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煙稈和木屑如何制作生物質顆粒燃料? 木屑顆粒機|秸稈顆粒機|秸稈壓塊機|木屑制粒機|生物質顆粒機|富通新能源 / 19-12-27

   摘要:
   文章以煙稈和木屑為研究對象,首先研究了當生物質成型顆粒的成型特性最佳時,煙稈和木屑的混合比,并在此基礎上進行了單因素試驗和多因素正交試驗,得到了關于生物質成型顆粒徑向抗壓力和密度的回歸方程。研究結果表明:當煙稈含量為50%時,生物質成型顆粒的成型特性最佳;成型溫度、原料含水率和成型壓力對生物質成型顆粒密度和徑向抗壓力影響的大小順序均為成型壓力﹥成型溫度﹥原料含水率;當成型壓力為6.5 kN,成型溫度為101℃,原料含水率為13.5%時,生物質成型顆粒的徑向抗壓力取得最大值1.73 kN,顆粒密度取得最大值1 334.56 kg/m3。
    保山市位于云南省西南部,包括騰沖、施甸、龍陵、昌寧4縣以及隆陽區,國土面積為19 637km2?緹熓潜I绞械闹饕洕a業,為當地農民提供了較多的經濟收入和工作崗位。但是,烤煙的烘烤環節具有煤炭用量大、耗能多、技術要求高等缺點,這些缺點嚴重制約著烤煙產業的可持續發展。煙稈是烤煙生產過程中產生的農業廢棄物,與其他農業秸稈類似,煙稈也具有熱值低、密度小、物理形態不規則等特點,這給煙稈的能源化利用帶來了很多困難,使得煙稈的利用率較低,大量的煙稈被丟棄或在田間焚燒,造成了資源浪費和環境污染。張得政通過研究發現,煙稈的熱值可達18.663 MJ/kg,能夠作為烤煙烘烤環節的燃料。因此,以煙稈為主的農林廢棄物經成型設備壓制可制成生物質燃料替代燃煤,這種做法不僅可以節約烤煙的生產成本,減少污染,還能有效利用煙田廢棄物,清潔煙田,減少病蟲害的發生,實現“煙田廢棄物-烘烤供熱-爐灰-農田”的循環利用。
   近年來,各國的研究人員都在進行顆粒成型燃料方面的研究。Kaliyan N研究玉米芯成型顆粒燃料時發現,在成型壓力為150 MPa、原料濕度為9.4%、篩眼直徑為2 mm的條件下,當成型溫度由25℃升高至85℃時,顆粒燃料的成型密度增加了15.4%。Liu Z G通過研究發現,當原料濕度由8%升高至16%時,竹子顆粒燃料的顆粒密度提高了24.9%。Adapa P K研究了不同壓力下大麥、油菜、燕麥和小麥秸稈顆粒的成型規律。張霞通過研究發現,在成型壓力為6 kN、成型溫度為100℃、原料含水率為12%、原料粒度為0.58 mm的條件下,水葫蘆顆粒燃料的成型品質最佳。任珊珊通過研究得到了玉米秸稈最優的成型工藝,即物料的粒度為3.5 mm、含水率為16%,模具的長徑比為5∶1、開口錐度為10°、保壓孔長度為30 mm。涂德浴通過試驗得到了水稻秸稈的冷壓成型最佳工藝參數,即成型壓力為168 MPa、原料含水率為21%、原料粒徑為0~2 mm。黎演明以桉樹皮和桑樹枝為研究對象,研究了生物質成型的最佳工藝參數。
   迄今為止,有關烤煙秸稈生物質成型特性的研究較少,而將烤煙種植區的煙稈回收利用,不僅可以為當地的綠色烤煙做出貢獻,還可以降低環境污染,提高煙農的收入。因此,本文以保山地區的煙稈和木屑為原料,采用CMT6104型電子萬能試驗機進行壓縮和測試。首先分析兩種原料的最佳混合比例,在此基礎上,以成型顆粒的徑向抗壓力和密度為評價標準,通過對成型溫度、含水率和成型壓力的單因素試驗和多因素正交試驗,得出兩種原料混合制備成型顆粒燃料的最佳工藝參數,最后利用SPSS和MATLAB軟件對試驗結果進行分析。本文的研究成果不僅為工廠大規模生產高品質生物質顆粒燃料提供了理論和試驗依據,也為顆粒燃料的推廣利用提供了參考。
