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秸秆固化成型工艺对成型块品质的影响 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 13-11-02

0、引言
    生物质能以资源丰富、生态环境友好的优点,已成为能源和环境领域研究的新热点。
    在生物质压缩成型技术的研究方面,国内外研究人员已经做了许多工作。研究主要集中在成型机具的研制、成型原理的研究、成型工艺的改进等方面。目前国内对生物质压缩成型的研究,主要集中在生物质压缩过程的压缩特性、机械特性、流变特性和成型工艺等方面的试验研究和理论探讨,对成型块力学性能的评价在国内还没有统一的标准,早期的评价方法是碾压,摔碎等,误差较大,重复性与可比性较低。本试验在调研国外标准的基础上,提出采用万能材料试验机,考察不同压力、加热温度及含水率条件下,成型块的径向、轴向峰值压力及位移等指标,得出成型效果好的工艺参数范围,为生物质成型块力学性能评价标准和成型块的工业化生产提供理论依据。
    富通新能源生产销售秸秆颗粒机秸秆压块机等农作物固化成型机械设备。600型秸秆压块机1、试验条件与方法
1.1试验条件
    本试验用原料为当年收获的玉米秸秆,经揉切粉碎使其粒度达到5~8 mm。主要的设备包括:MFKP66X45型粉碎机(江苏牧羊集团有限企业)、101A -2型干燥箱(上海市试验仪器总厂)、AWH -3型电子天平(感量0.1)、KSW -4 - 11型温度控制箱(北京电炉厂)、自制压缩装置(图1)、PT - 5LD型手持式红外线测温仪(日本OPTEX企业)、INSTRON - 4411型万能材料试验机(英国INSTRON企业)、xww - 20型万能材料试验机(承德金建检测仪器有限企业)、瓷坩埚、游标卡尺等。
1.2试验方法
1.2.1  不同含水率原料的制备
    不同含水率物料的制取方法为:烘干玉米秸秆物料,去除物料中的游离水,使其达到绝干状态,烘干温度为1200C,烘干时间12 h。将烘干物料冷却至室温,密封保存备用。根据所需含水率计算需要喷洒的水量。称取一定质量的绝干物料,将由含水率计算得到的所需添加水量均匀地喷洒在干物料上,并用密封袋密封保存一周,使袋中物料的含水率均一。本次试验所需含水率分别取5%、8%、12%、16%、20%。
1.2.2  成型块的制备工艺过程
    称取不同含水率的物料50 g,将其填充于自制成型套筒中,压头向下运动开始加压,当压力达到预定值时停止,保压30 s,减压卸载得到450 mm成型块。在考察温度对于成型块性能的影响试验中,利用温度控制箱、热电偶控制成型筒腔内温度,并在压制前用手持式红外线测温仪测量腔内物料温度。当物料温度与腔内温度达到一致时,压制成型块。玉米秸秆固化成型的工艺流程如图2所示。
1.2.3性能指标的测试方法
    (l)松弛密度  不同成型压力条件下制成的成型块,静置7d后用游标卡尺测量其直径和厚度,根据密度的计算公式,计算出成型块的松弛密度。
    (2)抗变形性抗变形性表现在轴向或径向承载时成型块所具有的承受能力,具体表现为响应方向上的抗变形性压力、位移、应力和应变。径向抗变形性3个指标分别为峰值压力即成型块与万能材料试验机为线接触,测定其径向在连续加载受压情况下破裂的最大压力;径向位移为成型块抗压破裂所发生的位移变形;名义应力为成型块受压过程中的平均应力与试块厚度的比值。轴向抗变形性的指标为轴向位移,试验中成型块与万能材料试验机为点接触,测定其在加载受压且最大压力为4.5 kN时变形的位移。
    (3)抗渗水性  将成型块置于20℃的水浴锅中,60 8后取出称重,计算吸取的水量,吸水量与原样品质量之比,即能反应成型块的抗渗水性。
2、结果与分析
