霍麗麗^1,2，趙立欣¹，田宜水¹，姚宗路¹，孟海波¹

　　（1.農業部規劃設計研究院，農業部農業廢棄物能源化利用重點實驗室，北京100125；2.中國農業大學工學院，北京100083）

　　摘要：為研究生物質顆粒成型燃料壓縮成型機理，該文用玉米秸稈、花生殼、小麥秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、木屑等6種生物質原料，采用生物質顆粒燃料成型機進行壓縮成型，研究生物質顆粒燃料壓縮成型過程，采用黏彈性理論，建立生物質顆粒成型燃料的本構模型，從力學角度提出生物質顆粒成型燃料的壓縮成型機理，并研究對比不同種類生物質原料壓縮的最大應力與能耗。結果表明，6種生物質原料中棉桿和木屑的最大應力較高，其余4種原料略低；木屑的壓縮能耗最高，其次為棉稈、花生殼和豆秸，小麥秸稈和玉米秸稈較小。該研究結論為解決生物質顆粒成型燃料成型加工能耗高，關鍵部件受力磨損導致壽命低等問題提供一定參考。

　　0引言

　　中國生物質資源十分豐富^[1]，但因其松散、堆積密度較，導致收集、運輸、儲藏難度大、成本高，制約了規模化開發利用，利用壓縮成型將其制成生物質顆粒燃料，可提高其運輸和貯存能力，降低成本，而且改善燃燒性能，提高利用效率^[2]。與煤相比，生物質顆粒燃料的溫室氣體排放量不到煤的1/9，環境效益非常可觀^[3]，不僅可以用于家庭炊事、取暖，也可作為工業鍋爐和電廠燃料，替代煤炭等化石能源。一般地，生物質顆粒燃料的壓縮過程是在較高的外力作用下，利用生物質原料自身所含的“天然黏結劑”——木質素被激活^[4]，原料顆粒與顆粒之間重新排列組和在一起^[5]，通過一定形狀的顆粒成型模具，形成顆粒成型燃料。

　　目前，針對生物質顆粒燃料成型過程的相關模型研究可分為兩類，一類為黏彈塑性模型，表征壓力與變形關系，另一類為壓力與壓縮密度的數學模型。Nalladurai Kaliyan等^[6]利用彈性模量，強度系數，應變硬化指數，黏性系數，摩擦損耗因子5個參數構建秸稈和柳枝稷的一維線性黏彈塑性模型，并得出彈性模量和黏性系數影響顆粒燃料的抗壓強度和耐久性。鄭曉等^[7-8]采用線性與非線性黏塑性模型相結合的方法，研究芝麻、花生、菜籽與菜籽仁散粒體介質的壓榨過程。

　　線性黏塑性本構模型采用Maxwell的理論方法建立，而非線性黏塑性本構模型的建立采用經驗模型方法建立。張旭[9]在檸條壓縮過程中的松散和壓緊階段，分別建立了描述檸條壓縮的一般力學模型和非線性流變力學模型，獲得了檸條在壓緊階段彈性模量和黏性系數隨壓縮量變化的規律。王春光等^[10-11]建立了牧草壓縮及應力松弛模型，研究壓捆過程中軸向壓縮力、變形和變形恢復規律。孫啟新等^[12]基于ANSYS分析軟件，針對柱塞式成型設備，對秸稈類生物質原料擠壓模擬出壓力與變形關系曲線。趙東等^[13]研究密閉容器中用Doraivelu屈服準則來描述粉碎玉米秸稈的本構方程。Panelli、Faborode等^[14-16]研究了壓力與壓縮密度關系。

　　呂江南等^[17]用紅麻料片在閉式容器內的壓縮過程可分為松散、過渡和壓緊3個階段，壓力與壓縮密度關系的數學模型分別可用線性和指數關系來描述。各類原料壓縮的力學試驗中得出棉稈、小麥、可燃廢紙、大麥適宜的最大壓縮力分別為34、160、70、63.2MPa^[18-21]。以上研究均提出了各自的流變學理論，黏彈塑性理論大多側重于物料壓縮后的松弛與蠕變過程的研究，而壓力與密度的模型參數過于單一，理論適應性不廣，對多個種類生物質原料的壓縮成型過程的力與變形及時間之間的關系，目前沒有通用的理論模型支撐。

　　生物質顆粒燃料生產設備可分為螺旋擠壓式、活塞沖頭式、模輥式，其中模輥式成型機具有生產率高、成型好等優點，是生產生物質固體燃料企業優選設備。生物質原料擠壓過程中，顆粒在機械力作用下的致密過程受力復雜多變，首先顆粒可能發生彈性變形，隨著顆粒越來越靠近，顆粒可能發生黏塑性變形，依靠原料自身的“天然黏結劑”互相連接成型。本文以玉米秸稈、花生殼、小麥秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、木屑等6大類生物質原料為研究對象，研究模輥式生物質顆粒燃料成型機成型機理，通過自制的力學測試裝置，模擬生物質顆粒成型燃料的成型過程，建立適于生物質原料壓縮的黏彈性模型，并對比不同種類原料壓縮的難易程度及能耗，為生物質顆粒燃料成型機具的設計開發提供基礎理論依據。

