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2023
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05
液壓壓球機的進料速度和溫度對楊木球團性能的影響（1）
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來源：公司內部
1. 簡介
在全球范圍內，人們做出了很多努力來促進可再生能源的發展，增加可再生能源在能源結構中的份額，而生物質能源一直是關于能源討論框架政策中不可或缺的一部分。各種調查顯示，生物質在生產生物燃料和生物能源方面具有巨大潛力。例如，Jekayinfa 等人估計尼日利亞生物質資源的技術能源潛力約為 2.33 EJ。根據 Long 等人的預測，到 2050 年，農業和林業殘留物和廢物的生物能源產量將為 76~96 EJ，能源作物最多可獲得 96 EJ。Stecher 等人指出，樂觀估計表明，到 2050 年，全球能源作物的潛力可能達到 1272 EJ yr-1，而森林廢棄物的全球潛力可能達到 150 EJ yr-1。撒哈拉以南非洲的生物能源潛力估計為 4 EJ yr-1，而在歐洲，專用生物能源作物、農業殘留物和林業殘留物的潛力分別高達 12.8 EJ yr-1、3.9 EJ yr-1 和 5.4 EJ yr-1。Ojolo等人認為，如果有效利用生物能源，可以在很大程度上解決持續存在的能源短缺問題。Searle 和 Malins 預計，全球生物能源潛力的可持續利用，到 2050 年，生物燃料高達 20 EJ yr-1，電力高達 40 EJ yr-1，供暖高達 30 EJ yr-1。盡管潛力巨大，但由于生物質的效率不如化石燃料，因此尚未在能源和發電領域得到廣泛應用。然而，已經確定的是，發展中國家以農業為基礎的農村社區可以從生物質的熱能和電力應用中受益匪淺。
將生物質轉化為高效能量載體的方法有多種，分為熱化學、生物化學和物理/機械轉化過程。生物質的熱化學轉化涉及利用熱量來啟動和維持將生物質轉化為高能產品的化學反應。熱化學轉化過程包括氣化和熱解。生物轉化涉及使用微生物和酶將生物質分解成液態或氣態燃料，例如：沼氣、生物乙醇和生物柴油等。
生物質的物理或機械轉化需要對生物質進行改性；涉及預處理活動，包括粉碎、干燥和壓球。需要對生物質進行機械轉化，以改善生物質的形式，例如更高的堆積密度、能量密度和疏水性。
壓球技術分為低壓（<5 MPa）、中壓（5-100 MPa）和高壓（>100 MPa）。高壓技術使用的設備有螺旋壓力機/擠壓壓塊機、機械活塞壓力機、液壓活塞壓力機、輥壓機和造粒機。對一些高壓壓塊技術進行了理論研究，了解設計參數對設備運行性能的影響。同樣，對一些使用不同生物質材料的致密化技術進行了實證研究。Jekayinfa 等人利用全因子實驗設計 (DOE) 來研究和模擬致密化變量對單軸壓力機生產的玉米芯壓塊的密度和耐水性的影響。溫度和粒度及其相互作用對耐水性有顯著影響 (p < 0.05)，而壓力、溫度和顆粒大小對玉米芯壓塊的密度有顯著影響。Orisaleye 等人使用單軸壓力機，利用響應曲面法 (RSM) 來研究 Abura 鋸末壓塊的物理特性。根據研究，溫度、保持時間和壓力對球團密度有顯著影響 (p < 0.05)。
Cabrales等人使用實驗液壓機對油棕空果串的壓塊過程進行了研究。從研究中發現，水分含量對球團密度有很大的影響、短纖維對于高密度是第一選擇、纖維長度和含水率對耐久性以及抗壓強度影響很大、壓塊時間會影響抗壓強度、壓塊時間和纖維長度之間相互作用、壓塊時間和水分含量之間相互作用。Essien 和 Oke 使用鋸末、稻殼、棕櫚仁殼以及粘合劑的低壓壓塊。研究發現，材料類型是影響球團的關鍵因素、壓實壓力對球團質量影響很大。Lai等人研究了加工和儲存參數對油棕櫚仁殼顆粒強度的影響。據觀察，顆粒的強度隨著壓實壓力的增大而增大，但壓力高于 188 MPa 時對強度影響很小、顆粒強度隨著保持時間的延長而增大。
Mitchual 等人使用實驗室液壓機，通過施加 10 到 50 MPa 的壓力，使用不同的生物質生產球團。研究表明，鋸末的粒徑對所生產的球團的松弛密度和抗壓強度有顯著影響 (p < 0.05)。研究中建立的回歸模型表明，物質密度、粒徑和壓實壓力是松弛密度和抗壓強度的良好預測指標。Muntean 等人研究了原材料特性對使用液壓活塞壓塊機生產的固體生物燃料質量的影響。據觀察，初始材料的堆積密度以及溫度會影響所生產的球團的質量。該研究還發現，使用粒度較小的原材料會對壓球機的機械耐久性產生積極影響。
重要的是要建立一個全面的知識庫，了解壓塊因素如何根據各種壓塊技術以及所處理的生物質來影響不同的產品質量參數。特別是，可控的機器變量（例如，進料速度），預計會影響壓塊的質量； 然而，這在文獻中很少受到關注。了解進料速率和其他過程變量之間的相互作用，有助于優化壓塊工藝，生產出更高品質的球團。
在這項研究中，進行了一項調查，確定了液壓壓塊機的進料速度（2.4、2.9、3.3 mm s-1）和模具溫度（100、120、140 °C）對楊木生物質球團的密度、耐久性和耐水性的影響。
2. 原料和方法
2.1 球團原料纖維的生產
