秸秆颗粒冷态压缩成型过程的比能耗回归分析_胡建军

DOI:10.13941/j.cnki.21-1469/tk.2010.01.007

第28卷第1期2010年2月

RenewableEnergyResources

可再生能源

Vol.28No.1Feb.2010

秸秆颗粒冷态压缩成型过程的比能耗回归分析

胡建军1，雷廷宙2，沈胜强3，郭前辉1，刘军伟4，李在峰4

（1.河南农业大学机电工程学院，河南郑州大学能源与动力学院，辽宁大连摘

450002；2.河南省科学院，河南郑州450008；3.大连理工

450008）

116026；4.河南省生物质能源重点实验室，河南郑州

要：对5种秸秆颗粒冷态压缩成型过程进行开式试验研究，将其压缩成型过程分为松散、过渡、压紧和推

移4个阶段，回归了不同阶段的压力方程，采用Matlab软件计算出整个压缩成型过程中的比能耗值。以小麦秸秆为例，采用二次回归通用旋转组合设计，建立了压缩速度、物料含水率2个因素与比能耗的数学模型，结果表明，压缩速度的影响比含水率大，且二者均为负效应。关键词：秸秆；冷态压缩成型；比能耗；压缩速度；含水率中图分类号：TK6

文献标志码：A

文章编号：1671-5292（2010）01-0029-04

Regressionanalysisonspecificenergyconsumption

inthepelletizingprocessofstraw

HUJian-jun1，LEITing-zhou2，SHENSheng-qiang3，GUOQian-hui1，LIUJun-wei4，LIZai-feng4

（1.MechanicalandElectricalCollegeofHenanAgriculturalUniversity,Zhengzhou450002,China;2.Henan

AcademyofSciences,Zhengzhou450008,China；3.EnergyandPowerAcademyofDalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China;4.BiomassEnergyKeyLabofHenanProvince,Zhengzhou450008,China）

Abstract：Openexperimentstudywithfivekindsofstrawswasintroducedinthisarticle.Therewerefourstagesforthepalletizingprocess,loosestatestage,transitionstage,compressingstageandpushingstage.Andregressionequationswerebuiltondifferentstages.Specificenergycon-sumptionwascomputedbyMatlabalongthepelletizingprocess.Forwheatstrawasinstance,mathematicalmodelbetweencompressingspeed,moistureratioandspecificenergyconsumptionwasbuiltbyQuadraticRegression.Itwasfoundthatcompressingspeedhadmorenegativeeffectonspecificenergyconsumption.

Keywords：straw;compressmolding;specificenergyconsumption;compressingspeed;moistureratio0

引言

目前,国内外秸秆压缩成型技术的成型工艺主要分为常温湿压成型、热压成型、炭化成型和冷态压缩成型4种，成型方式分为“闭式”压缩和“开式”压缩2种[1]，[2]，常见的成型设备主要包括螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机[3]。无论哪种压缩成型技术，比能耗均是考察压缩成型工艺设计是否合理的重要性能指标之一。比能耗是指在单位时间内生产成型燃料所消

耗的能量与该段时间内生产的成型燃料质量的比值。压缩成型所需的能耗主要由2部分组成：克服物料与成型部件内壁摩擦所消耗的能量和物料变形所消耗的能量[4]，[5]。

压辊式颗粒成型机具有能耗低、产量高、原料适应性强等优点，因而成为当前研究和开发的热点。但市场上销售的压辊式颗粒成型机的设计不尽合理，造成其比能耗较高，大大制约了其工业化应用的程度。为此，本研究采用万能试验机和自制

收稿日期：2009-06-02。

基金项目：国家“863”计划项目子课题（2001AA514010）；河南省自然科学基金项目（0611021100）。

作者简介：胡建军（1977-），男，博士研究生，副研究员，主要从事生物质能领域的研究与开发。E-mail：hu.jianjun@http://wendang.chazidian.com

··

可再生能源

的“开式”压缩成型装置，对5种秸秆的“开式”颗粒冷态压缩过程进行比能耗试验，研究压缩速度、缩成型参数，为压辊式颗粒成型机的工业优化设计提供参考依据。

压强/MPa

2010，28（1）

cd

含水率等因素对比能耗的影响规律，选取最佳压

1试验原料与装置1.1试验原料

试验原料为郑州市郊区常见5种秸秆（小麦秸秆、玉米芯、玉米秸秆、稻草和棉花秸秆）。首先采用微型粉碎机将原料粉碎，清除原料里的杂质，然后将原料放入马弗炉中，在105℃下干燥8h后分类封存。待原料温度降至室温时，根据试验需要进行配水试验，按照不同含水率将原料分别封存于黑色塑料袋中。

a

o

b

X1X2

变形/mm

图2秸秆压缩成型特性曲线

Fig.2Compressingcharacteristiccurvewithstraw

型特性曲线定义为4个阶段，即松散阶段（oa区间）、过渡阶段（ab区间）、压紧阶段（bc区间）和推移阶段（cd区间）。在松散阶段和过渡阶段，物料主要发生弹性变形，在压紧阶段物料主要发生塑性变形，在推移阶段物料主要发生弹粘性变形[7]。

