烟秆粒度和喂入量对其压缩成型影响的试验研究

孟 辉，张富贵

(1.贵州大学现代制造技术教育部重点实验室，贵州贵阳550025；2.贵州大学机械工程学院，贵州贵阳550025)

我国拥有丰富的农作物秸秆资源，据不完全统计，目前全国秸秆每年产量9亿多吨，综合利用率82%以上，秸秆利用方式多种多样，基本形成了肥料化利用为主，饲料化、燃料化稳步推进，基料化、原料化为辅的综合利用格局[1]。在自然状态下，农作物秸秆较为松散且容积密度小，在存储和运输过程中需占用较大空间，造成秸秆储运成本增加。工程上通常采用压缩的方式来解决，通过查阅秸秆压缩的相关文献，发现当采用压缩设备对秸秆压缩处理时，压缩块的产品特性是受粒度大小、喂入量、压力、含水率、振动以及压缩速度等多种因素的影响[2-7]，同时也发现，国内外许多学者虽然已对牧草、小麦、玉米、棉秆等秸秆类物料压缩过程做了大量的研究且取得了一定的成果，但基于烟秆颗粒的物料压缩过程的试验研究尚未出现[2，3，5，8，9]。 因此，烟秆颗粒在压缩成型时势必也存在着对不同影响因素参数权重的量化需求。

烟秆作为秸秆资源的一种，较其它秸秆资源，它的木质化程度较高，是一种半木本化的非木材植物纤维原料，其化学成分、纤维形态和生物结构介于阔叶材和禾本科原料之间[10，11]。其次，随着对烟秆综合利用研究的不断深入，发现烟秆在制取有机肥、制取活性炭、制取纤维板、制备生物燃料(如乙醇)、提取化合物、造纸、制造可降解育苗盘等方面展现出较大的应用前景，这样不仅能够实现烟秆生物质的高效综合利用与高值化转化，同时还可以增加烟农的经济收入和减少环境污染，优化区域生态结构[12-14]。然而，储运作为烟秆综合利用的关键一步，与多种因素有关，压缩块的物理特性是影响储运的主要因素之一。

基于此，本文针对烟秆颗粒在不同粒度大小和喂入量下进行压缩试验研究，探究分析影响烟秆颗粒压缩成型及成型块品质的因素，以便为烟秆颗粒压缩成型设备的设计提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验烟秆采自贵州省毕节市威宁县烟草植烟地，经自然风干后，含水率在30%以下。然后，经粉碎机粉碎后，用不同规格的筛网将烟秆颗粒筛分成3种等级，其粒度大小分别为0～10 mm(细粒)、10～20 mm(中粒)和20～30 mm(粗粒)，并分别密封于塑料袋内置于阴凉处以备试验使用。

1.2 试验因素及水平的选择

根据粉碎烟秆颗粒的特点，影响其压缩成型的主要因素有:粒度大小、喂入量、含水率、压力以及压缩速度等。在本试验中，根据对相关文献中影响压缩成型因素的统计分析以及试验设备的局限性，优选粒度大小和喂入量作为试验因素，具体参数如表1。

表1 试验因素及水平Tab.1 The test factors and levels

1.3 试验装置

本试验采用郑州鑫和机械制造有限公司生产的DLB-100型硫化机(如图1所示)，工作台面积大小为600 mm×600 mm，柱塞直径300 mm，柱塞行程500 mm，工作压力100 T；压力表采用宜兴市双华仪表有限公司生产的电接点压力表，该压力表可通过红色指针调节上限压力大小；计时器采用欣灵电气股份公司生产的HHS11(JS11S)型数显时间继电器，可用于设置保压时间。

图1 试验设备Fig.1 The experiment equipment

试验采用自行设计的钢制方形模具，主要包括模具成型腔和压缩推板两部分，通过查找已有文献[15]和结合目前已有压缩打包机现有截面尺寸，成型腔内截面尺寸取30 cm×30 cm，高度为30 cm，壁厚20 mm，具体实物如图2所示。

图2 试验模具Fig.2 The mould of experiment

1.4 试验方法与过程

压缩成型试验在常温条件下进行，压缩烟秆颗粒试样未添加粘合剂，含水率保持在30%以下，压缩速度约为300 mm/min，柱塞提供最大压缩力100 T，并获得相应条件下最大压缩密度，同时保压1 min。压缩成型块出模后，置于通风空旷平整处，经36 h应力松弛，测定压缩块的松弛密度和松弛比，试验结果如图3所示。为了更好地贴合压缩设备的实际压缩环境，故每次压缩烟秆颗粒时，从自然蓬松状态下开始，相同压缩条件下，试验重复2次，对试验结果求平均值。

图3 试验结果Fig.3 The results of experiment

2 试验结果与分析

为了更好地表征烟秆颗粒压缩块的物理品质特性，本试验采用松弛密度和松弛比[16，17]来表示，松弛密度是指压缩块压缩成型后，静置一段时间(本试验静置36 h)后压缩块的密度。松弛密度要比模内的最终压缩密度小，通常采用无量纲参数——松弛比，即模内物料的最终压缩密度与松弛密度的比值描述成型块的松弛程度。

