紅松球果和木屑制備顆粒燃料成型工藝研究

李勇,萬道印

(黑龍江省林業(yè)科學(xué)院佳木斯分院,黑龍江 佳木斯 154000)

紅松球果即松科(Pinaceae)松屬(Pinus)常綠喬木紅松(Pinuskoraiensis)的松塔[1]。隨著紅松松子采集和加工產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，每年產(chǎn)生數(shù)以萬噸計(jì)的球果脫種剩余物。當(dāng)前關(guān)于紅松球果資源利用的研究較少，脫種后的剩余物通常被直接燃燒，污染環(huán)境的同時(shí)造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

生物質(zhì)顆粒加工是近年來發(fā)展成熟的一種新型生物質(zhì)燃料制備成型方法。以農(nóng)林廢棄物、采伐剩余物等為原料，壓縮成棒狀、顆粒狀可燃物料，具備燃燒性能好，熱效率高、污染小等優(yōu)點(diǎn)，而且方便貯存和運(yùn)輸[2]。

以紅松球果脫種剩余物為原料，研究其與木屑復(fù)配制備顆粒燃料成型工藝的關(guān)鍵技術(shù)[3]，以期將廢棄的球果資源得到高效、高附加值再利用，為實(shí)際生產(chǎn)提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)材料、儀器與試劑

紅松球果脫種剩余物與(針葉樹)鋸木屑(采集自黑龍江省伊春市大箐山縣帶嶺鎮(zhèn))，制粒機(jī)(江蘇牧羊集團(tuán)有限公司)，固體樣品粉碎機(jī)(上海新諾儀器設(shè)備有限公司)，電熱鼓風(fēng)干燥箱(上海博迅實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠)，分析天平(上海民橋精密科學(xué)儀器有限公司)，電子天平(浙江永康五鑫恒器有限公司)，電子秤(梅特勒-托利多公司)，濕度測量計(jì)(深圳市源恒通科技有限公司)、游標(biāo)卡尺、噴壺、量杯、標(biāo)準(zhǔn)篩(目數(shù)為10、12、14、16)。

2 試驗(yàn)方法

準(zhǔn)確稱取一定質(zhì)量經(jīng)粉碎篩選后的紅松球果脫種剩余物和木屑，按相應(yīng)比例混合，調(diào)節(jié)原料含水率和制粒機(jī)環(huán)模壓縮比，原料進(jìn)入環(huán)模后，通過壓輥與環(huán)模之間相互擠壓形成顆粒，計(jì)算顆粒密度[4-5]。

2.1 單因素試驗(yàn)

2.1.1 篩分粒徑的選擇。分別稱取篩分粒徑小于1.0、1.2、1.4、1.7 mm的原料，按球果脫種剩余物和木屑質(zhì)量比1∶7的比例混合，調(diào)節(jié)含水率為10%，環(huán)模壓縮比為5.5∶1，比較顆粒燃料密度，確定最佳篩分粒徑。

2.1.2 原料混合比例的選擇。稱取篩分粒徑小于1.2 mm的原料，調(diào)節(jié)含水率為10%，環(huán)模壓縮比為5.5∶1，比較球果脫種剩余物和木屑分別按質(zhì)量比1∶1，1∶4，1∶7，1∶9混合時(shí)的顆粒密度，確定最佳混合比例。

2.1.3 含水率的選擇。稱取篩分粒徑小于1.2 mm的原料，按球果脫種剩余物和木屑質(zhì)量比1:7的比例混合，調(diào)節(jié)環(huán)模壓縮比為5.5∶1，比較含水率分別為6%、8%、10%、12%、14%、16%時(shí)的顆粒密度，確定最佳含水率。

2.1.4 環(huán)模壓縮比的選擇。稱取篩分粒徑小于1.2 mm的原料，按球果脫種剩余物和木屑質(zhì)量比1:7的比例混合，調(diào)節(jié)含水率為10%，比較環(huán)模壓縮比分別為3.5∶1、4∶1、4.5∶1、5∶1、5.5∶1、6∶1時(shí)的顆粒密度，確定最佳環(huán)模壓縮比。

2.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，以篩分粒徑、混合比例、含水率、環(huán)模壓縮比為影響因素，以顆粒密度為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行L9(34)的正交試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化工藝。正交試驗(yàn)因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 正交設(shè)計(jì)因素與水平設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

3.1 篩分粒徑對顆粒密度的影響

由試驗(yàn)結(jié)果(圖1)可知，隨著原料篩分粒徑的增大，顆粒燃料密度始終呈現(xiàn)下降趨勢。球果脫種剩余物富含揮發(fā)油，是天然的粘結(jié)劑，原料的篩分粒徑越小，顆粒之間的相互作用面積就越大，顆粒之間的黏接力越強(qiáng)。

圖1 篩分工粒徑對顆粒密度的影響

3.2 原料混合比例對顆粒密度的影響

由試驗(yàn)結(jié)果(圖2)可知，紅松球果脫種剩余物和木屑的混合比例對成型燃料的顆粒密度影響顯著，當(dāng)原料混合比例為1∶7時(shí)，顆粒燃料密度最大，確定為本試驗(yàn)的最佳混合比例。

圖2 混合比例對顆粒密度的影響

3.3 含水率對顆粒密度的影響

由試驗(yàn)結(jié)果(圖3)可知，隨著原料含水率的增加，顆粒燃料密度不斷增大；當(dāng)含水率達(dá)到12%時(shí)，顆粒燃料密度最大；確定為本試驗(yàn)的原料最適含水率；繼續(xù)增加原料含水率，顆粒密度增幅有限。

圖3 含水率對顆粒密度的影響

3.4 環(huán)模壓縮比對顆粒密度的影響

由試驗(yàn)結(jié)果(圖4)可知，隨著環(huán)模壓縮比的增大，成型顆粒燃料密度逐漸增大；當(dāng)壓縮比為5.5∶1時(shí)，顆粒密度達(dá)到最高，確定為本試驗(yàn)的最佳環(huán)模壓縮比；繼續(xù)增大壓縮比，顆粒密度隨之減小。

圖4 環(huán)模壓縮比對顆粒密度的影響

3.5 正交試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果(表2)可知，4個(gè)因素對顆粒密度影響的主次順序?yàn)锽>D>A=C，即混合比例>環(huán)模壓縮比>篩分粒徑=含水率；優(yōu)化的最佳組合為A2B2C2D2，即篩分粒徑1.4，混合比例1∶7，含水率12%，環(huán)模壓縮比5.5∶1。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

將優(yōu)化的最佳組合A2B2C2D2與(表2)中的最優(yōu)組合A1B2C2D2進(jìn)行對比驗(yàn)證試驗(yàn)(見表3)。

表3 驗(yàn)證試驗(yàn)

由試驗(yàn)結(jié)果(表3)可知，最佳提取工藝條件為A2B2C2D2：篩分粒徑1.4，混合比例1∶7，含水率12%，環(huán)模壓縮比5.5∶1。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)以紅松球果脫種剩余物和木屑為原料，利用成型設(shè)備加工生物質(zhì)顆粒燃料。通過單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，確定加工生物質(zhì)顆粒的最佳工藝條件為：篩分粒徑1.4，混合比例1∶7，含水率12%，環(huán)模壓縮比5.5∶1，在此工藝條件下，顆粒燃料密度為1.201 g/cm3。