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2023
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05
液压压球机的进料速度和温度对杨木球团性能的影响（1）
关键词:
来源：公司内部
1. 简介
在全球范围内，人们做出了很多努力来促进可再生能源的发展，增加可再生能源在能源结构中的份额，而生物质能源一直是关于能源讨论框架政策中不可或缺的一部分。各种调查显示，生物质在生产生物燃料和生物能源方面具有巨大潜力。例如，Jekayinfa 等人估计尼日利亚生物质资源的技术能源潜力约为 2.33 EJ。根据 Long 等人的预测，到 2050 年，农业和林业残留物和废物的生物能源产量将为 76~96 EJ，能源作物最多可获得 96 EJ。Stecher 等人指出，乐观估计表明，到 2050 年，全球能源作物的潜力可能达到 1272 EJ yr-1，而森林废弃物的全球潜力可能达到 150 EJ yr-1。撒哈拉以南非洲的生物能源潜力估计为 4 EJ yr-1，而在欧洲，专用生物能源作物、农业残留物和林业残留物的潜力分别高达 12.8 EJ yr-1、3.9 EJ yr-1 和 5.4 EJ yr-1。Ojolo等人认为，如果有效利用生物能源，可以在很大程度上解决持续存在的能源短缺问题。Searle 和 Malins 预计，全球生物能源潜力的可持续利用，到 2050 年，生物燃料高达 20 EJ yr-1，电力高达 40 EJ yr-1，供暖高达 30 EJ yr-1。尽管潜力巨大，但由于生物质的效率不如化石燃料，因此尚未在能源和发电领域得到广泛应用。然而，已经确定的是，发展中国家以农业为基础的农村社区可以从生物质的热能和电力应用中受益匪浅。
将生物质转化为高效能量载体的方法有多种，分为热化学、生物化学和物理/机械转化过程。生物质的热化学转化涉及利用热量来启动和维持将生物质转化为高能产品的化学反应。热化学转化过程包括气化和热解。生物转化涉及使用微生物和酶将生物质分解成液态或气态燃料，例如：沼气、生物乙醇和生物柴油等。
生物质的物理或机械转化需要对生物质进行改性；涉及预处理活动，包括粉碎、干燥和压球。需要对生物质进行机械转化，以改善生物质的形式，例如更高的堆积密度、能量密度和疏水性。
压球技术分为低压（<5 MPa）、中压（5-100 MPa）和高压（>100 MPa）。高压技术使用的设备有螺旋压力机/挤压压块机、机械活塞压力机、液压活塞压力机、辊压机和造粒机。对一些高压压块技术进行了理论研究，了解设计参数对设备运行性能的影响。同样，对一些使用不同生物质材料的致密化技术进行了实证研究。Jekayinfa 等人利用全因子实验设计 (DOE) 来研究和模拟致密化变量对单轴压力机生产的玉米芯压块的密度和耐水性的影响。温度和粒度及其相互作用对耐水性有显着影响 (p < 0.05)，而压力、温度和颗粒大小对玉米芯压块的密度有显着影响。Orisaleye 等人使用单轴压力机，利用响应曲面法 (RSM) 来研究 Abura 锯末压块的物理特性。根据研究，温度、保持时间和压力对球团密度有显着影响 (p < 0.05)。
Cabrales等人使用实验液压机对油棕空果串的压块过程进行了研究。从研究中发现，水分含量对球团密度有很大的影响、短纤维对于高密度是第一选择、纤维长度和含水率对耐久性以及抗压强度影响很大、压块时间会影响抗压强度、压块时间和纤维长度之间相互作用、压块时间和水分含量之间相互作用。Essien 和 Oke 使用锯末、稻壳、棕榈仁壳以及粘合剂的低压压块。研究发现，材料类型是影响球团的关键因素、压实压力对球团质量影响很大。Lai等人研究了加工和储存参数对油棕榈仁壳颗粒强度的影响。据观察，颗粒的强度随着压实压力的增大而增大，但压力高于 188 MPa 时对强度影响很小、颗粒强度随着保持时间的延长而增大。
Mitchual 等人使用实验室液压机，通过施加 10 到 50 MPa 的压力，使用不同的生物质生产球团。研究表明，锯末的粒径对所生产的球团的松弛密度和抗压强度有显着影响 (p < 0.05)。研究中建立的回归模型表明，物质密度、粒径和压实压力是松弛密度和抗压强度的良好预测指标。Muntean 等人研究了原材料特性对使用液压活塞压块机生产的固体生物燃料质量的影响。据观察，初始材料的堆积密度以及温度会影响所生产的球团的质量。该研究还发现，使用粒度较小的原材料会对压球机的机械耐久性产生积极影响。
重要的是要建立一个全面的知识库，了解压块因素如何根据各种压块技术以及所处理的生物质来影响不同的产品质量参数。特别是，可控的机器变量（例如，进料速度），预计会影响压块的质量； 然而，这在文献中很少受到关注。了解进料速率和其他过程变量之间的相互作用，有助于优化压块工艺，生产出更高品质的球团。
在这项研究中，进行了一项调查，确定了液压压块机的进料速度（2.4、2.9、3.3 mm s-1）和模具温度（100、120、140 °C）对杨木生物质球团的密度、耐久性和耐水性的影响。
2. 原料和方法
2.1 球团原料纤维的生产
杨木（无性系 Max-4 Populus maximowiczii Henry × Populus nigra L.）来自德国波茨坦的莱布尼兹农业工程和生物经济研究所的短轮伐种植园。这些 4 年树龄的树木在采伐高度处的平均茎直径为 6 厘米，冬季用安装在拖拉机上的割草机削片机收获，储存并干燥至 6 月，成为堆放在室外的木屑（图 1）
