稻秸秆生物质成型燃料物理特性的研究

2012-07-04李庆达于海明张伟胡军王黎明汪春孙勇

黑龙江八一农垦大学学报 2012年4期

李庆达，于海明，张伟，胡军，王黎明，汪春，孙勇

（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2.东北农业大学工程学院）

水稻植质钵育秧盘是黑龙江八一农垦大学研制的以稻草秸秆为原料配以固体胶黏剂及其他特殊物质的钵育秧盘[1]。此种秧盘具有诸多优点：在土壤中能够降解；秧苗栽植时无需分离秧盘；可实现秸秆还田；使水稻生产绿色环保。水稻植质钵育秧盘的研制有利于实现秧盘制造的产业化、育秧生产的工厂化、秧苗供应的社会化、作物栽培的标准化以及水稻生产的机械化[2]。蒸汽烘干植质钵育秧盘可以使秧盘本身的各方面性能达到较优水平。蒸汽烘干是指蒸汽与被烘干物料直接接触而去除水分的干燥方式[3]。

植质钵育秧盘的蒸汽烘干过程中，需要消耗大量能源燃料，但传统的化石能源对环境会造成巨大的危害，且成本较高。为实现水稻植质钵育技术的顺利推广，加快生物质能源的开发利用，课题组系统研究了生物质燃料的压缩成型技术。试验主要研究了稻秸秆的含水率和原料粒径对稻秸秆成型燃料物理特性的影响。

1 实验材料与方法

1.1 试验原料与试验设备

1.1.1 试验原料

稻草和稻壳。

1.1.2 试验设备

电子天平（YP102型）梅特勒-托利多仪器有限公司；鼓风十燥箱（DGG-9070型）上海森信实验仪器有限公司；数显式电子万能试验机（WDW型）济南凯锐机械设备有限公司；万能粉碎机（WF型）翔飞粉体工程机械有限公司；螺旋式挤压秸秆燃料成型机（宇龙机械有限公司）。

1.2 试验方法

试验利用螺旋式挤压成型机，改变原料的含水率和粒径，得出不同条件下的成型燃料，对它们进行物理特性的试验研究，为降低成型燃料包装、运输和贮存成本，保证成型燃料进入锅炉时的必要物理性状或成型燃料的进一步碳化加工，提供理论依据和基础资料。

1.2.1 试验工艺流程

试验采用螺旋挤压式成型机，其特点是成型燃料的密度大，表面质量好，效率高。生物质固化成型的工艺过程如下：原料→预处理（削片或粉碎）→干燥→加热→成型。

1.2.2 样品物理特性的测试

样品的质量m和体积V的比值就是成型燃料的松弛密度ρ，样品的质量直接用电子天平称出，测得样品的直径和长度直接计算出体积。目前对于生物质成型燃料的抗渗水性没有统一测试方法和评价指标，试验以样品在保持完整形态时间作为抗渗水性的技术指标，将成型样品放入20℃水面下50 mm，连续观察形态直至完全剥落分解为止。成型燃料抗跌碎性的测试参照煤的抗碎强度测定方法（GB／T15459-1995），将长度为60 mm的样品，从2 m高处自由落下到坚硬的地板上，然后将落下的燃料棒中大于25 mm的料棒再次落下，共落下3次，以破碎后大于25 mm的燃料棒占原燃料棒的质量百分数，表示燃料棒的抗跌碎强度[4]。

1.2.3 试验参数的选择

试样的含水率参照黑龙江大庆地区气干平衡含水率，选取不同的含水率数值。稻草的含水率分别选取4.50%，5.20%，7.03%，9.11%，11.58%。稻壳的含水率分别选取6.60%，7.35%，9.77%，11.21%，13.40%。原料的粒径分为三种：（1）所有原料85%以上粉碎颗粒的粒度在0～15 mm；（2）所有原料85%以上粉碎颗粒的粒度在15～25 mm；（3）所有原料85%以上粉碎颗粒的粒度在25～35 mm。成型温度均统一选为200℃。

2 试验结果与分析

2.1 原料的含水率对成型燃料物理特性的影响

2.1.1 含水率对成型燃料松弛密度的影响

原料的含水率是生物质燃料致密过程中需要严格控制的一个重要参数，含水率过高或过低时，都影响其松弛密度。不同的试样，其纤维素、半纤维素和木质素的含量不同，在热压成型时对含水率的要求也不同。

表1 稻草和稻壳的含水率对松弛密度的影响Table 1 Effect of different moisture content on relax density

表1为稻草和稻壳的含水率对成型燃料松弛密度的影响。由表1可知，成型燃料的松弛密度与原料的含水率关系密切。稻草的含水率低于7.03%时，含水率越大成型燃料的松弛密度越大，含水率大于7.03%时含水率越大，松弛密度越小，峰值密度为1.21 g·cm-3。稻壳成型燃料的松弛密度表现出同样的变化规律。

这主要是因为当原料的含水率较小时，虽然也能压制成燃料棒，但燃料棒表面碳化严重，放置一段时间后，由于燃料棒含水率较低，导致燃料棒吸湿空气中的水分，导致胀裂变形，密度降低。但当稻草和稻壳的含水率分别大于7.03 g·cm-3和9.07 g·cm-3时，由于含水率较高，加热成型时原料中的水分被快速汽化，水蒸气不能及时排除，造成燃料棒出模时胀裂，表面粗糙，松弛密度同样较低。

