多,并且其连续性较好,但已有部分粒子碳化,如佳含水率为8%~23%。图16b中D处,虽然没有在180℃时见到更多的粒3.3不同温度条件下的显微结构子碳化,但从节能和不降低颗粒产品使用性能方面取成型压力8MPa含水率8%条件下的玉米秸考虑,已不适合再提高温度秆成型颗粒,考察不同成型温度(130℃、150C和由以上分析可知,较好加热温度为130℃~180℃)对成型效果的影响,其显微结构如图16所示。150℃C。4结论1)改进后的热压成型工艺能较好成型,并且适用的原料范围较广,利用成型颗粒的松弛密度确定其最佳工艺参数为,粒度0~2mm、含水率15%~23%、温度130℃~150℃和长径比5.28。2)通过对玉米秸秆成型颗粒的微观分析,得出其内部粒子的结合情况,并与改进后热压成型试验得到的最佳成型范围基本一致参考文献[1]王春光杨明邵高文焕农业纤维物料压缩现状[门]中国农业大学学报1996.1(6):1418[2]何元斌生物质压缩成型颗粒及成型技术(一)J].农村能源,195.63(5):12-14[3]袁振宏吴创之,马隆龙等.生物质能利用原理与技术M.北京:化学工业出版社,2005[4] ODogherty M J. A review of the mechanical behaviorof straw when compressed to high densities[J]. AgricEngng Res.,1989.44:241-265[5 Faborode M O, Callaghan JR O Optimizing the com-pression briquetting of fibrous agricultural mater-ials[. Agric Engng Res,1987.38:245-262[ 6] ODogherty MJ, Wheeler J A Compression of straw tohigh densities in closed cylindricaldies [J]. Agric Engng图16不同温度条件下玉米秸秆Res,1984.29(1):61-72成型颗粒的显微结构(×100)[7]刘延春,张英楠刘明等.生物质固化成型研究进展a)130℃;b)150℃;c)180℃[J.世界林业研究,2008.21(4):41-47Fig. 16 Microstructure of corn straw[8]盛传奎,钱湘群,吴杰.切碎棉杆高密度压缩成型的试at different temperatures验研究[浙江大学学报(农业与生命科学版),20029(2):139-142由图16可以看出,随着温度升高,颗粒中的胶[9] Lindley J A, VossoughiM Physical properties of bid质(光亮处)先增多后减少。这是因为温度的影响mass briquettes[J]. Transactions of the ASAE, 1989.使水分挥发加快,造成原料的实际含水率低于8%中国煤化工不利于木质素的软化。虽然理论上随着温度的增加[10CNMHG:西北大学出版社,木质素越易软化,但同时水分的挥发也越快,造成并不是温度越高木质素软化越多。在温度130℃时,1]张百良,李保谦,HPBI型生物质成型机的应用研究软化的木质素已基本足够用于粘接内部粒子,如图J].太阳能学报,199.20(3):234238