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宿迁基于正交设计的 复合生物质能源颗粒实验研究

来源: 发布时间:2019-02-27 5296 次浏览

  摘要:以玉米秸秆和水稻稻壳为原料,采用正交设计的 实验方法(method),研究不同的 配比、不同的 成型温度、不同的 成型压力对复合生物质能源颗粒的 影响,综合评定复合生物质能源颗粒的 灰熔融性、焦渣特性、成型密度和外观品质。实验结果表明:75﹪玉米秸秆和25﹪水稻稻壳的 配比,在32MPa的 成型压力、180℃的 成型温度条件下压缩成型的 复合生物质能源颗粒的 综合性能(xìng néng)更佳。
  生物质作为一种可再生的 清洁能源,具有能源替代、环境保护和促进农村经济发展三重功能,引起了国内外的 广泛关注[1-3]。我国农作物秸秆年产量约6亿吨,除部分作为造纸原料和饲料外,大约3亿吨可作为燃料使用(use),折合约1.5亿吨标准煤[4-5]。由于生物质资源分散、形态各异、结构疏松、空间大、能量密度小、直接燃烧的 热效率低、经济效益较差而成为规模化利用的 主要瓶颈。颗粒成型技术就是将松散的 、无定形的 生物质原料压缩成有一定性状和密度较大的 燃料,不仅提高了单位体积(volume)燃料的 热值、便于运输、储存,还具有流动性,可实现燃烧过程自动化供料,改变传统的 生物质的 利用方式,成为生物质能源利用的 一种有效途径。发达的 技术与产品多用在木质生物质的 处理(processing),国内这方面起步较晚,且主要研究单一生物质的 成型技术[6-7]。单质成分的 生物质能源颗粒,在燃烧过程中存在各自的 特性,有的 灰熔融性不好,结焦渣(如玉米秸秆颗粒);有的 灰分大,热值偏低(如水稻稻壳颗粒)等。为了改善生物质能源颗粒的 燃烧特性和焦渣特性,本文进行了复合生物质能源颗粒实验研究[8]。
  1实验设计
  生物质中都含有一定数量的 木质素,例如玉米秸秆中的 木质素含量15﹪左右。生物质颗粒燃料生物质颗粒的直径一般为6~8毫米,长度为其直径的4~5倍,破碎率小于1.5%~2.0%,干基含水量小于10%~15%,灰分含量小于1.5%,硫含量和氯含量均小于0.07%,氮含量小于0.5%。木质素是由苯基丙烷单元构成的 三维空间(Space)聚合物,非晶体,无熔点,但有软化点。当温度为70~110℃时,变软而具有黏性;当温度达到200~300℃时,呈熔融状,黏性较高[9-10]。压力和温度是生物质热压成型(Forming)中两个重要的 影响因素。
  本实验的 研究目标是以玉米秸秆和水稻稻壳为原料,在不同配比、不同成型温度、不同成型压力下成型的 复合生物质能源颗粒(以下简称燃料)的 成型品质。生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。用专家打分的 形式综合评定燃料的 灰熔融性、焦渣特性、热值和成型密度及外观的 实验效应值。评价方法:(1)用灰熔融测定仪测定压缩成型的 燃料的 软化温度Ts值,Ts≥1000~1500℃,打分为0~30;(2)灰熔融测定仪中燃料温度达到1200℃时将其取出,评定焦渣特性,黏结序数1~7,打分为30~0;(3)用热值测定仪测定燃料的 低位发热量,低位热值Qd,ad=13~20kJ/g,打分为20~60;(4)用电子天平和卡尺测量(cè liáng)颗粒的 质量密度,观察颗粒外观的 光洁度,有无焦糊和焦糊的 程度,打分在10~30之间。综合分值越高越好。实验为三因素、三水平,选用正交表L9(34)。因素、水平取值见表1。
  2实验装置
  本热压成型机是自行设计的 ,由成型机构、压缩(compression)机构和加热机构组成,实物如1所示。
  成型机构由套筒、底座及柱塞组成,机械加工(Processing)均达到精度要求,保证压缩(compression)成型的 严密性。生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。压缩机构由液压设备、压力表及支架组成。成型机构卡在液压设备与支架之间,对其定位,通过杠杆对液压设备给成型机构加压,使原料成型,压力表测得成型压力。加热机构是在成型模具的 外表面上套上2个38mm×40mm的 环形加热套,对模具外表面均匀加热,热量通过模具壁面传递给内部的 生物质使其均匀受热。温度控制(control)主要是用AI-518P型人工智能(intelligence)(计算机科学的一个分支)温度控制器,通过继电控制系统实现。测温系统由TESTO454多参数(parameter)多功能测试仪和镍铬-镍硅热电偶组成。通过测量模具内部各点温度分布,可计算出生物质内部的 温度。
  成型机主要技术参数:压力范围:0~52MPa;温度范围:>室温;成型颗粒尺寸:φ10mm×(10~30)mm;粒度范围:0~10mm。
  测试灰熔融性和焦渣特性(characteristic])的 仪器是长沙三德实业有限企业的 SDAF-2000d灰熔融性自动测试仪。测热值仪器是长沙三德实业有限企业制造的 SDACM-3000精英自动量热仪。密度测量采用上海梅特勒企业的 PL2002电子天平和0~200mm游标卡尺。
  3实验结果与分析(Analyse)
  按正交表L9(34)设计9种实验方案,随机抽取实验序号,分别进行9次实验,将实验结果填入实验表,用正交试验方法计算、分析实验结果[11-12]。
  热值测定(gage)结果是:80%秸秆和20%稻壳配比的 热值为15772kJ/kg;75%秸秆和25%稻壳配比的 热值为15644kJ/kg;70%秸秆和30%稻壳配比的 热值为15517kJ/kg;因3种配比的 热值相近,评定分值差别很小,对目标函数的 影响很小,因此该项可以不做评定成分。
  实验数据见表2,分析结论见表3[13]。
  实验结果是F(2,3,2)更佳,综合分值75,因素F1的 极差值更大是23.4。经计算得因素F1、F2和F3的 更优水平分别为F(2,2,2)和F(2,3,2)。F(2,2,2)的 预测值为F(2,2,2)=F0+F21+F22+F23=58.3+8.4+3.4+3.4=73.5与F(2,3,2)的 实验分值仅差1.5,但成型所消耗的 功率却降低很多。F(2,2,2)组合的 验证实验表明,结果与预测相符。
  4结论
  实验结果表明:复合生物质的 配比对燃料的 性能影响更大,主要体现在提高燃料的 软化温度和抗结渣性;成型压力和成型温度的 影响力基本相当,成型压力和成型温度的 增加都能够提高成型密度,提高成型品质。但是,成型压力高于32MPa后,压力增高对提高成型品质贡献不显著,而消耗功率大大增加,不经济。
  成型温度达到200℃后,颗粒表面出现焦糊,燃料的 挥发份析出,压缩过程易出现放炮现象。综合分析实验(experiment)结果认为,75﹪玉米秸秆和25﹪水稻稻壳的 配比,在32MPa的 成型压力(pressure)、180℃的 成型温度条件下压缩成型的 复合生物质能源颗粒的 综合性能更佳。
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