2.1成型压力对成型块性能的影响
    试验条件:温度25℃,物料含水率为8%左右,
考察成型压力为10 ̄120 MPa内间隔10 MPa的11个
压力值下成型块的性能特点,结果如图3所示。
    图3a为不同成型压力下成型块的松弛密度曲线,随着成型压力的增大,成型块的松弛密度提高,当压力大于60 MPa时,松弛密度增大的趋势明显减缓。图3b一3e为不同成型压力下成型块的抗变形性曲线,随着成型压力的增大,成型块的变形抗力增大,变形位移减小及抗变形能力提高,在大于60 MPa时,抗变形性的增高逐渐趋于平缓。图3f为不同成型压力下成型块的抗渗水性曲线,整体上而言,渗水率随着成型压力的增大而减小。这是由于外部压力使成型块内部颗粒之间结合紧密,在垂直于最大主应力的方向上,粒子向四周延展,粒子间以相互啮合的形式结合;在沿着最大主应力的方向上,粒子变薄,成为薄片状,粒子层之间以相互贴合的形式结合。随着成型压力的增大,成型块物质的结合力增大,结合强度提高,致密度大。由于农业物料的分散性大,有的物料含有土等杂质,在渗水试验中有掉渣的现象,图中出现的某几个点数据偏离的情况是正常的。同时,考虑成型压力过大对设备的要求相应提高,而对提高成型块性能不明显,易造成能源浪费。综上所述,选取成型压力为60—90 MPa较为经济适宜。
2.2温度对成型效果的影响
    物料含水率为8%左右,考察加热温度为25、50、75、110及140℃,成型压力为50、70、90、110MPa时成型块的性能,结果如图4所示。
    图4a为不同温度及压力条件下的松弛密度曲线,随着加热温度的提高,成型块的松弛密度总体呈提高的趋势,但当温度高于75℃时松弛密度增加减缓;当压力为110 MPa时,高温下成型块的松弛密度有所下降,这是由于高温高压下物料表面的炭化结果;在同一温度下,成型压力越大松弛密度越大。图4b、4c为不同温度及压力条件下的抗变形性曲线,随着加热温度的提高,成型块的轴向位移减小,在大于75℃时变化趋势渐缓;成型块的径向峰值压力先增加后略有减小,同一温度下,随着成型压力的增大,成型块的抗变形性能提高。图4d为不同温度及压力条件下的抗渗水性曲线,随着温度的提高,成型块的抗渗水性下降;同一温度下,随着成型压力的增大,成型块的抗渗水性下降。上述现象主要是由于加热使原料的木质素软化,起到粘结剂的作用,另一方面使原料本身变软,变得容易压缩。同时,75℃达到了物料玻璃化转变温度,增强木质素等物质的活性,使成型块具有更好的耐久性。在加热温度较高时,考虑物料与成型筒内壁摩擦产生热能,使成型块局部温度升高,尤其对成型块径向抗变形性有一定影响,故选取成型温度在75~100℃左右较适宜。
2.3含水率对成型效果的影响
    在成型压力为70MPa,温度为25℃时,考察物料含水率分别为5%、8%、12%、16%、20%时成型块的性能,结果如表1所示。可以看出,含水率在8%~12%时,成型块的性能指标较好,相反,偏大或偏小的含水率使成型块的性能下降。这是因为含水率过低,物料不能很好结合,不利于木质素的塑化和热量的传递;而含水率过高,则使物料间的结合趋于松散、缝隙变大,导致成型块易吸水解离,同时挤压过程中物料的水分受热蒸发,大量的水汽通过成型筒迅速排放,使物料难以成型。
3、结束语
    本文引入轴向位移、径向峰值位移、峰值压力和名义应力等概念衡量成型块的力学性能是可行的。综合考虑成型压力、温度及含水率对成型块物理品质力学特性的影响,选取成型压力为60~90 MPa,加热温度为75~100℃,物料含水率在8%~l2%之间的工艺条件,制成的成型块可以满足使用、储运要求,达到节能的目的,为生物质固化成型的工业化生产提供参考依据。

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