1.材料與方法
1.1材料處理
   將初步晾曬好的煙稈(收集于保山市西邑鄉煙田)和木屑(收集于保山市西邑鄉木材加工廠),分別用9FS-280型錘片式粉碎機(主軸轉速為5 000 r/min)進行粉碎,并用TLS-200型振篩機篩選出直徑不大于2 mm的煙稈和木屑顆粒。按照國家農產品含水率測試標準(GB/T14095-2007)測試煙稈和木屑顆粒的含水率,測試結果表明,煙稈和木屑的含水率分別為22%和32%。煙稈和木屑的成分檢測結果見表1。
1.2試驗設備
   本文用到的試驗設備包括CMT6104型電子萬能試驗機(用于生物質顆粒的成型和徑向抗壓力的測定)、HG 101-2A型烤箱(最高溫度為300℃,控制器靈敏度為1℃)、9FS-280型粉碎機、電子秤(精度為0.1 g)、游標卡尺、噴壺、量杯、濕度測量計、篩子(篩徑為2 mm)和TLS-200型振篩機。生物質顆粒成型模具(圓柱狀沖模的直徑為8mm、凹模內徑為8 mm、長度約為160 mm)和生物質成型顆粒如圖1所示。
   1.3試驗設計與方法
   1.3.1混合比例試驗
   原料粒徑越小,顆粒成型時的接觸面越大,成型的顆粒品質越好(本研究中原料的粒徑均不大于2 mm)。綜合考慮加工條件,固定成型壓力為6.0 kN、成型溫度為100℃、原料含水率為16%,以原料中煙稈的質量分數作為變量,研究煙稈和木屑的混合比例對成型顆粒成型特性的影響。將預處理后的煙稈和木屑顆粒分別按照煙稈的質量分數為100%,75%,50%,25%和0%混合為5個水平的樣品,然后在CMT6104型電子萬能試驗機上擠壓成顆粒燃料,每個水平壓制50粒,冷卻后放于密封袋中備用。從每個水平的50粒樣品中隨機選取10粒生物質顆粒進行顆粒密度和徑向抗壓力的測試,記錄并計算平均值。
1.3.2單因素試驗
   以煙稈和木屑混合樣品(煙稈的質量分數為50%)作為原料,研究成型溫度、原料含水率和成型壓力分別作為變量時對成型顆粒成型特性的影響。由于生物質原料中的木質素會在70~110℃時變軟,黏結力會增強,再加上生物質原料的含水率和成型壓力過高或者過低時,生物質顆粒均很難成型,且成品的品質得不到保證。所以在進行單因素試驗時,成型溫度的梯度為80,90,100,110,120℃,原料含水率的梯度為10%,12%,14%,16%,18%,成型壓力的梯度為1.5,3.0,4.5,6.0,7.5 kN。每個梯度壓制50粒,冷卻后放于密封袋中備用。從每個水平的50粒樣品中隨機選擇10粒生物質顆粒進行顆粒密度和徑向抗壓力的測試,記錄并計算平均值。煙桿   1.3.3多因素正交試驗
以單因素試驗的結果為基礎,進行多因素的正交試驗,正交試驗的因素及水平見表2。
   2.結果與分析
   2.1混合比例試驗的結果與分析
   在成型壓力為6.0 kN、成型溫度為100℃、原料含水率為16%的條件下,原料中煙稈含量對成型顆粒燃料成型特性的影響如圖2所示。煙桿做成的顆粒燃料   從圖2可以看出,隨著原料中煙稈含量的減少,成型顆粒的密度和徑向抗壓力均呈現出先上升后下降的變化趨勢。這是因為不同材料中的纖維素、半纖維素、木質素和蛋白質等天然粘結劑的含量不同,在一定的生產條件下,這些粘結劑會促進生物質顆粒的成型。由于煙稈和木屑中各種起粘結和加強顆粒自身牢固作用的成分的含量有所不同,因此,當煙稈和木屑的混合比例合適時,有利于生物質顆粒的成型并提升生物質顆粒的品質。當原料中的煙稈含量由100%降低到50%時,成型顆粒的密度由1 128.56 kg/m3增加到1 361.03kg/m3,增加了20.59%,徑向抗壓力由1.151 kN增加到1.436 kN,增加了24.76%;當原料中的煙稈含量繼續減少直至原料全部為木屑時,成型顆粒的密度由1 361.03 kg/m3降低到1 217.59 kg/m3,降低了10.53%,徑向抗壓力由1.436 kN降低到1.276 kN,降低了11.14%。因此,當原料中的煙稈含量為50%時,生物質成型顆粒的成型品質最佳。