2.1 不同粒度大小对压缩成型的影响

通过对目前秸秆类压缩相关文献的统计分析，发现粒度大小是影响秸秆压缩成型的重要因素之一，故本次试验在喂入量保持2 kg，最大压力16 MPa下，以不同粒度大小为试验因素进行试验研究，不同粒度大小对压缩块松弛密度和松弛比的效应如表2所示。

表2 不同粒度大小对压缩块松弛密度和松弛比的效应Tab.2 Effects of different particle sizes on relaxation density and relaxation ratio of compressed blocks

由表2可知，基于相同最大压力，从自然蓬松状态下开始压缩试验，可以发现，细粒烟秆颗粒的最终压缩密度最大，松弛密度最大，松弛比也最大；粗粒烟秆颗粒次之；中粒烟秆颗粒各值均低于细粒和粗粒烟秆颗粒。由此可知，烟秆颗粒越小越易压缩成型，但压缩成型后松弛比明显较大；随着粒度的增大，最终压缩密度开始减小，松弛比也开始减小，但基于本试验发现，并非粒度越大最终压缩密度和松弛比越小，由本试验可知，基于喂入量2 kg，最大压力16 MPa条件下，且在满足压缩成型的压缩密度要求下，中粒值(10～20 mm)的松弛密度居中，松弛比最小。

2.2 不同喂入量对压缩成型的影响

喂入量作为影响压缩成型的另一个重要因素，不仅对压缩成型本身具有一定的影响，如压缩比、压缩块物理特性等，而且对压缩设备的功耗、效率及寿命等也有一定的影响。因此，为了找到合理的喂入量(既能保证压缩比适宜，同时也能保证设备效率和寿命最佳)，本次试验在粒度为10～20 mm，最大压力16 MPa下，以不同喂入量为试验因素进行试验研究，不同喂入量对压缩块松弛密度和松弛比的效应如表3所示。

由表3可知，基于相同最大压力，从自然蓬松状态开始压缩试验，可以发现，随着喂入量的增加，烟秆颗粒的最终压缩密度和松弛比呈先减小后增大趋势，而松弛密度呈逐渐增大趋势。当喂入量为3 kg时，烟秆颗粒的最终压缩密度最大，松弛密度也最大，同时松弛比也达到了最大；喂入量为1 kg时，烟秆颗粒的最终压缩密度和松弛比次之，但松弛密度最小；喂入量为2 kg时，烟秆颗粒的最终压缩密度和松弛比最小，但此时，烟秆颗粒的松弛密度居中。这说明，在其它条件不变的情况下，尽管可以通过提高喂入量的方式来达到增大最终压缩密度，但是与此而来的较大松弛比也成为了压缩块性能的一个弊端。因此，在喂入量的选择上，应该重点从压缩效率和压缩块性能两个方面考虑，在满足压缩块储运所需的物理特性的条件下，应适度增大喂入量，从而提高压缩效率，减小功耗，降低成本。基于本试验研究，排除偶然因素的影响，在粒度为10～20 mm，最大压力16 MPa条件下，且在满足压缩成型的压缩密度要求下，当烟秆颗粒的喂入量为2 kg时，松弛密度居中，松弛比最小，符合实际生产的要求。

表3 不同喂入量对压缩块松弛密度和松弛比的效应Tab.3 Effect of different feeding amount on relaxation density and relaxation ratio of compressed blocks

3 结论

1)烟秆颗粒粒度大小对其压缩成型影响非常显著。粒度越小越易压缩成型，成型块的最终压缩密度也最大。但同等喂入量下，由于其粒度的减小造成其总数量的增加，从而使各烟秆颗粒之间的间隙数增加，这将对压缩成型后的烟秆压缩块松弛有着直接的影响。因此，可以说明，烟秆颗粒的粒度并非越小或越大就越适宜，针对本次试验，烟秆颗粒的适宜粒度为中粒(10～20 mm)。

2)喂入量对压缩块物理特性和压缩效率、设备寿命等都有一定的影响。同等压缩条件下，当喂入量增加时，压缩比随之增大，松弛密度也相应增加，但松弛比和最终压缩密度都出现了先减后增的变化趋势。这说明，提高喂入量固然可以减小烟秆颗粒所占体积，但压缩块的物理特性有明显的降低，故基于本试验研究，在该试验条件下，烟秆颗粒的喂入量为2 kg时，松弛密度居中，松弛比最小，能够满足实际生产的需要。

3)鉴于烟秆经粉碎设备粉碎后，烟秆颗粒在实际压缩过程中，各粒度大小颗粒并非试验情况下有明确粒度的分类，故烟秆颗粒压缩成型时应考虑将不同粒度大小的颗粒在一定比例混合的情况下进行压缩试验研究，从而为粉碎设备的进一步设计优化提供依据。