生物質(zhì)能以資源豐富、生態(tài)環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，已成為能源和環(huán)境領(lǐng)域研究的新熱點(diǎn)。
在生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究方面，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)做了許多工作。研究主要集中在成型機(jī)具的研制、成型原理的研究、成型工藝的改進(jìn)等方面。目前國內(nèi)對生物質(zhì)壓縮成型的研究，主要集中在生物質(zhì)壓縮過程的壓縮特性、機(jī)械特性、流變特性和成型工藝等方面的試驗(yàn)研究和理論探討，對成型塊力學(xué)性能的評價(jià)在國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，早期的評價(jià)方法是碾壓，摔碎等，誤差較大，重復(fù)性與可比性較低。本試驗(yàn)在調(diào)研國外標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)，考察不同壓力、加熱溫度及含水率條件下，成型塊的徑向、軸向峰值壓力及位移等指標(biāo)，得出成型效果好的工藝參數(shù)范圍，為生物質(zhì)成型塊力學(xué)性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和成型塊的工業(yè)化生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
富通新能源生產(chǎn)銷售秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等農(nóng)作物固化成型機(jī)械設(shè)備。
1、試驗(yàn)條件與方法1.1試驗(yàn)條件
本試驗(yàn)用原料為當(dāng)年收獲的玉米秸稈，經(jīng)揉切粉碎使其粒度達(dá)到5～8 mm。主要的設(shè)備包括：MFKP66X45型粉碎機(jī)（江蘇牧羊集團(tuán)有限公司）、101A -2型干燥箱（上海市試驗(yàn)儀器總廠）、AWH -3型電子天平（感量0.1）、KSW -4 - 11型溫度控制箱（北京電爐廠）、自制壓縮裝置（圖1）、PT - 5LD型手持式紅外線測溫儀（日本OPTEX公司）、INSTRON - 4411型萬能材料試驗(yàn)機(jī)（英國INSTRON公司）、xww - 20型萬能材料試驗(yàn)機(jī)（承德金建檢測儀器有限公司）、瓷坩堝、游標(biāo)卡尺等。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1 不同含水率原料的制備
不同含水率物料的制取方法為：烘干玉米秸稈物料，去除物料中的游離水，使其達(dá)到絕干狀態(tài)，烘干溫度為1200C，烘干時(shí)間12 h。將烘干物料冷卻至室溫，密封保存?zhèn)溆�。根�?jù)所需含水率計(jì)算需要噴灑的水量。稱取一定質(zhì)量的絕干物料，將由含水率計(jì)算得到的所需添加水量均勻地噴灑在干物料上，并用密封袋密封保存一周，使袋中物料的含水率均一。本次試驗(yàn)所需含水率分別取5%、8%、12%、16%、20%。
1.2.2 成型塊的制備工藝過程
稱取不同含水率的物料50 g，將其填充于自制成型套筒中，壓頭向下運(yùn)動開始加壓，當(dāng)壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)停止，保壓30 s，減壓卸載得到450 mm成型塊。在考察溫度對于成型塊性能的影響試驗(yàn)中，利用溫度控制箱、熱電偶控制成型筒腔內(nèi)溫度，并在壓制前用手持式紅外線測溫儀測量腔內(nèi)物料溫度。當(dāng)物料溫度與腔內(nèi)溫度達(dá)到一致時(shí)，壓制成型塊。玉米秸稈固化成型的工藝流程如圖2所示。
1.2.3性能指標(biāo)的測試方法
(l)松弛密度 不同成型壓力條件下制成的成型塊，靜置7d后用游標(biāo)卡尺測量其直徑和厚度，根據(jù)密度的計(jì)算公式，計(jì)算出成型塊的松弛密度。
(2)抗變形性抗變形性表現(xiàn)在軸向或徑向承載時(shí)成型塊所具有的承受能力，具體表現(xiàn)為響應(yīng)方向上的抗變形性壓力、位移、應(yīng)力和應(yīng)變。徑向抗變形性3個(gè)指標(biāo)分別為峰值壓力即成型塊與萬能材料試驗(yàn)機(jī)為線接觸，測定其徑向在連續(xù)加載受壓情況下破裂的最大壓力；徑向位移為成型塊抗壓破裂所發(fā)生的位移變形；名義應(yīng)力為成型塊受壓過程中的平均應(yīng)力與試塊厚度的比值。軸向抗變形性的指標(biāo)為軸向位移，試驗(yàn)中成型塊與萬能材料試驗(yàn)機(jī)為點(diǎn)接觸，測定其在加載受壓且最大壓力為4.5 kN時(shí)變形的位移。