1.2试验装置

本试验所用仪器为WDW－50型微机控制电子万能试验机，试验额定压力为50kN，横梁移动速度为2～200mm/min。针对压辊式颗粒成型机的特点，专门设计了一套“开式”颗粒压缩成型试验装置（图1），其中套筒内径为15mm，模具内径

[6]

2.2比能耗计算

本研究采用压强和位移构成的曲线面积经换算后计算比能耗，压杆在物料压缩成型过程中所作的功可按下式近似计算[8]：

W=

为10mm，模具长径比为5.2，模具开口锥度为

450。

夹具连接销压杆套筒物料模具底座

乙PAdx=乙（ax+b）Adx+乙ce乙（fx+g）Adx+dx

′

dL/（L-x）

Adx+

（1）

比能耗为：

（2）E=W/m

式中：P为压强，MPa；A为压缩套筒内部截面积，

m2；x为压杆的位移，m；a，b，c，d，f，g为试验系数；L为压缩套筒高度，m；为物料发生应力松弛时

的平均压强，MPa；A′为模具内部截面积，m2；m为被压缩物料的质量，kg。

比能耗的具体计算步骤：提取不同压缩成型条件下的试验数据，按照不同压缩成型区间分别进行回归分析，得出每个区间的压强回归方程，代入式（1）中，采用Matlab软件计算出能耗数值，然后通过式（2）即可得出比能耗。5种秸秆原料在不同压缩成型条件下的比能耗数据见表1。

5种秸秆原料的比能耗数据

Table1Energyconsumedataoffivekindsofstraws

种类

含水率

压缩速度

能耗

质量

比能耗

图1秸秆颗粒燃料开式压缩成型试验装置

Fig.1Equipmentchartofstrawpelletfuelopen

compressingmoldingexperiment

试验前先进行秸秆原料预压处理，使原料填满套筒。启动万能试验机程序，即可自动生成每次试验的压力和活塞位移曲线图。

2试验结果及分析

由试验结果可知，虽然压缩成型条件不同，但

表1

2.1压缩成型特性曲线

它们的压缩成型特性曲线均存在着相同的变化规律（图2）。

由图2可知，秸秆颗粒冷态压缩成型过程比较复杂。为便于计算比能耗数据，本研究将压缩成%8

mm/min204060

10-3kJ200.954199.340177.110165.563

10-3kg3.5503.5503.2153.628

kJ/kg56.61256.14155.08745.630

小麦秸秆1220

胡建军，等秸秆颗粒冷态压缩成型过程的比能耗回归分析

续表1

含水率

压缩速度

能耗

质量

比能耗

时，随着含水率的增加，比能耗也相应减小。不同秸秆原料的比能耗差异较大，其中稻草比能耗变化范围最大，玉米芯次之，小麦秸秆、玉米秸秆和棉花秸秆的比能耗比较接近且较小，说明当冷态压缩成型的工艺参数（如物料含水率和压缩速度）在一定范围变化时，稻草和玉米芯的适应性较差，压缩成型效果不佳。

10-3kg3.7853.9923.8923.6843.9904.8775.1955.3205.0924.8945.0655.2025.2845.0753.9203.8664.1874.3964.3264.2214.4554.8074.5854.4704.1974.7425.5225.1015.0086.1055.9636.1294.6604.8614.3144.5784.6605.0035.1265.2515.063

kJ/kg45.20142.72044.89343.16741.47055.49554.41748.27641.81141.50339.36134.60434.13433.38351.22250.70950.64543.47142.17340.80542.17539.56537.34766.92864.26559.25348.04545.05344.80240.24238.59738.23458.33456.59456.37253.69352.43651.41549.34248.65148.095

%mm/min4060

10-3kJ171.064170.548174.715159.034165.466270.671282.707256.850212.916203.129199.361180.008180.369169.423200.781196.052212.025191.079182.442172.223187.910190.184171.230299.183269.753280.989265.32229.857224.379245.69230.165234.336271.796275.090243.177245.766244.316257.224252.905255.467243.485

16

204060204060204060204060

8

2.3比能耗回归模型

从5种秸秆颗粒冷态压缩成型试验结果可知，压缩速度和物料含水率对比能耗的影响较大。为了进一步研究压缩速度和含水率对比能耗的影响程度，现以小麦秸秆为例，采用二次回归通用旋转组合设计，建立小麦秸秆的比能耗二次回归模型。