楊木（無性系 Max-4 Populus maximowiczii Henry × Populus nigra L.）來自德國波茨坦的萊布尼茲農業工程和生物經濟研究所的短輪伐種植園。這些 4 年樹齡的樹木在采伐高度處的平均莖直徑為 6 厘米，冬季用安裝在拖拉機上的割草機削片機收獲，儲存并干燥至 6 月，成為堆放在室外的木屑（圖 1）
圖 1. (a) 使用割草削片機收割楊樹 (b) 收獲時產生的木屑
由于微生物活動，木屑堆會加熱到大約 60 °C。溫度的升高使木屑干燥至水分含量約為 30%（濕基，w.b.），以便儲存。在研磨之前，木片用水進行預處理，并使用桶和滾桶機使其水分含量達到 55%。然后使用孔徑20 mm的小型工業規模雙螺桿擠出機（P = 90 kW，型號 MSZK B90e，Lehman Maschinenbau GmbH，Jocketa，德國），將濕木片研磨成纖維。隨后用閃蒸干燥機將水分含量從大約55%降低至10%（w.b.）。在進一步加工成球團之前，纖維被收集并儲存在大袋子里。根據標準 EN ISO 17827-2，使用具有不同篩網寬度的篩分塔，對從大袋中收集的纖維樣品進行了四次粒度分析。纖維的堆積密度使用 EN DIN 17828 標準測試方法測定，基于 10 L 的測試體積，重復三次。纖維的水分含量使用 EN ISO 18134-2 標準中規定的烘干法測定。
2.2 液壓壓球機的操作
如圖 2a 所示，液壓動力生物質壓球機（D-89231，RSN Maschinenbau GmbH/德國，功率 5 kW）在不使用粘合劑的情況下，生產楊木球團。在成型之前，用三個200-W溫度傳感器控制的加熱墊覆蓋壓道，（Pt 100 溫度傳感器，總加熱功率 600 W）將模具加熱到所需溫度。
圖 2. (a) 用于生物質壓塊的液壓活塞壓力機；(b) 顯示液壓活塞壓力機操作原理的示意圖（尺寸以厘米為單位）。
此外，加熱墊采用礦棉隔熱，最大限度地減少熱量損失。在模具達到所需溫度后，選擇所需的進料速度。進料速度由進料螺桿的轉速決定，試驗的進料速度在 2.4 至 3.3 mm s-1（螺桿的水平速度）范圍內變化。楊木的纖維被送入機器以生產球團。進料螺桿將材料從料斗輸送到垂直活塞，活塞將材料壓入成型室來預壓物料（圖 2b）。然后，水平活塞迫使材料通過加熱的模具，并在那里成型。圖 3 顯示了生產的球團及其尺寸的示例（直徑約 6 厘米，高度約 5 厘米）。
圖 3. 楊木球團的尺寸
2.3 實驗設計
為了研究進料螺桿速度和溫度對球團性能的影響，使用了全因子實驗設計。使用三個級別的模具溫度和螺桿速度。使用的模具溫度為 100、120 和 140 °C。進料螺桿在控制柜中設置的5、6和7級速度下運行，對應的進料速度為 2.4、2.9 和 3.3 mm s-1。表 1 中列出了所用的溫度和速度水平。表 2 中列出了用于研究的全因子實驗設計。試驗設計3個重復，隨機選擇每個試驗運行的樣品，對每個響應(密度、耐久性和耐水性)進行統計分析。
表 1. 用于實驗設計的變量水平
| 因素 | 低水平 | 中等水平 | 高水平 |
| 溫度（℃） | 100 | 120 | 140 |
| 進料速度(mm s-1) | 2.4 | 2.9 | 3.3 |
表 2. 實驗的全因子設計
| 實驗順序 | 溫度（℃） | 進料速度(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 球團密度的測定
使用精度為 0.01 g 的電子質量天平（Sartorius TE3102S, Gttingen, Germany）測量球團的質量。由于球團表面有裂紋，圓柱形球團的尺寸是用游標卡尺測量的，精度為0.1mm。這些尺寸用于確定球團的體積。所生產的球團的密度由球團的質量與體積之比確定。對球團密度的進行了三次測定。
2.5 球團耐久性的測定
使用翻滾法測定團塊的耐久性。使用的翻滾機（飼料和生物燃料顆粒測試儀，Andritz Feed Technologies，Esbjerg/Denmark）如圖 4 所示。將質量約為 1500 g 的球團稱重并裝入翻滾機中。轉數設置為 150，速度為 50 rpm。在翻滾操作之后，測量整個球團的質量，確定由于磨損造成的質量損失。機械耐久性 (MD) 由翻滾后整個球團的質量與球團的初始質量的比率確定，如等式 (1) 所示。對球團的耐久性進行了三次測定。
圖 4. 用于耐久性測試的翻滾機
MD：機械耐久性[%]； mu: 未磨損/完整球團的質量 [g]； mi：球團的初始質量 [g]
2.6 球團耐水性的測定
使用 Orisaleye 等人、Birwatkar 等人、Sengar 等人 和 Saha 等人采用的方法確定球團的耐水性。在室溫下將球團的各個樣品完全浸入水中 120 秒，使用電子質量天平對其進行稱重，確定浸入后每個團塊的質量。使用等式（2）從浸入水中后團塊的質量變化百分比確定吸水率。對球團的耐水性進行了三次測定
WR：耐水性[%]； mw：濕球團的質量[g]； mi：球團的初始質量 [g]
2.7 統計分析
多次實驗后獲得了數據，可以對密度、耐久性和耐水性指標進行方差分析。顯著性水平為5%。測定了對密度、耐久性和耐水性具有統計顯著性的參數。使用Minitab 19軟件進行統計分析。
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