(3)抗?jié)B水性 將成型塊置于20℃的水浴鍋中，60 8后取出稱重，計(jì)算吸收的水量，吸水量與原樣品質(zhì)量之比，即能反應(yīng)成型塊的抗?jié)B水性。
2、結(jié)果與分析
2.1成型壓力對成型塊性能的影響
試驗(yàn)條件：溫度25℃，物料含水率為8%左右，
考察成型壓力為10￣120 MPa內(nèi)間隔10 MPa的11個(gè)
壓力值下成型塊的性能特點(diǎn)，結(jié)果如圖3所示。
圖3a為不同成型壓力下成型塊的松弛密度曲線，隨著成型壓力的增大，成型塊的松弛密度提高，當(dāng)壓力大于60 MPa時(shí)，松弛密度增大的趨勢明顯減緩。圖3b一3e為不同成型壓力下成型塊的抗變形性曲線，隨著成型壓力的增大，成型塊的變形抗力增大，變形位移減小及抗變形能力提高，在大于60 MPa時(shí)，抗變形性的增高逐漸趨于平緩。圖3f為不同成型壓力下成型塊的抗?jié)B水性曲線，整體上而言，滲水率隨著成型壓力的增大而減小。這是由于外部壓力使成型塊內(nèi)部顆粒之間結(jié)合緊密，在垂直于最大主應(yīng)力的方向上，粒子向四周延展，粒子間以相互嚙合的形式結(jié)合；在沿著最大主應(yīng)力的方向上，粒子變薄，成為薄片狀，粒子層之間以相互貼合的形式結(jié)合。隨著成型壓力的增大，成型塊物質(zhì)的結(jié)合力增大，結(jié)合強(qiáng)度提高，致密度大。由于農(nóng)業(yè)物料的分散性大，有的物料含有土等雜質(zhì)，在滲水試驗(yàn)中有掉渣的現(xiàn)象，圖中出現(xiàn)的某幾個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)偏離的情況是正常的。同時(shí)，考慮成型壓力過大對設(shè)備的要求相應(yīng)提高，而對提高成型塊性能不明顯，易造成能源浪費(fèi)。綜上所述，選取成型壓力為60—90 MPa較為經(jīng)濟(jì)適宜。
2.2溫度對成型效果的影響
物料含水率為8%左右，考察加熱溫度為25、50、75、110及140℃，成型壓力為50、70、90、110MPa時(shí)成型塊的性能，結(jié)果如圖4所示。
圖4a為不同溫度及壓力條件下的松弛密度曲線，隨著加熱溫度的提高，成型塊的松弛密度總體呈提高的趨勢，但當(dāng)溫度高于75℃時(shí)松弛密度增加減緩；當(dāng)壓力為110 MPa時(shí)，高溫下成型塊的松弛密度有所下降，這是由于高溫高壓下物料表面的炭化結(jié)果；在同一溫度下，成型壓力越大松弛密度越大。圖4b、4c為不同溫度及壓力條件下的抗變形性曲線，隨著加熱溫度的提高，成型塊的軸向位移減小，在大于75℃時(shí)變化趨勢漸緩；成型塊的徑向峰值壓力先增加后略有減小，同一溫度下，隨著成型壓力的增大，成型塊的抗變形性能提高。圖4d為不同溫度及壓力條件下的抗?jié)B水性曲線，隨著溫度的提高，成型塊的抗?jié)B水性下降；同一溫度下，隨著成型壓力的增大，成型塊的抗?jié)B水性下降。上述現(xiàn)象主要是由于加熱使原料的木質(zhì)素軟化，起到粘結(jié)劑的作用，另一方面使原料本身變軟，變得容易壓縮。同時(shí)，75℃達(dá)到了物料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，增強(qiáng)木質(zhì)素等物質(zhì)的活性，使成型塊具有更好的耐久性。在加熱溫度較高時(shí)，考慮物料與成型筒內(nèi)壁摩擦產(chǎn)生熱能，使成型塊局部溫度升高，尤其對成型塊徑向抗變形性有一定影響，故選取成型溫度在75～100℃左右較適宜。
2.3含水率對成型效果的影響
在成型壓力為70MPa，溫度為25℃時(shí)，考察物料含水率分別為5%、8%、12%、16%、20%時(shí)成型塊的性能，結(jié)果如表1所示�？梢钥闯觯试�8%~12%時(shí)，成型塊的性能指標(biāo)較好，相反，偏大或偏小的含水率使成型塊的性能下降。這是因?yàn)楹蔬^低，物料不能很好結(jié)合，不利于木質(zhì)素的塑化和熱量的傳遞；而含水率過高，則使物料間的結(jié)合趨于松散、縫隙變大，導(dǎo)致成型塊易吸水解離，同時(shí)擠壓過程中物料的水分受熱蒸發(fā)，大量的水汽通過成型筒迅速排放，使物料難以成型。
3、結(jié)束語
本文引入軸向位移、徑向峰值位移、峰值壓力和名義應(yīng)力等概念衡量成型塊的力學(xué)性能是可行的。綜合考慮成型壓力、溫度及含水率對成型塊物理品質(zhì)力學(xué)特性的影響，選取成型壓力為60～90 MPa，加熱溫度為75～100℃，物料含水率在8%～l2%之間的工藝條件，制成的成型塊可以滿足使用、儲運(yùn)要求，達(dá)到節(jié)能的目的，為生物質(zhì)固化成型的工業(yè)化生產(chǎn)提供參考依據(jù)。