   2.2單因素試驗結果與分析
   2.2.1成型溫度對成型顆粒成型特性的影響
   在成型壓力為6.0 kN,原料含水率為16%的成型條件下,成型溫度對成型顆粒成型特性的影響如圖3所示。
   從圖3可以看出,成型顆粒的密度和徑向抗壓力均隨著成型溫度的升高而呈現出先上升后下降的變化趨勢。當成型溫度由80℃升高至100℃時,成型顆粒的密度由1 160.2 kg/m3增大到了1 252.14 kg/m3,徑向抗壓力由1.145 kN增加至1.253 kN,此時生物質成型顆粒的成型特性最好;當成型溫度由100℃升高至120℃時,成型顆粒的密度由1 252.14 kg/m3降低至1 230.22 kg/m3,徑向抗壓力由1.253 kN降低至1.115 kN。這是因為在一定的成型條件下,適當地提升成型溫度會影響原料內部的蛋白質、木質素和纖維素的粘結效果,使得原料變得軟化,更易成型;如果成型溫度過高,就會破壞原料內部蛋白質和其他粘結劑的粘結特性,過高的成型溫度還會導致原料內部成分的變質,甚至變得焦糊,使得制備出的生物質成型顆粒品質變差。
   2.2.2原料含水率對成型顆粒成型特性的影響
   在成型壓力為6.0 kN,成型溫度為100℃的成型條件下,原料含水率對成型顆粒成型特性的影響如圖4所示。
   從圖4可以看出,成型顆粒的密度和徑向抗壓力均隨著原料含水率的增加而呈現出先上升后下降的變化趨勢。當原料的含水率由10%升高至14%時,成型顆粒的密度由843.00 kg/m3增加至1 223.2 kg/m3,徑向抗壓力由0.581 kN增加至1.332 kN,此時成型顆粒的成型特性最佳;當原料含水率由14%升高至18%時,成型顆粒的密度由1 223.2 kg/m3降低至1151.38 kg/m3,徑向抗壓力則由1.332 kN降低至1.150 kN。這是因為在一定的成型條件下,適當地提高原料的含水率會影響原料內部成分的粘結效果,減少內部結構的縫隙,因此,提高原料的含水率會提升原料間的緊密作用,合適的含水率也會在一定程度上軟化原料,使得顆粒更易成型;如果原料的含水率過高,則原料成型過程中會有多余的水分被擠壓出來,從而影響成型設備的正常使用,過高的含水率還會破壞原料分子間的粘結作用,導致制備出的生物質成型顆粒品質下降。
2.2.3成型壓力對成型顆粒成型特性的影響
   在原料含水率為16%,成型溫度為100℃的成型條件下,成型壓力對成型顆粒成型特性的影響如圖5所示。從圖5可以看出,成型顆粒的密度和徑向抗壓力均隨著成型壓力的增加而呈現出先上升后下降的變化趨勢。當成型壓力由1.5 kN增加至6.0 kN時,成型顆粒的密度由967.55 kg/m3增加至1 252.14 kg/m3,徑向抗壓力由0.749 kN增加至1.253 kN,此時生物質成型顆粒的成型特性最佳;當成型壓力由6.0 kN增加至7.5 kN時,成型顆粒的密度由1 252.14 kg/m3降低至1 226.66kg/m3,徑向抗壓力由1.253 kN降低至1.204 kN。
這是因為在一定的成型條件下,適當地增加成型壓力會影響原料內部的蛋白質、木質素和纖維素的粘結效果,這些天然的粘結劑在成型壓力的作用下會發生相應的物理化學反應,提高成型圧力可以較大程度地壓縮生物質顆粒的體積;如果成型壓力過高則會破壞原料的內部結構,造成顆粒內部產生裂紋,使得制備出的生物質成型顆粒品質變差。
