摘要：研究了影響油茶果殼
顆粒燃料平模壓縮成型過(guò)程中的原料含水率、粒度2個(gè)主要因素與顆粒成型率、顆粒燃料密度及成型機(jī)噸料電耗之間的關(guān)系，確定了顆粒燃料成型過(guò)程中原料的最佳含水率及篩網(wǎng)孔徑（用以表征原料的粒度）。結(jié)果表明：在同一篩網(wǎng)孔徑下，隨著原料含水率的增加，顆粒燃料密度及成型率減小，成型機(jī)的噸料電耗增加；在相同含水率條件下，隨著篩網(wǎng)孔徑的減小，顆粒燃料密度及成型率增加，而成型機(jī)噸料電耗卻減少。由于孔徑為2 mm的篩網(wǎng)粉碎能耗較高，因此選擇的最佳篩網(wǎng)孔徑為4mm;選擇的最佳含水率為18.1%，富通新能源主要生產(chǎn)銷(xiāo)售環(huán)模式
木屑顆粒機(jī)、
秸稈制粒機(jī)、
鋸末顆粒機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備。
關(guān)鍵詞：油茶果殼；粒度；成型率；單位電耗；篩網(wǎng)孔徑
近年來(lái)，我國(guó)生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)已經(jīng)取得了快速發(fā)展，并日趨成熟。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HPB -Ⅳ型液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)以及合肥某公司研制的TYK -Ⅱ型成型機(jī)表明了相關(guān)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。由于平模壓縮成型技術(shù)與其他壓縮成型技術(shù)相比有諸多優(yōu)點(diǎn)，如對(duì)原料的適應(yīng)性廣、產(chǎn)量高、輥模壽命長(zhǎng)等，因而平模壓縮成型技術(shù)在國(guó)內(nèi)外具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
本試驗(yàn)采用的是平模壓縮成型機(jī)，它是模輥式壓縮成型機(jī)的一種。目前國(guó)內(nèi)外模輥式成型機(jī)的壓縮成型試驗(yàn)大多是以農(nóng)作物秸稈、稻草等為原料進(jìn)行的，肖宏儒等以麥秸稈、稻草等為原料進(jìn)行平模壓縮成型技術(shù)研究；何曉峰等以玉米秸稈和麥秸稈為原料，利用
環(huán)模顆粒成型機(jī)進(jìn)行冷成型技術(shù)試驗(yàn)研究；等以麥秸稈為原料進(jìn)行平模制塊試驗(yàn)研究；Stelte等以麥秸稈為原料制作顆粒燃料，并探討原料表面的蠟對(duì)顆粒燃料特性的影響。對(duì)于以油茶果殼為原料進(jìn)行壓縮成型試驗(yàn)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。
本研究通過(guò)對(duì)油茶果殼原料進(jìn)行大量的壓縮成型試驗(yàn)，得出成型過(guò)程中的最佳原料含水率為18.1%，最佳篩網(wǎng)孔徑為4mm(即最佳原料粒度)。本試驗(yàn)為生物質(zhì)資源化利用的預(yù)處理技術(shù)提供了一定的科學(xué)數(shù)據(jù)。
1、儀器與方法
1.1試驗(yàn)裝置
MZLP400型平模顆粒燃料成型機(jī)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示；9FQ40 - 20型
秸稈粉碎機(jī)；TCS -C型電子臺(tái)秤（最大稱(chēng)重量100kg，上海銀鐸稱(chēng)重設(shè)備有限公司）；DHG - 9075A型恒溫干燥箱（上海一恒科學(xué)儀器有限公司）；BS124S型電子天平（精度0.001 g，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）；孔徑分別為2、4、6、8 mm的篩網(wǎng)及孔徑為6 mm的篩子各1個(gè)。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備首先將100kg自然干燥的油茶果殼原料粉碎成粒度為2 mm的顆粒，然后測(cè)定其含水率（實(shí)際測(cè)得含水率為12.5%）。將試驗(yàn)原料分成兩等份，根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行調(diào)濕處理，使含水率分別為13%、15%，加水量通過(guò)公式。秸稈顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料如下：
(1)計(jì)算得到；調(diào)濕后測(cè)得原料的實(shí)際含水率分別為13. 2%、15.1%。密封2h后進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：調(diào)濕后含水率為13.2%的物料并未成型，而含水率為15. 1%的物料能成型，但成型率非常低。初步分析認(rèn)為：含水率為13.2%的物料未成型的原因是由于物料含水率過(guò)低導(dǎo)致的。式中：m水為需要加的水量，kg；G為原料的原始重量，kg;P為需要調(diào)至的含水率，%。
