压力和温度对加拿大一枝黄花燃烧块压制的影响

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(责任编辑葛华忠櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒)
doi ：10．3969/j．issn．1000－8101．2013．01．021
压力和温度对加拿大一枝黄花燃烧块压制的影响
陈戈萍
（南京森林警察学院，南京210046）
摘
要：对不同压力和温度下压制的加拿大一枝黄花燃烧块的燃烧特性进行了实验分析，结果表明:不同压力压
制的燃烧块其燃烧效率、有焰燃烧时间差异显著;不同温度下压制出的燃烧块其燃烧效率、有焰燃烧时间有极显著差异，总燃烧时间和无焰燃烧温度差异显著;其他不同压力、温度和两者交互作用与各指标间的差异均不显著。

经多重比较，各种压力下60ħ压制出的燃烧块是最优的，可以为用户提供优质的燃烧块。

同时，压制燃烧块过程中，加温不应超过70ħ，超过此温度，燃烧块的燃烧特性会明显变差。

关键词：加拿大一枝黄花;燃烧块;压力;温度;燃烧特性
Influence of pressure and temperature on combustion characteristics of briquette with Solidago canaden-sis L．straw ∥CHEN Ge-ping
Abstract ：An experimental study was carried out on combustion characteristics of Solidago canadensis L．briquette prepared in different pressure and temperature conditions．The results showed that the compression pressure had significant influence on combustion efficiency and flaming combustion time of the briquette．Temperature exerted more significant influence on these two characteristics and its influence on total combustion time and flameless combustion temperature were also signifi-cant while the influence of interaction of pressure and temperature was not significant．Multiple comparison showed that 60ħwas the optimal temperature to prepare the briquette and when the temperature was higher than 70ħ，its performances of combustion would turn worse．
Key words ：Solidago canadensis L．；briquette ；pressure ；temperature ；combustion characteristics Author ’s address ：Nanjing Forest Police College ，Nanjing 210046，China
收稿日期：2012－08－08修回日期：2012－09－03基金项目：中央财政高校科研专项（编号：YB201211）。

作者简介：陈戈萍（1962－），女，副研究员，主要从事森林资源管理研
究工作。

E-
mail ：709924738@qq．com 生物质能是绿色植物进行光合作用而形成的有
机物质贮藏的能量，与太阳能、风能等同属可再生能
源，是仅次于石油、煤炭、天然气的第四大能源［1］
，作为一种可存储的可再生能源，引起了世界各国的广泛
关注
［2－3］。

将生物质进行压缩固化，使其转化为高品
位燃料是生物质能利用的重要方法［4］。

生物质压块改善了松散生物质的燃烧性能，其热值相当于中质煤
炭，提高了生物质储存、运输的方便性和安全性，具有巨大的市场竞争力［5］。

然而，生物质成型燃料生产中存在原料持续供应、燃烧性能等方面的问题，解决好这些问题是确保生物质成型和利用产业发展的关键，尚有大量的工作需要进行［6］。

被称为“生态杀手”［7］的外来入侵种加拿大一枝黄花（Solidago canadensis L．）兼有有性和无性繁殖方式，对环境具有极强的适应能力，已引起入侵地灌木成片死亡，严重影响农作物产量和质量，威胁到我国生态安全［8－9］，已经引起我国林业部门的高度重视。

国家林业局已将加拿大一枝黄花列入林业危险性有害生物名单，并建议上海、浙江、江苏、安徽、福建、江西、山东、河南、湖北、湖南、广东、广西、海南、重庆、四川、贵州、云南等17个省（市）、自治区将之列入林业检疫性有害生物省级补充名单进行管理［10］。

加拿大一枝黄花在上海、江苏、浙江等地区发生面积大，危害尤重。

如上海全市加拿大一枝黄花发生面积高达7787．97hm2，占调查面积的8．29%，造成本土30多种杂草消亡，形成单优群落，破坏了入侵地植被的生态平衡［11］；江苏全省加拿大一枝黄花发生面积折实16667hm2，主要分布在沿河、山坡、沿路、田埂、荒地及弃用库区、厂区、开发区等［10］。