   2.3多因素試驗結果與分析
   2.3.1正交試驗結果
   以成型壓力、成型溫度和原料含水率這3個因素作為自變量,以成型顆粒的密度和徑向抗壓力作為因變量,設計并進行多因素正交試驗,試驗結果見表3。
2.3.2 SPSS回歸分析
   應用IBM SPSS Statistics 20軟件,對正交試驗結果進行線性回歸分析。分別以徑向抗壓力(Y1)、顆粒密度為(Y2)為目標函數,以成型壓力(X1)、成型溫度(X2)、原來含水率(X3)為自變量,分析3個自變量及它們的交互作用和二次項對目標函數值的影響。在α=0.05下,剔除不顯著項可得:
   從式(1)中可以看出,自變量X1,X2和X3的前邊系數分別為2.454,0.375和-0.021,這說明成型壓力對成型顆粒徑向抗壓力的影響力度較大,成型溫度和原料含水率對成型顆粒徑向抗壓力的影響力度較小,且兩者的影響力度差別不大。從式(2)中可以看出,自變量X1,X2和X3的前邊系數分別為684.308,58.612和-1.212,這說明成型壓力、成型溫度和原料含水率對成型顆粒密度的影響表現為成型壓力最大,成型溫度次之,原料含水率最小。
   2.3.3回歸方程分析
   徑向抗壓力與顆粒密度線性回歸方程的擬合度見表4。從表4可以看出,徑向抗壓力線性回歸方程的相關系數R=0.889,決定系數R2=0.790,顆粒密度線性回歸方程的相關系數R=0.875,決定系數R2=0.766。通過線性回歸方程的擬合度分析結果可以看出,成型顆粒徑向抗壓力的變化占總變化的79.0%,顆粒密度的變化占總變化的76.6%,線性回歸方程的擬合度較高。
   2.3.4 MATLAB優化參數組合
   利用MATLAB軟件分析有約束條件的徑向抗壓力與顆粒密度線性回歸方程,得到了使成型顆粒的成型特性最佳的工藝參數。對于成型顆粒的密度,MATLAB軟件的運行結果顯示,當X1=6.725 1,X2=100.633 1,X3=13.682 6,即當成型壓力約為6.73 kN、成型溫度約為100.63℃、原料含水率約為13.68%時,成型顆粒的密度取得最大值1 334.56 kg/m3。對于成型顆粒的徑向抗壓力,MATLAB軟件的運行結果顯示,當X1=6.473 3,X2=102.365 9,X3=13.361 5,即當成型壓力約為6.47kN、成型溫度約為102.37℃、原料含水率約為13.36%時,成型顆粒的徑向抗壓力取得最大值1.73 kN。
根據上述顆粒密度和徑向抗壓力分別達到最大值時的自變量取值,結合實際生產應用的方便性,統一調整自變量的取值為成型壓力為6.5 kN,成型溫度為101℃,原料含水率為13.5%,在此條件下,生物質成型顆粒的徑向抗壓力取得最大值1.73 kN,顆粒密度取得最大值1 334.56kg/m3。
   3.結論
   ①在其他成型工藝參數一定的條件下,當煙稈和木屑的混合比例為1∶1時,煙稈和木屑成型顆粒的成型特性最佳;在其他成型工藝參數一定的條件下,當成型溫度為100℃時,煙稈和木屑成型顆粒的成型特性最佳;在其他成型工藝參數一定的條件下,當原料含水率為14%時,煙稈和木屑成型顆粒的成型特性最佳;在其他成型工藝參數一定的條件下,當成型壓力為6.0 kN時,煙稈和木屑成型顆粒的成型特性最佳。
   ②煙稈和木屑成型顆粒的最佳成型工藝參數為成型壓力為6.5 kN,成型溫度為101℃,原料含水率為13.5%,在此條件下,成型顆粒的徑向抗壓力為1.73 kN,密度為1 334.56 kg/m3。
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