在上述預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，筆者將粉碎成粒度2 mm、重200 kg的細(xì)小顆粒分成4等份，分別做調(diào)濕處理，將其含水率分別調(diào)至試驗(yàn)所需值，再密封備用。由于物料水分過(guò)高時(shí)，成型顆粒出模時(shí)容易松散或者不成型，因此本試驗(yàn)的原料含水率控制在16%~ 24%。在試驗(yàn)中，每測(cè)完一組含水率即換一次篩網(wǎng)，并重復(fù)上述原料粉碎及調(diào)濕過(guò)程，進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。
本試驗(yàn)參照CEN/TS 14778 - 1-2005《Solid biofuels -sampling - methods for sampling》進(jìn)行取樣，測(cè)量并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)本試驗(yàn)采用的是冷態(tài)壓縮成型工藝。該工藝不需要外部加熱，其成型機(jī)理是在一定壓力和原料含水率條件下，靠物料擠壓成型時(shí)所產(chǎn)生的摩擦熱使物料中的木質(zhì)素軟化和黏合，進(jìn)而致密成型。在生物質(zhì)原料壓縮成顆粒的過(guò)程中，除了受粒子的物理特性和制粒過(guò)程中變量（即壓力、溫度）的影響外，還受原料的種類(lèi)、含水率、粉碎后粒子大小等的影響。依據(jù)生物質(zhì)冷態(tài)壓縮成型的機(jī)理及各主要因素對(duì)成型過(guò)程影響的大小，本試驗(yàn)選取原料含水率、粒徑大小2個(gè)主要影響壓縮成型的因素作為研究探討的對(duì)象，考察它們對(duì)顆粒成型率、成型機(jī)噸料電耗及顆粒燃料密度的影響規(guī)律。本試驗(yàn)選取含水率分別為16%、18%、20%、22qo、24%(經(jīng)調(diào)濕后原料含水率分別為16. 20/0、18. 1%、19. 90/0、22.2%、23.8%)的原料，在篩孔直徑分別為2、4、6、8 mm（即原料粒度分別為2、4、6、8 mm）的條件下進(jìn)行單因素試驗(yàn)。
2、結(jié)果與分析
原料含水率、粒度與顆粒燃料各指標(biāo)的關(guān)系見(jiàn)表1。
2.1對(duì)顆粒燃料密度的影響
Mani等研究發(fā)現(xiàn)，原料含水率、粒度對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料的密度有明顯影響；Wamukonya等研究表明，當(dāng)壓力不變且含水量在要求范圍內(nèi)時(shí)，隨著含水量的升高，原料的壓縮密度可達(dá)到最大值。由表1可以看出，原料的含水率及粒度對(duì)顆粒燃料密度的影響較大。在同一篩孔直徑下，隨著含水率的增加，顆粒燃料密度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)含水率為18.1%時(shí)，顆粒燃料密度最大。原因可能是物料在壓縮過(guò)程中，適當(dāng)?shù)暮磕軌蚱鸬絺鬟f壓輥壓力和潤(rùn)滑的作用，從而能輔助粒子的互相填充以及促進(jìn)原料成型，并且在壓縮過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的蒸汽，因而壓縮成型后的燃料不會(huì)變成松散的狀態(tài)。此外，在適當(dāng)含水率范圍內(nèi)的原料密度也會(huì)逐漸增大。如果水分過(guò)高，壓縮過(guò)程中所產(chǎn)生的高溫會(huì)使物料中的水分蒸發(fā)而產(chǎn)生過(guò)多的蒸汽，這些蒸汽不斷從顆粒燃料中溢出，就會(huì)導(dǎo)致壓縮成型后的燃料變得很松散，因此密度也就隨之下降。
由表1還可以看出，在同一含水率條件下，顆粒燃料密度隨著粒度的增加而降低，當(dāng)粒度大于4mm時(shí)，下降的幅度變大。含水率為18.1%、粒度為2 mm時(shí)顆粒燃料密度最大，為1.12 g/cm3。有關(guān)學(xué)者在對(duì)不同粒度原料進(jìn)行壓縮成型試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在相同的壓力及其他試驗(yàn)條件下，原料的粒徑越小則越容易成型，且顆粒燃料密度隨著粒度的減小而增大。但是粒度不是越小越好，一方面，從整個(gè)成型系統(tǒng)的效率來(lái)看，隨著粒度的減小，原料的粉碎效率會(huì)急劇下降，因而粉碎電耗會(huì)急劇上升，系統(tǒng)效率就會(huì)隨之下降。另一方面，在相同的含水率條件下，當(dāng)原料粒度小到一定程度時(shí)，其成型的燃料密度的增加幅度不大，這與Lindley等的研究結(jié)果基本相符。因此考慮到整個(gè)成型系統(tǒng)的效率及綜合能耗，應(yīng)盡量選擇較大孔徑的篩網(wǎng)，從而選擇較大的原料粒度。
