国槐、海棠和向日葵农林废弃物热压成型工艺优化

张颖男，张 静，郑德聪，吴 锴，张秀全，杨 瑞

(山西农业大学工学院，山西 太谷030801)

0 引言

近年来，能源问题一直受到广大关注。化石燃料不可再生，生物质能源成本低、数量庞大、可循环再生且燃烧产物中氮氧化物和硫氧化物等环境污染物相对较少，可有效缓解大气污染问题[1]。开发利用生物质能源来代替或减少化石能源的消耗是一条可行之路[2]。林木废弃物作为一种可再生清洁能源，来源广泛，但本身体积大、密度低、占地面积大，相对运输困难，若加工成体积小密度大的生物质燃料，则可变废为宝[3-5]。

目前，国内外学者对柠条、玉米秸秆和杉木等农林废弃物固体燃料的压缩成型进行大量的研究，但仍有大量的生物质资源有待开发利用[6-9]。该文以山西省2018年秋季收获的国槐、海棠园林修剪废弃物和向日葵秸秆为原料，研究颗粒度、含水率、温度和压力对3种物料热压成型的影响规律，采用Taguchi法对其成型工艺参数进行优化分析，为农林废弃物能源化利用提供基础数据。

1 材料和方法

1.1试验设备

试验所用仪器设备主要包括数显立式油压千斤顶(测力范围0～200 kN)，加热设备(由陶瓷加热圈和温控箱组成，温控箱精度为0.1 ℃)，以及9F 50-50型粉碎机。其他试验器材包括DL91150型游标卡尺(量程0～150 mm，分度值0.01 mm)，SY101-2型鼓风干燥箱(分度值1 ℃)，以及CP1502型分析天平(分度值0.01 g)。

1.2试验方法

将国槐、海棠和向日葵秸秆物料在粉碎机中粉碎，用不同粒径筛孔的筛子进行筛分，分别得到0～0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2.50和2.50～5.00 mm 5个粒径范围的粉末。将物料粉末放置入鼓风干燥箱中，在105 ℃的环境下放置72 h使其充分干燥。根据试验需要，将适量水均匀喷于原料中搅拌均匀，以获得不同含水率的原料。

1.3成型试验

试验采用内径为40 mm的不锈钢单轴圆柱形的压缩模具，如图1所示，成型过程不加任何添加剂[10]。在套筒外加置陶瓷加热套筒，以控制不同成型温度。先将一定量物料放置于套筒内，并打开加热套筒，用温度探头测量到达指定温度后，用油压千斤顶进行施压，到达设定压力后进行3 min的保压操作，之后对模具施压将成型压块挤出。然后将成型压块放置于密封良好的密封袋中进行保存。

1.4Taguchi法

Taguchi法由日本学者田口玄一提出，是一种通过少数试验便能指出最佳化趋势的试验方法[11]。

该方法用SN(信噪比)来衡量物料块品质特性，有望大特性(其品质特性越大效果越好)、望小特性(其品质特性越小效果越好)和望目特性(品质特征值是一定值)3种类型计算[12]。对于生物质固体燃料而言，密度越大越能保证其运输、储藏与燃烧的品质，故采用望大特性，其LTB(SN)如式(1)计算。

(1)

式中yi——第i个品质特性(压块密度)

n——试验的重复次数

比效应值(M)水平=i因素=I，即I因素水平SN(信噪比)的平均值如式(2)计算。

(2)

式中nIi——因素I在水平i中出现的总次数

j——信噪比的出现顺序

各因素对成型效果(压块密度)的贡献率，运用SAS对正交试验结果进行方差分析，可得出各因素对密度的贡献率，如式(3)所示[11]。

(3)

式中ρF——贡献率， %

F——不同因素

SSF——总平方和

DOFF——各因素自由度

VEr——误差方差

1.5试验设计

试验研究颗粒度、含水率、成型温度和压力4因素对国槐、海棠园林废弃物和向日葵秸秆固体燃料的影响，各变量选取3个水平，按照正交表共进行9组试验。由于密度是衡量生物质固体燃料物理特性的常规测量值，反应了固体燃料品质的优劣，研究仅以密度作为固体燃料物理性能指标[13]。