按照作者在南京仙林大学城对加拿大一枝黄花的样地调查（2012年7月2日，尚未开花）计算，其根、径、叶年产量（绝干质量）依次为：924．3、2085．0、1264．8kg/hm2，合计4274．1kg/hm2。

以此推算，江苏全省加拿大一枝黄花的年产量可到达71236t。

参照麦秸的热值［5］16302 16720kJ/kg的平均值计算，江苏全省加拿大一枝黄花的年热值贮量可达1．18ˑ1012kJ，可折合标准煤（GB/T3715—2007规定标准煤的热值为29．27MJ/kg）40314t，这是一个非常具有利用价值的潜在植物资源。

本研究将加拿大一枝黄花压制成燃烧块，探索压力和温度对燃烧块压制效果的影响，以期为加拿大一枝黄花的综合防治和利用，以及解决生物质成型燃料生产和利用过程中存在的原料持续供应短缺、燃烧性能差异大等问题提供借鉴。

1实验材料与装置
1．1燃烧块的压制
1．1．1使用的设备
研究使用的设备是宝轮精密检测仪器有限公司生产的“BL－6170－C手动压片机”，压块模具规格为220mmˑ220mmˑ150mm。

1．1．2燃烧块压制的工艺流
程
1．1．3燃烧块压制的技术指标
（1）压力选择：选择20、32和50t3种压力进行燃烧块压制实验。

（2）温度控制：压制过程中选择以下几种温度控制：常温、40、60、70、80、40 80ħ。

其中，40、60、70、80ħ的升温过程均为达到设定的温度后，继续加热0．5h，即使设定温度保持0．5h的恒温；而40 80ħ则是在0．5h内使温度由40ħ升至80ħ，升至80ħ后即刻停止加温。

（3）黏合剂的种类和用量：在预制实验中发现，加拿大一枝黄花粉碎后不加任何黏合剂的情况下，虽然也能够压制成型，但制成的燃烧块晒干后很易碎，不便堆放和运输。

为此，选择变性（玉米）淀粉作为黏合剂。

当然，仅仅从压制成型的角度看，变性淀粉用量越大，黏合的效果越好，但必将影响燃烧块的燃烧效果，并增加成本。

本研究分别用加拿大一枝黄花碎屑与黏合剂的体积比、质量比进行了实验，结果表明，以10%质量分数黏合剂压制出的燃烧块便可达到一定的强度。

这既可保证堆放和运输过程中不碎，又能满足无污染、成本增加甚微和不影响燃烧效果等要求。

1．2燃烧装置
使用的“MDF－01型阻燃木材燃烧测试装置”主要有外径为175mm的圆形钢支架，直径3．2mm钢丝焊接成的正方形试件支承架，厚度1mm的不锈钢板制成的火焰保护罩；前侧设有一玻璃观察窗，观察窗尺寸为195mmˑ180mm，保护罩顶端设有直径70mm的排烟口；排烟口上方温度的测定采用精度Ⅱ级、外径3mm的镍铬－镍硅铠装热电偶。

燃烧器由直径50mm的喷头和调节阀组成，并设有8个直径8mm 的空气吸入孔；温度指示仪量程0 800ħ，精度1．0级，与热电偶配套使用；气体（燃气）流量计流量范围0．025 0．250m3/h；数字定时器定时范围0 24min，级差1s。

天平感量0．01g。

2研究方法
2．1取样
为了比较不同压力和温度下燃烧块的燃烧特性，采取随机抽样，每种条件下的燃烧块随机抽取1块，
将被抽中的燃烧块切割成相同质量的3个方块试样，试样的质量为（23．0ʃ0．5）g，共测定54个样本。

