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，我國生物質(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)大學研制的HPB -Ⅳ型液壓驅(qū)動活塞式成型機以及合肥某公司研制的TYK -Ⅱ型成型機表明了相關(guān)技術(shù)已經(jīng)達到了國內(nèi)先進水平。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，如對原料的適應(yīng)性廣、產(chǎn)量高、輥模壽命長等，因而平模壓縮成型技術(shù)在國內(nèi)外具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
本試驗采用的是平模壓縮成型機，它是模輥式壓縮成型機的一種。目前國內(nèi)外模輥式成型機的壓縮成型試驗大多是以農(nóng)作物秸稈、稻草等為原料進行的，肖宏儒等以麥秸稈、稻草等為原料進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)模顆粒成型機進行冷成型技術(shù)試驗研究；等以麥秸稈為原料進行平模制塊試驗研究；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顆粒燃料特性的影響。對于以油茶果殼為原料進行壓縮成型試驗的研究尚未見報道。
本研究通過對油茶果殼原料進行大量的壓縮成型試驗，得出成型過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)。本試驗為生物質(zhì)資源化利用的預處理技術(shù)提供了一定的科學數(shù)據(jù)。1、儀器與方法
1.1試驗裝置
MZLP400型平模顆粒燃料成型機，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示；9FQ40 - 20型秸稈粉碎機；TCS -C型電子臺秤（最大稱重量100kg，上海銀鐸稱重設(shè)備有限公司）；DHG - 9075A型恒溫干燥箱（上海一恒科學儀器有限公司）；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。
1.2試驗方法
1.2.1試驗準備首先將100kg自然干燥的油茶果殼原料粉碎成粒度為2 mm的顆粒，然后測定其含水率（實際測得含水率為12.5%）。將試驗原料分成兩等份，根據(jù)試驗需要進行調(diào)濕處理，使含水率分別為13%、15%，加水量通過公式。秸稈顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料如下：
(1)計算得到；調(diào)濕后測得原料的實際含水率分別為13. 2%、15.1%。密封2h后進行預試驗，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低導致的。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，%。
在上述預試驗的基礎(chǔ)上，筆者將粉碎成粒度2 mm、重200 kg的細小顆粒分成4等份，分別做調(diào)濕處理，將其含水率分別調(diào)至試驗所需值，再密封備用。由于物料水分過高時，成型顆粒出模時容易松散或者不成型，因此本試驗的原料含水率控制在16%~ 24%。在試驗中，每測完一組含水率即換一次篩網(wǎng)，并重復上述原料粉碎及調(diào)濕過程，進行后續(xù)試驗。
本試驗參照CEN/TS 14778 - 1-2005《Solid biofuels -sampling - methods for sampling》進行取樣，測量并記錄相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。
1.2.2試驗設(shè)計本試驗采用的是冷態(tài)壓縮成型工藝。該工藝不需要外部加熱，其成型機理是在一定壓力和原料含水率條件下，靠物料擠壓成型時所產(chǎn)生的摩擦熱使物料中的木質(zhì)素軟化和黏合，進而致密成型。在生物質(zhì)原料壓縮成顆粒的過程中，除了受粒子的物理特性和制粒過程中變量（即壓力、溫度）的影響外，還受原料的種類、含水率、粉碎后粒子大小等的影響。依據(jù)生物質(zhì)冷態(tài)壓縮成型的機理及各主要因素對成型過程影響的大小，本試驗選取原料含水率、粒徑大小2個主要影響壓縮成型的因素作為研究探討的對象，考察它們對顆粒成型率、成型機噸料電耗及顆粒燃料密度的影響規(guī)律。本試驗選取含水率分別為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）的條件下進行單因素試驗。
2、結(jié)果與分析
原料含水率、粒度與顆粒燃料各指標的關(guān)系見表1。
2.1對顆粒燃料密度的影響
Mani等研究發(fā)現(xiàn)，原料含水率、粒度對生物質(zhì)顆粒燃料的密度有明顯影響；Wamukonya等研究表明，當壓力不變且含水量在要求范圍內(nèi)時，隨著含水量的升高，原料的壓縮密度可達到最大值。由表1可以看出，原料的含水率及粒度對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，當含水率為18.1%時，顆粒燃料密度最大。原因可能是物料在壓縮過程中，適當?shù)暮磕軌蚱鸬絺鬟f壓輥壓力和潤滑的作用，從而能輔助粒子的互相填充以及促進原料成型，并且在壓縮過程中不會產(chǎn)生過多的蒸汽，因而壓縮成型后的燃料不會變成松散的狀態(tài)。此外，在適當含水率范圍內(nèi)的原料密度也會逐漸增大。如果水分過高，壓縮過程中所產(chǎn)生的高溫會使物料中的水分蒸發(fā)而產(chǎn)生過多的蒸汽，這些蒸汽不斷從顆粒燃料中溢出，就會導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，當粒度大于4mm時，下降的幅度變大。含水率為18.1%、粒度為2 mm時顆粒燃料密度最大，為1.12 g/cm3。有關(guān)學者在對不同粒度原料進行壓縮成型試驗時發(fā)現(xiàn)，在相同的壓力及其他試驗條件下，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，從整個成型系統(tǒng)的效率來看，隨著粒度的減小，原料的粉碎效率會急劇下降，因而粉碎電耗會急劇上升，系統(tǒng)效率就會隨之下降。另一方面，在相同的含水率條件下，當原料粒度小到一定程度時，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，當原料含水率為18.1%。時，顆粒成型率達到最大，為89.2%。在粒度為8mm、原料含水率從18.1%增加到23. 8%的過程中，顆粒成型率下降了69%。分析其原因可能是適當?shù)暮繉δ举|(zhì)素的軟化、塑化有促進作用，從而有利于原料的成型。盛奎川等在研究成型燃料成型機理時發(fā)現(xiàn)，當含水率過高時，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。此外原料水分過高還會造成機器卡死的現(xiàn)象，而含水率過低則會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，當孔徑大于4mm時，下降的幅度越來越大。含水率為18.1%、粒度為2mm時的成型率達到最大，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并占據(jù)優(yōu)勢，顆粒黏結(jié)力增大，有利于成型。
試驗結(jié)果表明，原料含水率對成型率的影響尤為顯著，含水率過高或過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)，成型過程才能正常進行。
2.3對噸料能耗的影響
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，當原料含水率為18.1%時，能耗最低。分析其原因可能是因為適當?shù)暮坎坏欣谠系某尚停�能起到潤滑作用，從而減少物料與模具內(nèi)壁的摩擦，降低了能耗。如果原料含水率過高，壓縮過程中的水分被擠壓分布于粒子層間，則會增加物料與模具內(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。當篩網(wǎng)孔徑大于4mm時，噸料能耗增加的幅度較大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能因為原料粒度越小，在壓力作用下粒子之間越容易發(fā)生緊密充填、嵌合，使得制粒機的單位產(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，成型率會不斷下降，導致成型過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。
由本研究對原料含水率、粒度對顆粒燃料密度、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)才能保證整個壓縮成型過程的順利進行。本試驗結(jié)果顯示：當原料含水率在15.1%～23.8%時，原料都能部分成型，說明平模制粒機對原料水分的適應(yīng)性較強，本成型試驗的最佳含水率為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，粉碎效率會急劇下降，粉碎能耗會急劇升高，因此本試驗的最佳粒度為4mm。
基于本研究中原料含水率、粒度對成型率、噸料能耗的影響分析，可以得出結(jié)論：原料含水率對成型率的影響大于原料粒度；而原料粒度對制粒過程中能耗的影響卻較原料含水率大。
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