2.2對(duì)顆粒成型率的影響
表1可以看出，在同一粒度下，顆粒成型率隨原料含水率的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)原料含水率為18.1%。時(shí)，顆粒成型率達(dá)到最大，為89.2%。在粒度為8mm、原料含水率從18.1%增加到23. 8%的過(guò)程中，顆粒成型率下降了69%。分析其原因可能是適當(dāng)?shù)暮繉?duì)木質(zhì)素的軟化、塑化有促進(jìn)作用，從而有利于原料的成型。盛奎川等在研究成型燃料成型機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率過(guò)高時(shí)，粒子在垂直于最大主應(yīng)力方向上能夠充分延展，粒子之間能夠嚙合，但由于原料含水量較多，壓縮時(shí)被擠出后分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而造成原料不易成型。此外原料水分過(guò)高還會(huì)造成機(jī)器卡死的現(xiàn)象，而含水率過(guò)低則會(huì)使粒子得不到充分的延展，粒子之間不能夠緊密結(jié)合，也不易成型。
由表1還可以看出，在同一含水率條件下，隨著粒度的增加，原料成型率在不斷下降，當(dāng)孔徑大于4mm時(shí)，下降的幅度越來(lái)越大。含水率為18.1%、粒度為2mm時(shí)的成型率達(dá)到最大，為89.2%。分析原因可能是在壓力作用下，原料的粒度越小，粒子之間越容易發(fā)生緊密充填、嵌合，使得顆粒之間分子的吸引力顯著增強(qiáng)并占據(jù)優(yōu)勢(shì)，顆粒黏結(jié)力增大，有利于成型。
試驗(yàn)結(jié)果表明，原料含水率對(duì)成型率的影響尤為顯著，含水率過(guò)高或過(guò)低均不利于原料成型，只有將含水率控制在一定的范圍內(nèi)，成型過(guò)程才能正常進(jìn)行。
2.3對(duì)噸料能耗的影響
由表1可以看出，在同一篩孔直徑下，噸料能耗隨著原料含水率的升高呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，當(dāng)原料含水率為18.1%時(shí)，能耗最低。分析其原因可能是因?yàn)檫m當(dāng)?shù)暮坎坏欣谠系某尚停�能起到潤(rùn)滑作用，從而減少物料與模具內(nèi)壁的摩擦，降低了能耗。如果原料含水率過(guò)高，壓縮過(guò)程中的水分被擠壓分布于粒子層間，則會(huì)增加物料與模具內(nèi)壁之間的摩擦，從而增加能量的消耗。
由表1還可以看出，在相同原料含水率條件下，噸料能耗隨著篩網(wǎng)孔徑的增加而增加。當(dāng)篩網(wǎng)孔徑大于4mm時(shí)，噸料能耗增加的幅度較大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能因?yàn)樵狭６仍叫。趬毫ψ饔孟铝Ｗ又g越容易發(fā)生緊密充填、嵌合，使得制粒機(jī)的單位產(chǎn)量平均能耗就越小。基于以上分析可知，隨著原料粒度的增大，成型率會(huì)不斷下降，導(dǎo)致成型過(guò)程中大量的粉料需要繼續(xù)成型，因此降低了顆粒燃料的產(chǎn)量，增加了能耗。
由本研究對(duì)原料含水率、粒度對(duì)顆粒燃料密度、成型率及噸料電耗的影響分析得出：18.1%的含水率、4mm的篩網(wǎng)孔徑為本試驗(yàn)的最佳成型條件。
3、結(jié)論
原料含水率是影響生物質(zhì)壓縮成型的重要因素，只有將原料的含水率控制在一定的范圍內(nèi)才能保證整個(gè)壓縮成型過(guò)程的順利進(jìn)行。本試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)原料含水率在15.1%～23.8%時(shí)，原料都能部分成型，說(shuō)明平模制粒機(jī)對(duì)原料水分的適應(yīng)性較強(qiáng)，本成型試驗(yàn)的最佳含水率為18.1%。
粉碎后原料的粒度是影響生物質(zhì)壓縮成型的另一大因素。試驗(yàn)表明，在相同的含水率條件下，隨著原料粒度的減小，顆粒燃料密度、成型率在不斷增加，成型機(jī)的噸料能耗在不斷減小；此外，隨著原料粒度的減小，粉碎效率會(huì)急劇下降，粉碎能耗會(huì)急劇升高，因此本試驗(yàn)的最佳粒度為4mm。
基于本研究中原料含水率、粒度對(duì)成型率、噸料能耗的影響分析，可以得出結(jié)論：原料含水率對(duì)成型率的影響大于原料粒度；而原料粒度對(duì)制粒過(guò)程中能耗的影響卻較原料含水率大。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明：富通新能源秸稈顆粒機(jī)
www.ac12313.com