固体燃料压块为规则圆柱形且颗粒分布均匀，故其密度的计算采用质量体积公式，如式(4)所示。每个样品均测量3次取平均值。

(4)

式中De——压块密度，gcm3

d——压块直径，cm

l——厚度，cm

M——压块质量，g

2 结果与分析

2.1单因素试验分析

试验研究颗粒度、含水率、成型温度和压力因素对国槐、海棠和向日葵秸秆物料固体燃料密度的影响规律。国槐、海棠以颗粒度0.63～1.25 mm、含水率6%、温度90 ℃和压力90 MPa为条件，向日葵以颗粒度0.63～1.25 mm、含水率10%、温度150 ℃和压力90 MPa为固定条件，分别以颗粒度、含水率、温度和压力4因素为变量，其他3个因素不变，观察密度变化情况，试验结果如图2～5所示。

图2为颗粒度对密度的影响，观察图2可以得出，随着颗粒度的增大，密度大致呈下降趋势，颗粒度过小能耗增大且不宜成型，故物料最佳颗粒度的范围为0.16～2.50 mm[14]。

图3为含水率对密度的影响，观察图3可以得出，含水率过高或过低成型效果不佳，故国槐、海棠含水率在4%～8%，向日葵含水率在4%～10%，密度较高且相对稳定[15]。

图4为温度对密度的影响，观察图4可以得出，在达到碳化温度之前，密度随温度的升高逐渐增大，结合能耗考虑，国槐、向日葵最佳成型温度为70～130 ℃，海棠最佳成型温度为90～130 ℃[7]。

图5为压力对密度的影响，观察图5可以得出，国槐、海棠成型密度随压力的升高逐渐增大，最佳成型压力为70～110 MPa，向日葵成型密度和压力呈倒U曲线，故其最佳成型压力为50～110 MPa[16]。

2.2Taguchi法优化

根据单因素试验结果，取各因素中密度最优参数，进行Taguchi法优化，结果如表1所示。

2.2.1最优条件

表1为国槐、海棠和向日葵正交试验结果及信噪比，颗粒度、含水率、成型温度和压力4因素均根据单因素试验结果选取3个密度最佳水平，表中的Y1、Y2和Y3均为在密度均值上下选取，且与密度均值最为接近的3个数据，之后运用式(1)计算出信噪比。图6为国槐、海棠和向日葵正交试验成型压块，编号与表1中物料序号一一对应，1、2和3压块颗粒度相同为0.16～0.63 mm，4、5和6压块为0.63～1.25 mm，7、8和9压块为1.25～2.50 mm，观察可得，成型效果与信噪比基本一致，7、8和9压块相比1～6压块平整，大粒径通过机械互锁使其粘结程度更高。国槐、海棠的3、6和9压块出现轻微裂缝，是由于选取含水率略高所致；国槐、海棠和向日葵的1、5和9压块成型效果不佳，是由于成型压力70和60 MPa过低造成的，高压可以使物料中粘结成分从粒子中挤出，且大小粒子相互交错，成型效果越好。国槐、海棠的3、5和8压块及向日葵的2、4和9压块成型效果良好，其成型温度为130 ℃和140 ℃，高温使物料中木质素等天然粘合物分子运动加剧，粘合效果更好。观察表1可得，国槐的9组试验中，第7组的信噪比最大，为1.00；海棠的9组试验中，第7组的信噪比最大，为0.84；向日葵的9组试验中，第4组的信噪比最大，为0.32。