　　1材料與方法

　　1.1儀器設備

　　試驗儀器485型模輥式生物質顆粒燃料成型機（農業部規劃設計研究院設計設計，北京盛昌綠能科技有限公司生產。主機功率：90kW；設備生產率為1t/h；模孔直徑8mm；燃料成型率＞95%；顆粒密度＞1.0g/cm³）、OlympusBX41型電子顯微鏡、Canon550D型顯微成像系統、93QS-16.0型鍘草機、HLP型粉碎機（篩孔徑8mm）、PL2002/01型電子天平（精度0.01g）、BSA223S-CW型分析天平（精度0.1mg）、GZS-1型自動標準振篩機、標準樣品分析篩（方孔，篩孔尺寸分別為0.2，0.3，0.45，0.6，1.0，3.3，6.0mm）、MH-200E型電子比重計（精度1kg/m³）、101-1A型電熱鼓風干燥箱、CMT6104型萬能試驗機、自制壓縮試驗夾具（如圖1所示，上下支撐座分別安裝在萬能試驗機上下夾具孔內，將定量的原料人工喂入成型模具孔內，萬能試驗機控制壓縮頭對喂入原料進行壓縮并實時記錄壓縮力、時間、位移等參數；該夾具未考慮原料的喂入過程，主要研究原料在模孔內壓縮的受力過程，通過萬能試驗機控制自制壓縮試驗夾具的運動，模擬壓縮成型過程，可實現壓縮過程中力、位移和時間變化的控制和數據存儲，為壓縮模型的建立提供基礎數據）、干燥器、砂紙（粒度600～5000目）、切片刀、載玻片、蓋玻片、刷子、鑷子、洗耳球、游標卡尺等。

　　1.2試驗材料

　　本試驗選擇河北地區的玉米秸稈、花生殼、小麥秸稈、大豆秸稈、棉花秸稈、木屑等6大類生物質原料作為研究對象。將采集的各類秸稈自然晾曬達到水分平衡后，首先用鍘草機粗粉（>2kg），接著用細粉機細粉（粉碎后粒度分布見圖2），然后加入適量水，混勻，使原料的全水分達到15%～20%，密封，在5℃下放置24h以上，以便壓縮成型，實際測得的全水分數值見表1。

　　1.3試驗設計

　　為模擬模輥式生物質顆粒成型燃料成型過程，試驗選擇6種原料，粉碎后在485型模輥式生物質顆粒燃料成型機進行壓縮成型，分析壓縮過程中應力的變化規律，通過顯微鏡觀察到層與層間距^[5]，進而測量顆粒燃料的單次進料量。

　　顯微鏡觀察可測得，生物質顆粒燃料內部存在裂紋，裂紋寬度約為3mm，如圖3，這也恰好證明了壓縮的間斷性，即顆粒燃料的單次壓縮間距約3mm，不同種類原料壓縮間距略有差別，可通過測量壓縮間距與模孔尺寸來計算單次壓縮致密后的原料體積，再通過測量顆粒密度，計算出每種原料的單次進料量，見表2，壓縮長30mm的生物質顆粒燃料，需要壓縮10次左右，平均每次的進料量在155.6～158.8mg之間，不同種類原料的進料量相差不超過3.2mg。

　　然后利用自制壓縮試驗夾具，對6種生物質原料依照實際原料的進料量進行壓縮成型試驗模擬，基于試驗壓縮過程的應力與應變的變化曲線，建立生物質原料壓縮的數學模型，研究生物質顆粒成型燃料的成型機理，得出不同種類原料壓縮模型參數，對比6種原料壓縮能耗，為生物質顆粒成型燃料成型機具的優化提供力學參考依據，本研究不考慮原料的喂入過程，僅研究原料在成型模具內壓縮的應力與應變關系。

　　2結果與分析

　　2.1建立模型

　　2.1.1力學模型

　　根據模輥式生物質顆粒燃料的成型機理，研究生物質原料壓縮過程應力與時間關系，如圖4a所示，成型過程為間斷性壓縮，壓縮為長30mm的生物質顆粒燃料，需要壓縮10次左右，其每次壓縮過程可分為進料預壓、致密成型、保壓松弛、顆粒擠出4個階段，如圖4b所示。

　　第一階段為進料預壓，原料進料時為松散狀態，隨著應變的不斷增加，原料不斷被擠壓，所受壓力緩慢增大，但增加幅度不大，主要原因是生物質原料極松散，原料粒子與粒子間空隙較大。進入模孔時，儲料室中的原料被擠入模孔瞬間，原料所受壓力有突增現象，而后下降到正常壓縮狀態。該階段原料松散，原料粒子做無規則運動，應力變化較小，且無明顯規律，這里不做建模討論。

　　第二階段為致密成型。壓緊致密過程，應力逐漸增加到最大值，應變也逐漸增加到最大值。此時，被擠入模孔的原料開始擠壓致密，原料顆粒嚴重變形，顆粒與顆粒互相緊貼或鑲嵌，黏在一起成為生物質顆粒燃料的一部分，此階段原料壓縮應力與應變關系可用黏彈性本構模型表述^[22]，參見式（1）。