2．2试样的放置
为防止试样在燃烧过程中从试件支承架上脱落，作者设计了一个半球形的60目钢丝网球放在试件支承架底部，将燃烧试样垂直放在半球体中部。

在试件支承架下方平铺一块薄玻璃板，以便承接燃烧的灰烬。

2．3测试指标
2．3．1燃烧效率
按照中华人民共和国公共安全行业标准《阻燃木材燃烧性能试验方法》（GA/T42．1—92）的固定进行燃烧效率实验：将数字定时器设定为3min（引燃时间），将燃气流量计旋至最大（0．25m3/h），点燃燃烧器后按下开启按钮，燃烧器自动旋转至试件支承架下部，并在3min时自动移出。

燃烧器移出后试样继续燃烧直至消灭后，将网球中的燃烧剩余物和玻璃板上的灰烬收集在一起称量。

用下式计算燃烧效率：
燃烧效率=燃烧前质量－燃烧后质量
燃烧前质量
ˑ100%。

2．3．2燃烧时间
自燃烧器移出至火焰熄灭计为有焰燃烧时间，自无火焰至熄灭（无炭火）计为无焰燃烧时间，两者之和计为燃烧时间，单位min。

2．3．3火焰高度
指燃烧块上表面至火焰顶端的高度，单位cm。

2．3．4有焰燃烧温度和无焰燃烧温度
温度指示器显示的温度，热电偶距离燃烧块上表面平均高度为（36ʃ5）cm。

有焰燃烧温度和无焰燃烧温度是指各自燃烧阶段指示器温度开始下降时的温度。

单位ħ。

2．4统计分析方法
利用SPSS13．0统计分析软件的多因变量方差分析，分析不同压力和不同温度对燃烧效率、有焰燃烧时间、无焰燃烧时间、总燃烧时间、火焰高度、有焰燃烧温度和无焰燃烧温度的影响。

在方差分析的基础上，利用SPSS统计分析软件的最小显著差法（LSD），对差异显著的影响因子做多重比较。

3结果与分析
3．1不同压力和温度压制出的燃烧块燃烧性的差异比较
统计分析表明，不同压力压制的燃烧块其燃烧效率、有焰燃烧时间差异显著；不同温度下压制出的燃烧块其燃烧效率、有焰燃烧时间极显著，总燃烧时间和无焰燃烧温度差异显著；其他不同压力、温度和两者交互作用与各指标间的差异均不显著（表1）。

表1不同压力和温度下燃烧块燃烧性的方差分析
变异来源自
由
度
燃烧效率
/%
均方F值
有焰燃烧时间
/min
均方F值
无焰燃烧时间
/min
均方F值
总燃烧时间
/min
均方F值
火焰高度
/cm
均方F值
有焰燃烧温度
/ħ
均方F值
无焰燃烧温度
/ħ
均方F值
压力216．7503．740*4．9193．518*2．9900．9715．4591．9028．7200．463156．7220．2581148．5741．670温度520．2014．510＊＊5．8674．197＊＊3．6911．1999．1993．205*10．8990．578365．2890．6012143．6303．117*压力ˑ温度101．4940．3331．8151．2992．1170．6883．5831．24810．9920．583190．2780．313895．0191．301随机误差364．4791．3983．0792．87118．852607．574687．722
总和53
3．2不同压力燃烧块燃烧效率、有焰燃烧时间的差异性
压制燃烧块的压力越大，燃烧块的燃烧效率和有焰燃烧时间就越低（表2）。

在5%的显著性水平上，就燃烧块的燃烧效率而言，20t和50t压制差异显著，32t与20、50t之间无显著差异。

就有焰燃烧时间而言，20t与32、50t之间均有显著差异，而32t与50t之间无显著差异。

表2不同压力燃烧块燃烧效率、有焰燃烧时间
均值的LSD法多重比较
压力/t燃烧效率/%有焰燃烧时间/min
2091．820a4．053a
3290．546ab3．246b
5089．928b3．074bc
注：表中小写字母为5%显著性水平下的差异性，下同。

3．3不同温度燃烧块燃烧效率、有焰燃烧时间、总燃烧时间和无焰燃烧温度的差异性
3．3．1不同温度燃烧块燃烧效率的多重比较60ħ下压制出的燃烧块，不仅燃烧效率最高，而且与其他几种加温条件的燃烧效率均有极显著的差异（表3）。