图 1. (a) 使用割草削片机收割杨树 (b) 收获时产生的木屑
由于微生物活动，木屑堆会加热到大约 60 °C。温度的升高使木屑干燥至水分含量约为 30%（湿基，w.b.），以便储存。在研磨之前，木片用水进行预处理，并使用桶和滚桶机使其水分含量达到 55%。然后使用孔径20 mm的小型工业规模双螺杆挤出机（P = 90 kW，型号 MSZK B90e，Lehman Maschinenbau GmbH，Jocketa，德国），将湿木片研磨成纤维。随后用闪蒸干燥机将水分含量从大约55%降低至10%（w.b.）。在进一步加工成球团之前，纤维被收集并储存在大袋子里。根据标准 EN ISO 17827-2，使用具有不同筛网宽度的筛分塔，对从大袋中收集的纤维样品进行了四次粒度分析。纤维的堆积密度使用 EN DIN 17828 标准测试方法测定，基于 10 L 的测试体积，重复三次。纤维的水分含量使用 EN ISO 18134-2 标准中规定的烘干法测定。
2.2 液压压球机的操作
如图 2a 所示，液压动力生物质压球机（D-89231，RSN Maschinenbau GmbH/德国，功率 5 kW）在不使用粘合剂的情况下，生产杨木球团。在成型之前，用三个200-W温度传感器控制的加热垫覆盖压道，（Pt 100 温度传感器，总加热功率 600 W）将模具加热到所需温度。
图 2. (a) 用于生物质压块的液压活塞压力机；(b) 显示液压活塞压力机操作原理的示意图（尺寸以厘米为单位）。
此外，加热垫采用矿棉隔热，最大限度地减少热量损失。在模具达到所需温度后，选择所需的进料速度。进料速度由进料螺杆的转速决定，试验的进料速度在 2.4 至 3.3 mm s-1（螺杆的水平速度）范围内变化。杨木的纤维被送入机器以生产球团。进料螺杆将材料从料斗输送到垂直活塞，活塞将材料压入成型室来预压物料（图 2b）。然后，水平活塞迫使材料通过加热的模具，并在那里成型。图 3 显示了生产的球团及其尺寸的示例（直径约 6 厘米，高度约 5 厘米）。
图 3. 杨木球团的尺寸
2.3 实验设计
为了研究进料螺杆速度和温度对球团性能的影响，使用了全因子实验设计。使用三个级别的模具温度和螺杆速度。使用的模具温度为 100、120 和 140 °C。进料螺杆在控制柜中设置的5、6和7级速度下运行，对应的进料速度为 2.4、2.9 和 3.3 mm s-1。表 1 中列出了所用的温度和速度水平。表 2 中列出了用于研究的全因子实验设计。试验设计3个重复，随机选择每个试验运行的样品，对每个响应(密度、耐久性和耐水性)进行统计分析。
表 1. 用于实验设计的变量水平
| 因素 | 低水平 | 中等水平 | 高水平 |
| 温度（℃） | 100 | 120 | 140 |
| 进料速度(mm s-1) | 2.4 | 2.9 | 3.3 |
表 2. 实验的全因子设计
| 实验顺序 | 温度（℃） | 进料速度(mm s-1) |
| 1 | 100 | 2.4 |
| 2 | 100 | 2.9 |
| 3 | 100 | 3.3 |
| 4 | 120 | 2.4 |
| 5 | 120 | 2.9 |
| 6 | 120 | 3.3 |
| 7 | 140 | 2.4 |
| 8 | 140 | 2.9 |
| 9 | 140 | 3.3 |
2.4 球团密度的测定
使用精度为 0.01 g 的电子质量天平（Sartorius TE3102S, Gttingen, Germany）测量球团的质量。由于球团表面有裂纹，圆柱形球团的尺寸是用游标卡尺测量的，精度为0.1mm。这些尺寸用于确定球团的体积。所生产的球团的密度由球团的质量与体积之比确定。对球团密度的进行了三次测定。
2.5 球团耐久性的测定
使用翻滚法测定团块的耐久性。使用的翻滚机（饲料和生物燃料颗粒测试仪，Andritz Feed Technologies，Esbjerg/Denmark）如图 4 所示。将质量约为 1500 g 的球团称重并装入翻滚机中。转数设置为 150，速度为 50 rpm。在翻滚操作之后，测量整个球团的质量，确定由于磨损造成的质量损失。机械耐久性 (MD) 由翻滚后整个球团的质量与球团的初始质量的比率确定，如等式 (1) 所示。对球团的耐久性进行了三次测定。
图 4. 用于耐久性测试的翻滚机
MD：机械耐久性[%]； mu: 未磨损/完整球团的质量 [g]； mi：球团的初始质量 [g]
2.6 球团耐水性的测定
使用 Orisaleye 等人、Birwatkar 等人、Sengar 等人 和 Saha 等人采用的方法确定球团的耐水性。在室温下将球团的各个样品完全浸入水中 120 秒，使用电子质量天平对其进行称重，确定浸入后每个团块的质量。使用等式（2）从浸入水中后团块的质量变化百分比确定吸水率。对球团的耐水性进行了三次测定
WR：耐水性[%]； mw：湿球团的质量[g]； mi：球团的初始质量 [g]
2.7 统计分析
多次实验后获得了数据，可以对密度、耐久性和耐水性指标进行方差分析。显著性水平为5%。测定了对密度、耐久性和耐水性具有统计显著性的参数。使用Minitab 19软件进行统计分析。
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