溫凱林，張永俊，姚　震，張　嬌

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

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雙超聲振動壓縮生物質壓塊抗跌碎性的影響因素研究

溫凱林，張永俊，姚震，張嬌

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣東廣州510006）

摘要：為提高雙超聲輔助壓縮生物質所得壓塊的持久性，研究了雙超聲壓縮生物質過程中顆粒度、含水率、預壓力、超聲電源功率和壓縮時間等單因素對麥草壓塊抗跌碎性的影響。結果表明：壓塊抗跌碎性隨著生物質顆粒度的增大而逐漸減弱，隨著預壓力、超聲電源功率和壓縮時間的增加而增強，隨著含水率的增加呈先增強、后減弱的趨勢。

關鍵詞：雙超聲輔助壓縮；生物質顆粒；抗跌碎性

纖維素生物質原料的收集、運輸、儲存及預處理等環(huán)節(jié)的技術障礙一直制約著纖維素燃料實現高效率、低成本和大規(guī)模生產[1-2]。采用生物質固體成形技術能大幅提高生物質的密度、抗跌碎性和抗吸水性等物理特性，降低生物質的儲運成本。但是，傳統(tǒng)的纖維素生物質壓縮成形技術一般需要高溫蒸汽、高壓力和額外添加粘接劑，其設備龐大、價格高，且添加劑易污染環(huán)境[3]。

超聲壓縮技術可使生物質在常溫、低壓力和無添加劑條件下進行壓縮。在壓縮過程中，高頻電源驅動超聲振子進行超聲頻率振動，振動能量通過工具頭施加在生物質上，使生物質密度迅速增大，從而顯著提高壓縮效率。Tang等[4]研究了單向超聲壓縮生物質技術，指出小麥秸稈經超聲壓縮后的出糖率比未經超聲壓縮處理提高20 %以上。但從壓塊成形效果來看，單向超聲壓縮主要存在3個問題：一是壓塊厚度有限，成形時間較長、效率低；二是壓塊頂部和底部致密性不一致，影響抗跌碎性；三是特定條件下會出現“炭化現象”，影響出糖率。為此，本文采用“雙超聲同步壓縮”方法，通過工作臺和工具頭同步進行超聲振動實現壓塊的高效壓縮，使超聲波對壓塊顆粒的預處理更充分，提高生物質水解的出糖率。此外，壓塊在成形過程中，上、下表面同時承受超聲振動，可使壓塊各部位的致密性保持一致，大大增加了壓塊的密度和抗跌碎性。

1　試驗條件及過程

1.1試驗準備

本試驗所用的生物質原料為小麥秸稈（麥草）。試驗儀器包含：超聲電源、WQS振動篩、DT200A電子天平、TSL-1140B可控溫烘箱、秒表、加熱皿、干燥皿和噴霧器等。

顆粒度（D）是指粉碎后的生物質顆粒粒徑，其大小通過不同的篩網直徑來區(qū)分。本試驗研究6個水平的顆粒度，分別為：0～0.25、0～0.5、0～0.75、0～1、0～1.25、0～1.5 mm，對應篩孔的目數分別為65、35、26、18、16、12。

含水率（mc）是指一定質量的生物質中所含水分的質量占總質量的比率。測量過程為：先將經過天然干燥并粉碎后的麥草密封保存，用加熱皿盛取50 g置于設定溫度為120℃的烘箱內，烘干24 h后取出，再置于干燥皿中冷卻至室溫，測得其質量為45 g。故麥草原始含水率mc0為：

式中：m0、m1分別為烘干前、后的麥草質量。經計算，麥草的原始含水率為10 %。

本試驗研究5個水平的含水率，分別為：5 %、10 %、15 %、20 %、25 %，各個水平的含水率可通過向烘干后的麥草（含水率為0）噴灑蒸餾水獲得，方法為：取烘干后的麥草10 g，則配制各水平的含水率所需噴灑的蒸餾水質量mw為：

1.2試驗設計

雙超聲輔助振動壓縮生物質顆粒成形試驗裝置見圖1，主要包括超聲振動系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)和成形模具等部分。超聲振動系統(tǒng)包含1個超聲電源（將50 Hz的市電轉換為20 kHz以上的高頻脈沖電）和2個并聯使用的夾心式超聲振子（將高頻電能轉化成工具頭的超聲頻振動），2個振子尺寸相同，諧振頻率和阻抗特性相近。上振子工具頭由氣缸帶動上下運動，實現對模具中的生物質進行壓縮；下振子安裝在工作臺上，其工具頭由下至上伸入成形模具的圓柱形型腔中。氣動系統(tǒng)控制上振子的上下運動，進入氣缸的氣壓大小由氣動三聯件調節(jié)。

