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基于正交設計的復合生物質顆粒燃料實驗研究

鉅大LARGE  |  點擊量:911次  |  2019年10月25日  

趙曉文1,矯振偉1,王瀚平1,趙武子2


(1.吉林大學熱能工程系,吉林長春130022;2.中國人民解放軍93279特種,吉林丹東118000)


摘要:以玉米秸稈和水稻稻殼為原料,采用正交設計的實驗方法,研究不同的配比、不同的成型溫度、不同的成型壓力對復合生物質顆粒燃料的影響,綜合評定復合生物質顆粒燃料的灰熔融性、焦渣特性、成型密度和外觀品質。實驗結果表明:75﹪玉米秸稈和25﹪水稻稻殼的配比,在32MPa的成型壓力、180℃的成型溫度條件下壓縮成型的復合生物質顆粒燃料的綜合性能最佳。


生物質作為一種可再生的清潔能源,具有能源替代、環境保護和促進農村經濟發展三重功能,引起了國內外的廣泛關注[1-3]。我國農作物秸稈年產量約6億噸,除部分作為造紙原料和飼料外,大約3億噸可作為燃料使用,折合約1.5億噸標準煤[4-5]。由于生物質資源分散、形態各異、結構疏松、空間大、能量密度小、直接燃燒的熱效率低、經濟效益較差而成為規模化利用的主要瓶頸。顆粒成型技術就是將松散的、無定形的生物質原料壓縮成有一定性狀和密度較大的燃料,不僅提高了單位體積燃料的熱值、便于運輸、儲存,還具有流動性,可實現燃燒過程自動化供料,改變傳統的生物質的利用方式,成為生物質能源利用的一種有效途徑。發達國家的技術與產品多用在木質生物質的處理,國內這方面起步較晚,且主要研究單一生物質的成型技術[6-7]。單質成分的生物質顆粒燃料,在燃燒過程中存在各自的特性,有的灰熔融性不好,結焦渣(如玉米秸稈顆粒);有的灰分大,熱值偏低(如水稻稻殼顆粒)等。為了改善生物質顆粒燃料的燃燒特性和焦渣特性,本文進行了復合生物質顆粒燃料實驗研究[8]。


1實驗設計


生物質中都含有一定數量的木質素,例如玉米秸稈中的木質素含量15﹪左右。木質素是由苯基丙烷單元構成的三維空間聚合物,非晶體,無熔點,但有軟化點。當溫度為70~110℃時,變軟而具有黏性;當溫度達到200~300℃時,呈熔融狀,黏性較高[9-10]。壓力和溫度是生物質熱壓成型中兩個重要的影響因素。


本實驗的研究目標是以玉米秸稈和水稻稻殼為原料,在不同配比、不同成型溫度、不同成型壓力下成型的復合生物質顆粒燃料(以下簡稱燃料)的成型品質。用專家打分的形式綜合評定燃料的灰熔融性、焦渣特性、熱值和成型密度及外觀的實驗效應值。評價方法:(1)用灰熔融測定儀測定壓縮成型的燃料的軟化溫度Ts值,Ts≥1000~1500℃,打分為0~30;(2)灰熔融測定儀中燃料溫度達到1200℃時將其取出,評定焦渣特性,黏結序數1~7,打分為30~0;(3)用熱值測定儀測定燃料的低位發熱量,低位熱值Qd,ad=13~20kJ/g,打分為20~60;(4)用電子天平和卡尺測量顆粒的質量密度,觀察顆粒外觀的光潔度,有無焦糊和焦糊的程度,打分在10~30之間。綜合分值越高越好。實驗為三因素、三水平,選用正交表L9(34)。因素、水平取值見表1。


2實驗裝置


本熱壓成型機是自行設計的,由成型機構、壓縮機構和加熱機構組成,實物如圖1所示。


成型機構由套筒、底座及柱塞組成,機械加工均達到精度要求,保證壓縮成型的嚴密性。壓縮機構由液壓設備、壓力表及支架組成。成型機構卡在液壓設備與支架之間,對其定位,通過杠桿對液壓設備給成型機構加壓,使原料成型,壓力表測得成型壓力。加熱機構是在成型模具的外表面上套上2個38mm×40mm的環形加熱套,對模具外表面均勻加熱,熱量通過模具壁面傳遞給內部的生物質使其均勻受熱。溫度控制主要是用AI-518P型人工智能溫度控制器,通過繼電控制系統實現。測溫系統由TESTO454多參數多功能測試儀和鎳鉻-鎳硅熱電偶組成。通過測量模具內部各點溫度分布,可計算出生物質內部的溫度。


成型機主要技術參數:壓力范圍:0~52MPa;溫度范圍:>室溫;成型顆粒尺寸:φ10mm×(10~30)mm;粒度范圍:0~10mm。


測試灰熔融性和焦渣特性的儀器是長沙三德實業有限公司的SDAF-2000d灰熔融性自動測試儀。測熱值儀器是長沙三德實業有限公司制造的SDACM-3000精英自動量熱儀。密度測量采用上海梅特勒公司的PL2002電子天平和0~200mm游標卡尺。


3實驗結果與分析


按正交表L9(34)設計9種實驗方案,隨機抽取實驗序號,分別進行9次實驗,將實驗結果填入實驗表,用正交試驗方法計算、分析實驗結果[11-12]。


熱值測定結果是:80%秸稈和20%稻殼配比的熱值為15772kJ/kg;75%秸稈和25%稻殼配比的熱值為15644kJ/kg;70%秸稈和30%稻殼配比的熱值為15517kJ/kg;因3種配比的熱值相近,評定分值差別很小,對目標函數的影響很小,因此該項可以不做評定成分。


實驗數據見表2,分析結論見表3[13]。


實驗結果是F(2,3,2)最佳,綜合分值75,因素F1的極差值最大是23.4。經計算得因素F1、F2和F3的最優水平分別為F(2,2,2)和F(2,3,2)。F(2,2,2)的預測值為F(2,2,2)=F0+F21+F22+F23=58.3+8.4+3.4+3.4=73.5與F(2,3,2)的實驗分值僅差1.5,但成型所消耗的功率卻降低很多。F(2,2,2)組合的驗證實驗表明,結果與預測相符。


4結論


實驗結果表明:復合生物質的配比對燃料的性能影響最大,主要體現在提高燃料的軟化溫度和抗結渣性;成型壓力和成型溫度的影響力基本相當,成型壓力和成型溫度的增加都能夠提高成型密度,提高成型品質。但是,成型壓力高于32MPa后,壓力增高對提高成型品質貢獻不顯著,而消耗功率大大增加,不經濟。


成型溫度達到200℃后,顆粒表面出現焦糊,燃料的揮發份析出,壓縮過程易出現放炮現象。綜合分析實驗結果認為,75﹪玉米秸稈和25﹪水稻稻殼的配比,在32MPa的成型壓力、180℃的成型溫度條件下壓縮成型的復合生物質顆粒燃料的綜合性能最佳。


參考文獻


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[4]中華人民共和國國家發展和改革委員會.可再生能源中長期發展規劃[R].2007.


[5]劉春生.小型生物質氣化系統的設計與性能實驗研究[D].江蘇:江蘇大學,2008.


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[11]張成軍.實驗設計與數據處理[M].北京:化學工業出版社,2009.


[12]任露泉.試驗設計及其優化[M].北京:科學出版社,2009.


[13]趙武子.生物質混合顆粒燃料熱工特性研究[D].吉林:吉林大學,2010.


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