2.1.2 含水率对成型燃料抗渗水性的影响

生物成型燃料的抗渗水性是评价其耐久性的一个重要指标。生物质成型燃料的耐久性直接影响生物质燃料的包装、运输和储存性能。抗渗水性反映生物质成型燃料的渗水能力，决定生物质成型燃贮存性能。

图1为含水率对稻草成型燃料抗渗水性的影响，图2为含水率对稻壳成型燃料抗渗水性的影响。由图1、图2可知，抗渗水时间与原料的含水率存在着一定的规律性，并且两种物质表现出相同的规律性，即当含水率较低时，成型燃料的抗渗水性较差，含水率为4.50%的稻草成型燃料的抗渗水时间仅为4 h，含水率为6.60%的稻壳成型燃料抗渗水时间仅为6 h。随着含水率的提高，两种成型燃料的抗渗水能力逐渐增强，而后又随着含水率的增强逐渐降低。稻草成型燃料和稻壳成型燃料的峰值含水率分别为7.03%和7.35%，相应的抗渗水时间分别为24 h和20 h。综上可知，在试验范围内，稻草和稻壳的最佳含水率区间分别为6.50%～7.80%和6.80%～8.50%。

图1 含水率对稻草成型燃料抗渗水性的影响Fig.1 Effect of different moisture content of straw briquetting on water resistance

图2 含水率对稻壳成型燃料抗渗水性的影响Fig.2 Effect of different moisture content of rice husk briquetting on water resistance

2.1.3 含水率对成型燃料抗跌碎性的影响

生物成型燃料的抗跌碎性也是评价其耐久性的一个重要指标，抗跌碎性主要反映生物质成型燃料在搬运过程中承受一定的跌落和翻滚碰撞时抗破碎的能力，反映生物质成型燃料在实际条件下的运输要求。

图3 含水率对稻草成型燃料抗跌碎性的影响Fig.3 Effect of different moisture content of straw briquetting on shatter resistance

图4 含水率对稻壳成型燃料抗跌碎性的影响Fig.4 Effect of different moisture content of rice husk briquetting on shatter resistance

图3为含水率对稻草成型燃料抗跌碎性的影响，图4为含水率对稻壳成型燃料抗跌碎性的影响。图3和图4展现出相似的变化规律，即对于具有良好的松弛密度的成型燃料棒，相应的抗跌碎性都很强，大部分成型燃料的抗跌碎性都大于95%。稻草成型燃料的抗跌碎性为91%～96%，稻壳成型燃料的抗跌碎性为92%～96.8%。

总体上看，稻秸秆成型燃料的抗跌碎性随着含水率的增加而降低，下降趋势不明显，但当含水率较大时，抗跌碎性下降幅度较大，稻草的含水率为11.58%时抗跌碎性仅为89%，稻壳的含水率为13.40%时抗跌碎性为92%[5]。综上所述，当成型燃料具有较好的松弛密度时，抗跌碎性能力能够满足包装、运输和使用的要求。

2.2 稻草粒径对成型燃料物理特性的影响

2.2.1 稻草粒径对成型燃料松弛密度的影响

由于稻壳的粒径尺寸较小，这里只讨论稻草粒径对成型燃料物理特性的影响。选取含水率为7.03%为试验原料，成型温度200℃。

表2为稻草粒径对稻草成型燃料松弛密度的影响，由表可知原料粉碎粒径的大小对成型燃料的松弛密度和成型效果影响较大。在可压缩成型范围内，稻草成型燃料的松弛密度随着粒径的增大而减小。当稻草粒径大小为0～15 mm时，成型燃料的松弛密度较大，成型效果较好，而当粒径在25～35 mm时，松弛密度下降到1.03 g·cm-3，同时成型燃料不密实，且进料不畅。这主要是因为当原料的粒径较大时，其充填特性变差，颗粒间彼此的嵌入不好。由热压成型原理可知，压缩成型主要是靠木质素的软化和颗粒逐渐填充物料间的空隙完成，因此大粒径的稻草成型燃料松弛密度较低[6]。试验表明，粒径在0～15 mm区间内的原料较适合进行热压成型。

2.2.2 稻草粒径对成型燃料抗渗水性和抗跌碎性的影响

表2 稻草的粒径对稻草成型燃料松弛密度的影响Table 2 Effect of size of straw on relax density

图5 原料粒径对稻草成型燃料抗渗水性的影响Fig.5 Effect of the size of straw on water resistance

图6 原料粒径对稻草成型燃料抗跌碎性的影响Fig.6 Effect of size of straw on shatter resistance

图5显示了原料粒径对稻草成型燃料抗渗水性的影响。由图5可知，成型燃料的抗渗水时间与稻草粒径有密切关系，随着粒径的增大，成型燃料的抗渗水性明显增强。这是因为，当原料粒径较大时，原料中的长纤维没有被破坏，多数纤维胶合在一起，成型燃料内孔隙较大，当燃料吸水膨胀时应力相对较小，成型燃料分解时间延长。图6显示了原子粒径对稻草成型燃料抗跌碎性的影响。由图6可知，稻草成型燃料的抗跌碎性随着粒径的增大而缓慢提高，抗跌碎性均在90%以上，稻草粒径对成型燃料的抗跌碎性影响不显著。