麥草成形過程主要包括氣壓預壓縮、雙超聲壓縮和保壓階段。在氣壓預壓縮階段，氣缸向下運動，帶動上工具頭對麥草進行預壓縮；當氣缸停止運動時，保持氣壓不變，使生物質預壓5 s。啟動電源，雙超聲壓縮階段開始，2個振子同時對麥草進行振動壓縮，持續(xù)時間由試驗條件決定。關閉電源，進入保壓階段，保持氣壓對麥草作用5 s。保壓完成后，氣缸帶動上振子上行，打開模具取出麥草壓塊，完成壓縮成形。

圖1　雙超聲輔助振動壓縮生物質顆粒成形試驗裝置

本試驗針對顆粒度、氣缸預壓力、超聲電源功率、含水率及壓縮時間等5個單因素，分別研究其對雙超聲壓縮階段生物質壓塊抗跌碎性的影響，試驗條件見表1。麥草的顆粒度通過不同的篩網孔徑來區(qū)分，D=1 mm代表顆粒直徑范圍為0～1 mm。氣缸預壓力是指在麥草壓縮過程中氣缸內的氣壓大小，其值反映工具頭作用于麥草的初始壓力大小。超聲電源功率為驅動雙振子的電功率，由于超聲功率太大時，振動產生的熱易造成生物質的炭化，影響后續(xù)水解發(fā)酵的出糖率，故取功率區(qū)間為50 %～60 %。壓縮時間是壓縮階段的持續(xù)時間，即每次壓縮超聲電源工作的時間。每次試驗均取麥草成形質量為2 g。

1.3壓塊抗跌碎性的測量

抗跌碎性的測量方法為：先用電子稱測量壓縮成形后的壓塊質量M（圖2a）；再將壓塊放置在2 m的高度，使其自由落下撞擊混凝土地面；重復跌落10次后，再用電子稱測量跌落試驗后的壓塊質量m（圖2b）。通過跌落后的壓塊質量占跌落前的壓塊質量的百分比來反映抗跌碎性DR：

DR值越大，說明抗跌碎性越好。試驗時，每個壓縮參數重復進行3次試驗，DR取3次測量結果的平均值。

表1　試驗條件

圖2　壓塊跌落試驗前后對比

2　試驗結果與分析

2.1顆粒度對壓塊抗跌碎性的影響

圖3是壓塊抗跌碎性與麥草顆粒度的關系圖。當顆粒度從0.25 mm增大到1.5 mm過程中，壓塊的抗跌碎性從93.58 %下降到70.77 %，下降過程呈線性規(guī)律。出現這種趨勢的原因是麥草粒度越小，壓塊成形后的密度越大，麥草顆粒間的接觸面較大，顆粒間的粘接力較大，所以抗跌碎性越強。

圖3　壓塊抗跌碎性與顆粒度的關系

2.2氣缸預壓力對壓塊抗跌碎性的影響

圖4是壓塊抗跌碎性與氣缸預壓力的關系圖。隨著預壓力從0.2 MPa增大到0.6 MPa，壓塊的抗跌碎性先顯著增大，在預壓力為0.4 MPa時取得最大值為87.63 %，而后略微減小并保持在82 %左右。出現這種趨勢的原因是在氣壓預壓縮階段，氣缸預壓力先通過工具頭作用在壓塊顆粒上，使壓塊密度迅速增大；在雙超聲壓縮階段，超聲振動使顆粒變得活躍，顆粒相互擠壓，密度進一步增大，顆粒間的粘接力增大。故在一定范圍內，預壓力的增大可提高壓塊的密度和抗跌碎性。但當預壓力超過一定數值時，由于保壓結束后上振子工具頭撤離成形模具，壓塊上表面的力漸變?yōu)榱悖瑝簤K橫截面將產生拉應力，且預壓力越大，壓塊的反彈越大，壓塊會變得松弛，粘接力降低，從而使抗跌碎性減弱。

