影响葫芦颗粒燃料成型品质的因素浅析

     作者：张海音

    水葫芦( Eichhornia  crassipes)由于繁殖能力强，易造成河道堵塞，影响航运、水利排灌和泄洪，甚至腐败变臭，污染水质，成为农业生产和环保的头号敌人，是世界各国公认的最具有危害性的外来物种之一。近年来的研究发现，水葫芦具有较强的吸收水体中的氮(N)、磷(P)以及各种有害重金属元素的能力，它能在较低的治污成本下将富营养水质转变为可直接饮用水，因而成为净化污水的“生态功臣”被广泛应用于水体修复工程实践中。水葫芦是高纤维素植物，纤维素含量高于木屑和甘蔗渣，具备转化为生物质能的潜力。水葫芦能源化利用是水葫芦资源化利用的新趋势，水葫芦固化成型制备生物质颗粒燃料是水葫芦能源化利用的一种重要途径。利用机械力将粉碎后的水葫芦原料压缩或挤压成为容积密度较大、热值较高、便于运输储藏的固体燃料，可以成为煤和薪柴的优秀替代燃料。

    国内外针对木屑、农业秸秆、牧草等生物质开展的固化成型技术的研究结果表明，压力和粒径是影响生物质颗粒燃料致密成型品质的两个重要加工参数。Adapa在研究不同压力下大麦、油菜、燕麦和小麦秸秆颗粒的成型规律时发现，在原料湿度为10%，温度为95℃的条件下，当压力由31.6 MPa上升到94.8 MPa时，大麦、油菜、燕麦和小麦秸秆颗粒燃料的颗粒密度分别提高了8.9%，19.1% ,16.7%和14.5%；Shaw在研究原料粉碎粒径对杨树木屑和小麦秸秆成型品质的影响时提出，当锤片式粉碎机的筛孔直径由0.8 mm增大到3.2 mm时，保持温度100℃，压力126.4 MPa,湿度I5%不变，杨树木屑与小麦秸秆颗粒燃料的颗粒密度分别下降了6.2%和7.4%。目前，国内外生物质成型技术的研究主要针对陆生植物，而对水葫芦等水生植物成型条件的研究却很少。本文在试验的基础上研究了压力和粒径两个加工参数对水葫芦颗粒燃料成型品质的影响，通过SPSS17.0回归分析，建立压力和粒径与颗粒燃料品质指标之间的数学模型，最后优化计算出在单因素试验条件下水葫芦颗粒燃料成型品质最好时的加工参数，为制备高质量的水葫芦颗粒燃料提供理论依据。

    1材料与方法

    1.1原料采集

    试验用水葫芦样品于2014年10月采集自昆明滇池明波水葫芦采收场。新鲜水葫芦经过机械采收和机械挤压脱水后，湿度由原来的95%以上下降到80%左右，并放置于户外自然干燥3周。当水分降到20%以下后，储存于实验室备用。

    1.2原料粉碎及粒径测试

    将水葫芦原料分别用筛眼直径为1，2,3，4，5mm的锤片式粉碎机粉碎，粉碎后的水葫芦原料分别用振筛机（TLS-200型）进行筛分，测试其算术平均粒径。振筛机采用7层金属丝网国际标准筛（IS03310-1系列），标准筛按筛眼直径3.15，2.8，1.4，1.0，0.5，0.25 mm从大至小、从上至下依次摆放，最底层标准筛下附加托盘，顶层标准筛上附加顶盖。测试方法：分别将100 g不同粉碎粒径的水葫芦样品放置在标准筛的最上层，振动筛分15 min后，用电子天平（精度0.1 g）分别称量每一层筛子上保留样品的质量m．，用式(1)计算出测试样品的算术平均粒径，测试结果如表1所示。

    式中：D为测试样品的算术平均粒径，mm;di为每层筛分平均直径，mm；mi为筛分15 min后每层筛子上保留样品的质量，g。

    1.3原料湿度测试及调节

    粉碎后的水葫芦样品按国家农产品含水量测定标准( GB/T  14095-2007)测定其初始湿度。具体方法：将100 g（湿重W1）水葫芦样品放置于恒温干燥箱中，干燥箱温度设置为103±2 °C．干燥时间为8h，此时样品的重量没有明显下降，将样品取出，放人干燥器内冷却至室温，然后立即称量样品重量，即为样品的干重W2。用式(2)计算样品的初始湿度(初始含水量)M，原料初始湿度测试结果为13.6%。

