粉碎玉米秸秆含水率对冷态压缩成型压力的影响
摘要:本文采用WDW-5微机控制电子式万能试验机对不同含水率的粉碎玉米秸秆进行常温压缩成型试验,得到了不同含水率玉米秸秆压缩成型曲线,并对实验数据及结果进行了分析;同时实验结果表明,含水率越低,最大压强越大,比能耗也越大,为玉米秸秆冷态成型技术的进一步研究提供了基础参数。
关键词:玉米秸秆;冷态压缩成型;含水率
Abstract：The experiments on cold state compaction of chopped corn stalks with different percentage of moisture were conducted by WDW－5 electron universal testing machine. The curves of compression moulding were obtained; the experimental datas and results were analysed, and the results show that the smaller the percentage of moisture, the bigger the intensity of pressure and consumed energy correspondingly. All of these are the basis parameters for further research on cold state compaction of corn stalks.
Key words：corn stalk；cold state compaction；percentage of moisture
1引 言
生物质是一种年产量相对稳定的可再生能源。全世界总能耗约14%来自生物质能,在发展中国家它占总能耗的35%,我国农村所占比例更大,约为71%。[1]我国每年产出的农作物秸秆达6亿多t,居世界首位。[2]在秸秆中玉米秸秆占有较大比例。吉林省地处世界黄金玉米带,61%的耕地种植玉米。2008年统计,玉米秸秆产量达2 250万t。[3]
玉米秸秆收获期含水率较高,且含水率是其压缩成型过程中需要控制的一个重要参数。因此,本试验主要研究的是含水率对颗粒成型、成型块品质的影响,为粉碎玉米秸秆压缩成型提供一定参考。
2材料与方法
2.1试样准备
本试验采用吉林市郊区提供的本年度成熟玉米秸秆。其步骤是:首先进行自然干燥,在实验室放置两周;然后利用5Fs-50型粉碎机进行粉碎,并将粉碎后的秸秆颗粒进一步自然风干20天左右,达到含水量17.5%以下;再对粉碎秸秆进行筛分,使切碎秸秆的粒度大小为5mm～10mm;最后进行配水实验,取原料30g,通过计算每次加水量,使原料含水率分别控制在8%、12%、16%、20%和24%,然后按照物料含水率分别封存于写有标记的黑塑料袋内。
2.2试验装置
本实验采用济南试金集团有限公司制造(如图1所示)WDW-5微机控制电子式万能试验机,根据实验需要选择不同类型探头,力和位移可通过力传感器(型号分别为GS-1A和SSLY-50)和位移传感器实施采集并传至微机,精度±0.1%,实验压力测量范围为1kN～50kN。
试验采用自行设计的钢质圆筒模具,内径分别为15 cm,模具长径比为4.16,模具开口锥度为45°。
称重采用上海天平仪器厂生产的型号为HANGPING JA5003的电子分析天平。
2.3试验方法与过程
压缩成型试验在常温下进行,试样未添加粘合剂,压缩速度为20 mm/min(恒速),并获得相应的最大压缩密度,保压2min～3 min。
将套筒模具置于压力机下空间平台上,用电子天平称出相应含水率的粉碎玉米秸秆颗粒的质量,然后将其慢慢倒入套筒模具中。待装满后,打开电子万能试验机,点击电脑上数据采集系统,将压缩速度设置为20 mm/min。依次对五种不同含水率的试样进行压缩试验,每次实验连续加压至设定的额定压力。
3试验结果与分析
采用Matlab软件,对不同含水率的粉碎玉米秸秆的压缩成型试验数据进行拟合,获得图2所示的压强与变形之间的变化曲线。
由压缩成型曲线可得出:含水率越低,最大压强越大,比能耗也越大。这是由于当含水率较低时,颗粒相互结合受到的阻力较大,故比能耗较大。
在压缩成型的初期,粉碎玉米秸秆颗粒之间有较大的空隙,在压力的作用下颗粒相互填充空隙并相互移动,同时内部的空气与水被挤出,在此阶段压强与变形呈线性关系;中间阶段,物料发生弹性变形并占主导地位,较大的颗粒受压发生破裂现象,变成了更小的颗粒,所以此阶段压强与变形呈指数关系;在最后阶段压力下降,主要是由于摩擦力性质转变和发生应力松弛现象的综合结果。
4结 论
粉碎玉米秸秆颗粒含水率是影响压缩成型的质量的因素之一。通过对不同含水率的粉碎玉米秸秆压缩成型试验,得到了含水率与成型压力的关系。试验结果还表明:在模具一定的情况下,含水率越低,比能耗也越大;含水率过高,压缩成型时有水被挤出,影响成型质量。此数据为玉米秸秆冷态成型机理的进一步研究及冷压成型样机的研制提供了依据。
* 基金项目:北华大学校管科研项目(北华大学科合字[2007]工科第40号)
参考文献
1 张百良、李保谦.HPB－I型生物质成型机的应用研究［J］.太阳能学报，1999.20（3）：234～238
2 杨建队.农作物秸秆综合利用探讨［J］.农业技术与装备，2007（6）：40～41
3 https://www.came.agri.gov.cn/news/2008125/215/32375.html