玉米芯12

16

8204060

2.3.1试验方法

试验设计的因素水平编码见表2。

表2

水平z上星号臂（+1.414）上水平（+1）零水平（0）下水平（-1）下星号臂（-1.414）变化间距△j

因素水平编码表

压缩速度x1/mm·min-1

含水率x2/%

玉米秸秆12204060

Table2Codingtableforlevelfactor

68.2860402011.7220

21.6620161210.344

16204060

8204060

2.3.2试验结果

压缩速度和物料含水率对比能耗影响的结果见表3。

表3

二因素二次回归正交试验结果

稻草

12204060

16204060

Table3Orthogonaltestresulttablefortwo-factorquadraticregression

因素试验号

z01111111111111

z111-1-11.414-1.4140000000

z21-11-100

z1z21-1-1100

z121111220000000

z221111002200000

yikJ/kg37.55642.72043.33645.63139.47046.89341.34646.14143.76743.34744.87543.95444.500

8204060

12345678910111213Bj

棉花秸秆12204060

16204060

1.4140-1.414000000

00000

由表1可以看出，虽然同一种秸秆原料在不同压缩成型条件下的比能耗有所差异，但都存在相同的变化规律，即当原料含水率一定时，随着压缩速度的增加，比能耗逐渐减小；当压缩速度一定

563.536-19.18-14.23-2.869341.970344.210

··

可再生能源

表3中，z0，z1，z2为单因素水平，z1z2，z12，z22为两因素交互作用水平，yi为响应变量。

2010，28（1）

2.3.3回归系数计算

当p=2时，查二次回归通用旋转组合设计的参数表可知：

QU/fU

（15）=23.84＞F0.01（5，7）=7.46

e2e2

上述公式中：SST为总平方和；Qe2为剩余平方和；

F=

QU为回归平方和；Qe为误差平方和；QLf为失拟平方和；FLf为拟合度检验；fT为总自由度；fe2为剩余自由度；fU为回归自由度；fe为误差自由度；fLf为

失拟自由度。

从上述结果可以看出，回归是显著的，故得出的二次回归模型是合适的。

K=0.2，E=-0.1，F=0.14375，G=0.01875，e-1=0.125，mc-1=0.25

由下述公式可得：

b0=KΣyi+EΣΣZy=44.09

2iji

i=1

j=1i=1

13213

（3）（4）（5）（6）

2.3.5回归系数的显著性检验（记Qe2/fe2=MSe2）

=121.72

姨e2

b1

t1==8.37姨e2b2

t2==6.21姨e2b12

t12==2.77

姨ce2

b11

t11==2.41

姨e2

bt22==2.5

姨e2t0=

（16）（17）（18）（19）（20）（21）

b1=eb2=e

-1

ΣZi1yi=-2.4

i=113

i2i

13

-1

i=113

ΣZy=-1.78

b12=mc-1ΣZi1Zi2yi=-0.72

i=1

b11=（F-G）ΣZi1yi+GΣΣZij2yi+

i=1

j=1i=1

13213

EΣyi=-0.74

i=1

13

（7）

2

13

b22=（F-G）ΣZi2yi+GΣΣZij2yi+

i=1

j=1i=1

13

上述公式中：t0，t1，t2，t12，t11，t22为回归方程各回归系数的检验统计量；MSe2为剩余平方和与剩余自

（8）

由度的比值。

查t分布的双侧分位数表可得，t0.1（7）=1.895，

EΣyi=-0.46

i=1

13

上述公式中：p为因素个数；K为水平和；E为期望值；F为回归方程的检验值；G为变异系数；e为自然变量整数部分；mc为试验点数；b0，b1，b2，

t0.05（7）=2.365，t0.01（7）=3.499，t0.001（7）=5.405，这说

明回归系数在不同程度上是显著的。

由于设计中各因素均经无量纲线性编码处理，且各一次项回归系数bj之间，各交互项、平均项的回归系数间均是不相关的，因此可以由回归系数绝对值的大小来直接比较各因素对比能耗的影响。本试验中压缩速度的影响比含水率大，且二者均为负效应。