　　第三階段為保壓松弛，應力從最大值略微減小，應變基本保持不變，顆粒燃料逐漸保持穩定狀態。該階段原料顆粒產生應力松弛現象，應力在致密成型過程中達到最大值，而后發生應力突降現象，應力下降速度緩慢。該階段應力的變化與存留模具內的時間直接相關，參照伯格斯（四元件模型：彈簧、開爾文模型和阻尼器串聯）模型^[22]中的應力松弛關系，可用模型（2）描述。

　　第四階段為顆粒擠出，致密成型后的顆粒被擠出孔外，所受壓力迅速減小，最后降為0。

　　2.1.2能耗模型

　　生物質壓縮能耗可通過外力做功得出，壓縮力與位移的變化曲線如圖5。能耗模型參見式（3），其中壓縮力可通過致密成型過程的應力與應變函數式（1）推導得出，位移與應變呈線性函數關系，推導后可得式（4）。

　　2.2不同種類原料力學模型參數確定

　　2.2.1第一階段進料預壓

　　6種原料壓縮致密應力變化如圖6，可以看出，應力在進料預壓階段，此時所受應力較小，應變由0增大到50%左右。大部分原料壓縮時應力會有波動，主要由于擠壓空間突然縮小，剛進入模孔的瞬間，應力突然增加而后降為正常致密壓縮階段，除木屑外，應力突增的峰值均在5MPa以內，花生殼的應力波動現象最明顯。而木屑擠壓進入模孔瞬間，沒有應力突增現象，原因可能是木屑的粒度較小，較為均勻，流動性好，容易進入模孔，同時由于木屑粒度小，原料粒子與粒子間空隙小，排列較為致密，木屑在進料預壓階段的應力較其他原料大。

　　2.2.2第二階段致密成型

　　研究主要考慮應變大于50%之后的應力與應變關系，對致密壓縮過程采用式（1）建模后，采用Matlab曲線擬合工具進行擬合，得出各個模型參數見表3，可見采用式（1）建模曲線擬合較好，R2均大于0.99。

　　6種原料的最大應力比較，如圖7，在壓縮成型過程中，棉稈所需最大應力最大，為(76.07±5.28)MPa，其次為木屑(67.85±5.26)MPa。豆秸所需最大應力最小，為(45.23±1.71)MPa。若將6種原料按應力的算數平均誤差值小于5MPa進行歸類，棉稈和木屑為一類，壓縮成型的最大應力要求較高，在67～77MPa之間；玉米秸稈、小麥秸稈、花生殼和豆秸為另一類，壓縮成型的最大應力要求較低，在45～55MPa之間。

　　2.2.3第三階段保壓松弛

　　保壓松弛階段，應力隨時間緩慢下降，應變已達最大值且基本不變，如圖8，6種原料壓縮后均出現應力松弛現象，參照模型（2）模擬計算模型參數見表4，模型曲線模擬較優，R2均大于0.989。

　　2.4不同種類原料能耗對比

　　單次壓縮過程，能耗模型參數見表3，能耗變化曲線如圖9所示，不同原料隨著壓縮應變的增加，能耗也在不斷增加，致密成型階段為主要能量消耗階段，不同種類原料其能耗有一定差異，能耗由高到低依次為木屑、棉稈、花生殼、豆秸、玉米秸稈和小麥秸稈，將能耗換算為壓縮單位質量的原料所需平均能耗見表5。

　　可見，木屑的壓縮能耗分別是棉桿、花生殼、豆秸、玉米秸稈、小麥秸稈的1.7、1.8、2.4、2.8和3.5倍。而成型后的顆粒燃料密度，木屑顆粒燃料分別是棉桿、花生殼、豆秸、玉米秸稈、小麥秸稈的1.05、1.06、1.17、1.20、1.23倍，試驗得出在一次壓縮進料量相同的情況下，木屑原料在模孔內的滯留時間長，單次壓縮間距為2.5mm，顆粒密度1240kg/m³，玉米秸稈原料在模孔內的滯留時間最短，單次壓縮間距為3.0mm，顆粒密度1030kg/m³。

　　可見顆粒燃料的壓縮密度高，壓縮能耗高。若要降低壓縮能耗，可采用降低進料量等方法，降低壓縮應力，壓縮后的顆粒燃料的顆粒密度也隨之減小，從而降低能耗。

　　3結論

　　生物質顆粒燃料的壓縮過程可用黏彈性本構模型描述。致密成型階段采用應力與應變本構模型描述，模型曲線擬合較好，決定系數大于0.99。保壓松弛階段采用應力與時間本構模型描述，模型曲線擬合較好，決定系數均大于0.989。

　　不同種類原料，進料量相同情況下，棉桿和木屑的最大壓縮應力較高，約為67～77MPa，其他玉米秸稈、花生殼、豆秸和小麥秸的最大應力在45～55MPa之間。生物質顆粒燃料的顆粒密度越高，能耗越高，且能耗增加越快。

　　[參 考 文 獻]

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