小麦秸秆和玉米秸秆开管压缩能耗试验

小麦秸秆和玉米秸秆开管压缩能耗试验

0秸秆压缩成型技术近年来，随着能源的增加，直接燃烧稻草发电成为有效的能源利用形式。另一方面，随着规模化养殖的发展，稻草条件堆逐渐成为高效的绿色储存技术。但秸秆分布分散和结构疏松等特点导致运输和储存过程中存在运输体积大、储存密度低及贮藏费用高等问题,限制了其大规模利用的经济性和可行性。秸秆压缩成型是解决这一问题的重要途径。秸秆压缩方式分为“闭式”压缩和“开式”压缩,无论哪种压缩方式,压缩比能耗均是衡量秸秆压缩性能的重要指标,直接关系到秸秆生物质能的利用效率。目前,国内外秸秆压缩比能耗研究主要集中在秸秆颗粒压缩成型方面,Faborode中国主要以“闭式”秸杆压缩为主,各种工艺参数设计不合理导致压缩能耗较高、产品质量低等问题1材料和方法1.1不同秸秆用量测定收集中国农业大学上庄实验站小麦秸秆(品种:农大211)和玉米秸秆(品种:农大108)后作去叶和去毛根处理,并测定株高和秆径。小麦秸秆和玉米秸秆各取100g左右机械切短至30~40mm长,风干至含水率10%~15%。含水率的测定采用烘干法1.2材料、试剂与仪器试验器材主要有银河牌电热鼓风干燥箱(中国重庆银河试验仪器有限公司),AdventurerAB204-E分析天平(奥豪斯国际贸易有限公司),INSTRON3367材料试验仪(美国INSTRON公司)。1.3控制秸秆含水率将风干后的秸秆,机械切短至30~40mm长,每种原料各取(500±5)g,通过计算每次加水量,对小麦秸秆进行覆水试验使其含水率分别控制在(15±1.0)%、(35±2.0)%和(55±4.0)%,对玉米秸秆进行浸泡后风干至所需水分,使其含水率分别控制在(25±2.0)%、(45±4.0)%和(65±5.0)%,然后按照物料种类和含水率分别抽真空装袋并冷藏待用。1.4预压压缩性能的测定“开式”压缩是在无堵头的容器中,装填充物料预压形成足够大的预阻力,然后将物料喂入一次压缩一次,它的阻力来源于压缩物料的移动和变形阻力,以及压缩室内物料与容器壁的磨擦阻力1.5数据采集和处理软件比能耗E是指生产单位质量成型燃料所消耗的能量(J/g)。计算公式式中,E为比能耗,J/g;S为压缩位移,mm;F为压缩载荷,N;m为秸秆质量g;l为压缩行程,mm。通过INSTRON公司Bluehill2.0数据采集和处理软件获取试验数据;数据用Matlab7.0计算和作图,用SPSS16.0软件的Univarte过程进行多因素方差分析,采用最小显著差数法(LeastSignificanceDifference,LSD)进行多重比较等。2结果与分析2.1反复压缩所需载荷按照1.4完成秸秆“开式”压缩试验,通过计算机记录载荷数据,分别比较小麦秸秆农大211和玉米秸秆农大108在压缩位移固定条件下,同一含水率、不同压缩频率试验中单次压缩所需载荷,如表1和表2所列。表1和表2中多重比较分析表明,同一含水率水平下,当压缩次数大于2且压缩位移相同时,不同压缩频率小麦秸秆单次压缩所需载荷无显著差异(P>0.05),玉米秸秆没有明显规律,据文献[20]推知秸秆压缩密度小于200kg/m从表1可以看出,同一压缩频率下,高含水率小麦秸秆单次压缩所需载荷增长速率较低含水率的大,并且压缩次数的增加导致不同含水率之间的单次压缩所需载荷差异变小,压缩频率为1次/min时,不同含水率小麦秸秆第8次的单次压缩所需载荷值均接近4000N。这是由于小麦秸秆的水分主要是通过减小秸秆之间和秸秆与筒壁之间的摩擦来减小压缩中的阻力所致;经过反复压缩后高含水率的秸秆水分逐渐散失,减小摩擦能力变弱,因此高含水率小麦秸秆经反复压缩后也会出现难压缩状况,压缩载荷或压缩能耗变大。表2中不同含水率的玉米秸秆随着压缩次数的增加,其单次压缩所需载荷增长速率无明显减小趋势,这主要是由于玉米秸秆是实芯复合结构,有一定的储水能力,而小麦秸秆是薄壁空心秸秆,因此,经反复压缩后的玉米秸秆水分散失速度不及小麦秸秆快。2.2不同频率和含水率对小麦秸秆和玉米秸秆体系化能的影响通过计算机记录的秸秆压缩位移和载荷数据,利用MATLAB7.0软件中积分函数cumsum编程获得不同压缩条件下的压缩位移-比能耗曲线。以秸秆压缩试验结束后的比能耗(J/g)作为压缩特性评价指标,比能耗结果如表3所列,方差分析和多重比较结果如表4、表5和表6所列。表3中每一数据为3次试验均值。从表3可以看出,“开式”压缩试验中,小麦秸秆在含水率55%和压缩频率0.5次/min时,压缩比能耗最小;玉米秸秆在含水率65%和压缩频率为0.5次/min时,压缩比能耗最小。从表4可以看出,压缩频率和含水率对小麦秸秆和玉米秸秆压缩比能耗影响均显著。随着压缩频率的减慢和含水率的增加,秸秆压缩比能耗逐渐减小。由公式(1)可知,压缩比能耗的大小与压缩载荷直接相关,含水率的增大因减小筒壁摩擦而导致压缩载荷减小,进而减小压缩比能耗;压缩频率的减慢通过减少压缩次数导致压缩载荷减小,进而降低压缩比能耗。表5中小麦秸秆压缩频率1与0.75次/min比能耗和含水率15%与35%比能耗均没有显著差异,说明在一定范围内,压缩频率的增大和含水率的减小没有从本质上增大比能耗。表6中压缩频率0.5与0.75次/min的玉米秸秆比能耗和含水率45%与65%的玉米秸秆比能耗均没有显著差异,说明压缩频率的减小和含水率的增加对于对玉米秸秆压缩比能耗的减小是有极限的,本试验范围内,小于0.75次/min压缩频率和大于45%含水率对于玉米秸秆压缩比能耗的减小无实际意义。4含水率、压缩频率对比能耗的影响1)同一品种小麦秸秆,当物料含水率在15%~55%时,随着压缩频率的增加,比能耗逐渐增大;同一品种的玉米秸秆,当物料含水率在25%~65%时,随着压缩频率的增加,比能耗也逐渐增大。含水率和压缩频率对压缩系统秸秆比能耗均有显著影响(P<0.05)。2)同一品种的小麦秸秆和玉米秸秆,当压缩频率在0.5~1次/min时,随着含水率的增加,比能耗相应减小。较高含水率小麦秸秆经反复压缩后压缩能耗变化速率加快。3)本研究主要针对秸