表2所示为国槐、海棠和向日葵比效应值，其中的A、B、C和D分别表示颗粒度、含水率、温度和压力，由表2可得出国槐4个因素在3种水平下SN比效应最大值分别为0.33(颗粒度0.63～1.25 mm)、0.66(含水率5%)、0.43(温度130 ℃)和0.51(压力100 MPa)，并以此组合进行验证试验，所得结果的信噪比为1.23，大于第7组的信噪比1.00。海棠的比效应最大值分别为0.18(颗粒度0.63～1.25 mm)、0.37(含水率5%)、-0.01(温度130 ℃)和0.15(压力100 MPa)，并以此组合进行验证试验，所得结果的信噪比为0.91，大于第7组的信噪比0.84。向日葵比效应最大值分别为-0.54(颗粒度0.16～0.63 mm)、0.02(含水率6%)、-0.30(温度140 ℃)和-0.11(压力120 MPa)，并以此组合进行验证试验，所得结果的信噪比为0.87，大于第4组的信噪比0.32。由此得出国槐、海棠固体燃料成型的最优条件：颗粒度0.63～1.25 mm，含水率5%，温度130 ℃，压力100 MPa；向日葵固体燃料成型的最优条件：颗粒度0.16～0.63 mm，含水率6%，温度140 ℃，压力120 MPa。

2.2.2各因素百分比贡献率

对各因素水平下的试验数据借助SAS软件进行方差分析，得出各因素对成型效果即密度大小的贡献率，结果如表3所示。

表中A、B、C和D分别表示颗粒度、含水率、温度和压力，分析方差结果可知：除颗粒度对国槐固体燃料密度不显著外(可能是试验误差所致)，其余因素对国槐、海棠和向日葵固体成型密度均有极显著影响。观察各因素对成型效果即密度大小的贡献率，可知含水率对国槐、海棠和向日葵固体成型密度的贡献率分别为69.06%、69.15%和53.72%，远高于其他因素的贡献率；压力(18.42%、11.99%和33.27%)次之；国槐、向日葵温度(7.54%、9.47%)较颗粒度(0.67%、2.01%)贡献率高，海棠温度(2.67%)较颗粒度(12.13%)贡献率低；误差对国槐、海棠和向日葵固体成型密度的影响较小，为4.31%、4.06%和1.53%。

表2 比效应值

表3 方差分析

3 结论

对国槐、海棠园林废弃物和向日葵秸秆固体燃料的热压成型工艺进行研究，分析颗粒度、含水率、温度和压力对成型效果的影响，结论如下。

(1)国槐原料在含水率为4%～8%，温度70～130 ℃，压力为90～110 MPa，颗粒度0.16～1.25 mm的条件下成型密度可达到1.0 gcm3以上，成型效果较好。海棠原料在含水率4%～8%，温度90～130 ℃，压力90～110 MPa，颗粒度0.16～2.50 mm的条件下成型密度均在0.977 gcm3之上，成型效果良好。向日葵原料在含水率4%～10%，温度90～150 ℃，压力70～110 MPa，颗粒度0.16～1.25 mm的条件下成型密度较高且稳定。

(2)国槐、海棠固体燃料成型的最优条件：颗粒度0.63～1.25 mm，含水率5%，温度130 ℃，压力100 MPa，密度达到最高值1.153和1.111 gcm3。向日葵固体燃料成型的最优条件：颗粒度0.16～0.63 mm，含水率6%，温度140 ℃，压力120 MPa，密度达到最高值1.108 gcm3。在各自最优条件下，国槐压块密度高于海棠和向日葵压块密度，向日葵压块密度最低。根据方差分析，国槐、海棠和向日葵物料的颗粒度、含水率、温度和压力对固体燃料的成型均有显著效果，且各因素对成型效果的影响率，含水率对国槐、海棠和向日葵固体成型密度的贡献率分别为69.06%、69.15%和53.72%，远高于其他因素的贡献率；压力(18.42%、11.99%和33.27%)次之；国槐、向日葵温度(7.54%、9.47%)较颗粒度(0.67%、2.01%)贡献率高，海棠温度(2.67%)较颗粒度(12.13%)贡献率低。