而其他几种温度间不论是在5%的显著性水平上，还是在1%的显著性水平上均无显著差异。

因此可以推出，加温对燃烧块燃烧效率的影响60ħ可以视为一个临界点：60ħ之前，由于变性淀粉的黏合性没有得到充分的发挥，使得燃烧块的密度较小，影响了颗粒间的热传导，使得燃烧效率降低；加温超过了60ħ，变性淀粉出现了硬化、焦化，少量的一枝黄花碎屑出现了炭化，使燃烧效率降低。

表3不同温度燃烧块燃烧效率、温度和时间均值的LSD法多重比较
温度/ħ燃烧效率
/%
无焰燃烧温度
/ħ
有焰燃烧时间
/min
总燃烧时间
/min
6093．719a A156．778bc4．673a A9．526ab 4090．869b B154．111bc4．143ab A9．500ab
常温90．316b B155．889c3．329bc A10．129a
40 8089．976b B175．000ab3．269bc A8．712abc 7089．911b B169．333abc2．701c B7．504c 8089．799b B194．000a2．629c B7．969bc 注：表中大写字母为1%显著性水平下的差异性。

3．3．2不同温度燃烧块无焰燃烧温度的多重比较由表3可看出，在5%的显著性水平上，就无焰燃烧温度而言，60、40ħ和常温只与80ħ有显著差异；常温与40 80、80ħ有显著差异；70ħ与其他所有加温条件均无显著差异；80ħ与常温、40、60ħ之间有显著差异，而与40 80、70ħ之间无显著差异。

3．3．3不同温度燃烧块有焰燃烧时间的多重比较由表3显示，有焰燃烧时间，在5%的显著性水平上，60ħ除了与40ħ无显著差异外，与其他几种加温条件之间均有显著差异；40ħ与80、40 80ħ有显著差异，与其他3种加温条件之间均无显著差异；常温、70ħ只与60ħ有显著差异，与其他3种加温条件之间均无显著差异；80、40 80ħ则与40、60ħ有显著差异。

在1%的显著性水平上，相互之间的差异显得简单：80ħ与40 80ħ之间无显著差异，二者与其他4种加温条件之间均有显著差异；其他4种加温条件之间均无显著差异。

3．3．4不同温度燃烧块总燃烧时间的多重比较由表3表明，在5%的显著性水平上的总燃烧时间，60、40ħ与常温、70、40 80ħ之间无显著差异，只与80ħ的有显著差异；常温与80、40 80ħ有显著差异；70ħ与其他所有加温条件下均无显著差异；80ħ与40 80ħ之间无显著差异。

4结论与讨论
（1）将“生态杀手”加拿大一枝黄花压制成燃烧块，不仅可以提供洁净的燃料，而且是实现加拿大一枝黄花综合防治和利用的有效途径，具有巨大的经济效益、生态效益和社会效益。

（2）燃烧块压制成型中的温度很重要。

研究结果表明，60ħ的加温控制为最优：不仅燃烧效率最高，有焰燃烧时间最长，而且总燃烧时间也接近最长，列第2位；同时，无焰燃烧的温度也接近最低，仅比最低的无焰燃烧温度高2．7ħ，可以作为最优质的燃烧块提供给用户。

（3）研究结果还表明，80ħ加温条件下压制的燃烧块燃烧时间最短，只有7．5min；有焰燃烧的时间也接近最短，只有2．701min；而无焰燃烧温度却最高，达到了194ħ。

对于主要以提供生活燃料的燃烧块而言，这种条件下压制出的燃烧块是不理想的，在今后压制燃烧块的工作实践中不宜采用。

（4）压力对燃烧块的燃烧效率虽然有显著的影响，但无极显著的影响。

从实验结果看，如果把显著性水平提高到1%，不同压力之间均无差异。

受仪器设备数量的限制只选择了3种压力，有必要增加压力这一因素的水平数，开展进一步的实验和比较。

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(责任编辑葛华忠)。