b12，b11和b22为回归方程的各个回归系数。

回归方程为y=44.09-2.4z1-1.78z2-0.72z1z2-0.74z12-0.46z22

2.3.4回归方程检验

SST=Σyi2-i=113

213

13

=82.76ΣΣyΣ

13

i

2

i=12

2

fT=12（9）

3结论

Qe2=Σyi2-ΣbjBj-ΣΣbkjBkj=4.59

i=1

j=0

k=1j=k

fe2=7（10）

（11）

①秸秆颗粒冷态压缩成型过程可分为松散阶

段、过渡阶段、压紧阶段和推移阶段，在松散阶段和过渡阶段物料主要发生弹性变形，压紧阶段物料主要发生塑性变形，推移阶段物料主要发生弹粘性变形。

QU=SST-Qe2=78.171

Qe=Σy-i=9

2i13

fU=5

fe=4

ΣΣ

13i=9

Σyi2=1.46

（12）（13）（14）

QLf=Qe2-Qe=3.13fLf=3Q/f

FLf=LfLf=2.86＜F0.1（3，4）=4.19

ee

②当同一秸秆原料的含水率（在本试验的研

究范围内）一定时，随着压缩速度的增加，比能耗逐渐减小；当压缩速度

（下转第35页）

季祥，等产脂肪酶菌株的筛选及其固定化的研究

2.52OD560

1.510.500

4812162024283236404448525660

时间/h

由表4可知，固定化细胞的酶活力有所下降，但是固定化后的细胞可以重复催化转酯化反应。

3结论

①本研究从富油土壤中分离得到1株高产脂肪酶杆菌BD3，通过测定其生理生化特征并查阅

细菌鉴定手册，初步确定该菌为假单胞菌属。

BD3菌株的生长曲线

Fig.1ThegrowthcurveofstainBD3

图1

②对BD3菌株进行固定化研究，发现由低浓

度PVA制成的固定化细胞首次催化效率明显高于由高浓度PVA制成的固定化细胞，而且固定化后细胞的酶活力低于固定化前细胞的酶活力，但固定化细胞重复使用多批次后仍然有活性。

参考文献：

2.4不同浓度PVA制成的固定化细胞催化效率

试验测定了由不同浓度PVA制成的固定化细胞催化效率（表3）。

表3

不同浓度PVA制成的固定化细胞催化效率

Table3Catalyticefficiencyoftheimmobilizedcells

%producedbyPVAofdifferentconcentrations

PVA浓度催化效率

[1][2]

施巧琴.酶工程[M].北京：科学出版社，2005.

4100

697

892

1090

1286

1480

RANGANATHANSV.Anoverviewofenzymaticproduc-tionofbiodiesel[J].BioresourTechnol，2007，60（4）：3-7.

2.5固定化前后酶活力测定结果

试验对固定化细胞进行培养，测定其酶活，结果见表4。

表4

固定化前后的酶活力

[3]邹文欣，刘慧,郁文焕.脂肪酶产生菌Serratialiguefa-

ciens的分离及其酶学性质的研究[J].南京大学学报，1996，32（4）：713-716.[4][5]

赵斌，何绍江.微生物学实验[M].北京：科学出版社,

Table4TheLipaseactivityofbacteriumbeforeU/mlandafterimmobilization

菌株状态酶活力

固定化前

固定化后第1批次

固定化后第2批次

固定化后第3批次

2002.

RE布坎南，NE吉本斯.伯杰细菌鉴定手册[M].北京：

科学出版社，1984.

4.563.732.462.12

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

[3]马彦华.新鲜草物料直接压缩过程基本规律的试验研（上接第32页）一定时，随着含水率的增加，比

能耗也相应减小。

究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2004.

③在本试验选用的5种秸秆原料中，稻草和

玉米芯的比能耗变化范围最大，说明这2种秸秆原料对工艺参数变化的适应性差，压缩成型效果不佳。

[4]REECEFN.Powerrequirementsforformingwafersinacloseddieprocess[J].TransactionsofAmericanSocietyofAgriculturalEngineers，1967，10（2）：150-151.

④以小麦秸秆为原料，通过二次回归通用旋

转组合设计，得出了压缩速度、物料含水率二因素与比能耗的数学模型：y=a-bz1-cz2-dz1z2-ez12-fz22（a，b，c，d，e，f均为试验系数）。

[5]MOHSENINN,ZASKEASKEJ.Stressrelaxationandenergyrequirementsincompassionofuncongolidatedmaterials[J].JAgric.Engng.Res,1976，21（1）：193-205.

[6]胡建军,雷廷宙，何晓峰，等.小麦秸秆颗粒燃料冷态压缩成型参数试验研究[J].太阳能学报，2008，29（2）：

⑤压缩速度和含水率对“开式”压缩成型装置

的比能耗有不同的影响，其中压缩速度的影响比含水率大，且二者均为负效应。

参考文献：

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胡建军.秸秆颗粒燃料冷态压缩成型实验研究及数值模拟[D].大连：大连理工大学，2008.

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[J].Transactionsof

AmericanSocietyofAgriculturalEngineers，1985，8

··