圖4　壓塊抗跌碎性與氣缸預壓力的關系

2.3超聲電源功率對壓塊抗跌碎性的影響

圖5是壓塊抗跌碎性與超聲電源功率的關系圖。隨著超聲電源功率從50 %增加到60 %，壓塊的抗跌碎性從87.05 %增大到98.46 %，說明提高超聲電源功率有利于提高壓塊的抗跌碎性。出現這種趨勢的原因是在超聲壓縮過程中，工具頭的高頻振動作用于麥草顆粒，使顆?；钴S起來，顆粒間的間隙被填充，壓塊密度增大。同時，超聲壓縮會使壓塊的溫度升高，使部分木質素軟化，有利于提高顆粒間的粘接力，且功率越大，木質素軟化效果越明顯。因此，超聲電源功率越大，麥草顆粒接觸力越大，抗跌碎性越強。

2.4含水率對壓塊抗跌碎性的影響

圖6是壓塊抗跌碎性與含水率的關系圖。隨著含水率從5 %增大到25 %，壓塊抗跌碎性先增強、后減弱。當含水率為15 %時，抗跌碎性達最大值為92.86 %。出現這種趨勢的原因是生物質中的水分作為天然的粘接劑，對壓塊的成形有較大的影響。含水率太低，粒子沒有充分延展，顆粒間結合不緊密，壓塊密度減小，顆粒間結合力減小，抗跌碎性減弱；含水率太高，過多的水分會在顆粒間形成薄膜分布在粒子層之間，使各層之間不能緊密貼合，壓塊密度減小，顆粒間結合力減小，抗跌碎性減弱。此外，在雙超聲壓縮過程中，壓塊溫度會顯著提高，過多的水分蒸發(fā)導致壓塊內部氣體含量增加，使壓塊蓬松，顆粒間結合力也會減小。因此，保持含水率在一定范圍內，有利于超聲壓縮生物質成形。

圖5　壓塊抗跌碎性與超聲電源功率的關系

圖6　壓塊抗跌碎性與含水率的關系

2.5壓縮時間對壓塊抗跌碎性的影響

圖7是壓塊抗跌碎性與壓縮時間的關系圖。隨著壓縮時間從10 s增加到30 s，壓塊的抗跌碎性從88.02 %增大到97.41 %；壓縮時間繼續(xù)增大，抗跌碎性基本保持不變。出現這種趨勢的原因是在超聲壓縮過程中，若持續(xù)時間較短，超聲作用不明顯，壓塊成形后的密度較低，顆粒間結合力較低，抗跌性較弱。當持續(xù)時間達到某個值（圖7所示30 s）后，超聲振動已充分作用于壓塊，顯著提高了壓塊的密度和抗跌碎性，繼續(xù)延長壓縮時間只是提高壓塊溫度，使其炭化，并不能提高壓塊的抗跌碎性。因此，為避免生物質炭化，較好地發(fā)揮超聲作用效果，超聲壓縮時間應控制在一定范圍內。

圖7　壓塊抗跌碎性與壓縮時間的關系

4　結論

本文研究了在雙超聲輔助壓縮生物質過程中，顆粒度、含水率、氣缸預壓力、超聲電源功率和壓縮時間對生物質壓塊抗跌碎性的影響規(guī)律。結果表明，隨著顆粒度的增大，壓塊抗跌碎性逐漸減弱；隨著氣缸預壓力、超聲電源功率和壓縮時間的增加，壓塊抗跌碎性增強；隨著含水率的增加，壓塊抗跌碎性先增強、后減弱。

參考文獻：

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Study on Factors Affecting Pellet Drop Resistance During Dual Ultrasonic Vibration-assisted Pelletizing of Biomass

Wen Kailin，Zhang Yongjun，Yao Zhen，Zhang Jiao
（School of Electro-mechnical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Abstract：The influence of 5 factors such as particle size，moisture content，preload，ultrasonic power and compression time to the drop resistance of wheat straw pellet in dual ultrasonic vibration assisted pelletizing were investigated to improve pellet durability. With the increase of particle size，the drop resistance of wheat straw pellet decrease. As preload，ultrasonic power and compression time increase，the drop resistance of wheat straw pellet increase. Moreover，with the increase of moisture content，the drop resistance of wheat straw pellet increase and then decrease.

Key words：dual ultrasonic vibration-assisted pelletizing；biomass pellet；drop resistance

第一作者簡介：溫凱林，男，1990年生，碩士研究生。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（51275097）；機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室開放基金資助項目（MSV-2013-08）

收稿日期：2015-09-01

中圖分類號：TG663

文獻標識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）01－0047-04