    式中：M为样品湿度，%；W1为样品湿重，g；W2为样品干重．g。

    将不同粒径的水葫芦样品湿度统一调节为12%。先用公式(2)计算出150 g水葫芦样品中应该去除的水分重量，用原重减去应去除的水分重量，得到样品干燥后的预定重量。然后将样品放置于恒温干燥箱内干燥，干燥温度设置为103±2℃C。干燥过程中适时监测样品重量的变化。当样品重量达到预定值时，立即停止干燥，此时样品的湿度即为12%。将调节好湿度的样品从干燥箱中取出，分别放置于密封塑料袋内，保存于5 0C的冰箱中备用。

    1.4试验设备

    水葫芦颗粒燃料压缩试验在自制的生物质颗粒燃料成型试验设备上完成，该装置由冲头、冲模、加热元件、温度传感器、控制箱、底座等部分组成（图1）。圆筒形冲模内径为中8 mm．长度为160mm，其外壁装有加热元件，可以将冲模由外向内加热。冲模末端有一通向内壁的小孔，小孔内装温度传感器，用于检测冲模内壁温度。当冲模内壁温度升高至预设温度时，温度传感器将信号输送到控制箱，控制箱及时断开加热元件电源，加热元件停止加热，冲模温度便保持在预设温度范围内。工作时自制生物质颗粒燃料成型试验设备需配合电子万能试验机( CMT6104)使用，冲模放置于底座上，而底座固定于电子万能试验机的下工作台上，将直径为Φ8 mm，长度为200 mm的冲头固定于电子万能试验机的上工作台上，可随上工作台上、下移动。

    1.5试验设计和方法

    颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力是衡量颗粒燃料品质的重要指标之一，一般认为颗粒密度和径向抗压力越大，颗粒燃料的致密成型品质就越好。根据已有文献可知，不同的生物质颗粒燃料在致密成型过程中，最佳的成型压力一般在150MPa以下，而粉碎机筛眼直径的选择一般为1～5mm。本研究中将因素变量压力确定为5个水平：29.9，59.7，89.6，119.4，149.3 MPa，所对应的电子万能试验机的工作压力分别为1.5，3.0，4.5，6.0, 7.5  kN．而粉碎机筛眼直径也确定为5个水平：1，2，3，4，5 mm。

    在压力的单因素影响试验中，将湿度为12%、粉碎机筛眼直径为2 mm的1.1 g水葫芦样品加入冲模中，冲模温度预设为100 0C，电子万能试验机的工作压力设置为5个水平：1.5，3.0，4.5，6.0,7.5 kN。当压力达到预定工作压力时，冲头停止加载并保载Ss，处于冲模中的水葫芦样品便在不同的压力下压缩成型。最后将压缩成型的颗粒燃料取出，冷却后放置于密封塑料袋中室温保存。

    在粒径的单因素影响试验中，将湿度为12%、粉碎机筛眼直径分别为1，2，3，4，5 mm的1.1 g水葫芦样品分别加入冲模中，冲模预设温度调节为100 ℃，电子万能试验机工作压力设置为6 kN。试验结束后保载5s，将压缩成型的水葫芦颗粒燃料取出，冷却后放置于密封塑料袋中室温保存。

    2结果与分析

    2.1试验结果

    不同加T参数下，每一个试验水平的水葫芦颗粒燃料样品总量大概150粒，从中任选5粒作为试验测试样品。首先用电子天平（精度0.1 g）测试每粒颗粒燃料的质量，然后用数显游标卡尺（精度0.01 mm）测试颗粒长度。根据颗粒长度和颗粒直径(Φ8 mm)计算出颗粒燃料的体积。再用质量除以体积得到每粒颗粒燃料的颗粒密度，最后计算出5粒颗粒燃料的平均颗粒密度。

    又将任选的每一个试验水平的5粒测试样品，分别水平放置于电子万能试验机的下压头上，由试验机的上压头从颗粒燃料的径向加载直至其破碎，测试每粒颗粒燃料的最大承载能力即为径向抗压力，最后计算出5粒颗粒燃料的平均径向抗压力。计算结果列于表2和表3中。

    2.2湿度和温度的单因素试验结果分析

    2.2.1压力的影响

    如图2显示，在固定因素为粉碎机筛眼直径2mm，湿度12%，温度100℃的条件下，随着压力的增加，颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力都呈现先上升后下降的趋势。当压力由29.9 MPa上升到119.4 MPa时，颗粒燃料的颗粒密度由1 111.54kg/m3上升到1 365.76 kg/m3，增加了22.9%；径向抗压力由1.05 kN上升到1.42 kN,增加了35.2%。而当压力由119.4 MPa升高到149.3 MPa时，颗粒密度却降低到1 352.91 kg/m3，下降了0.9%；径向抗压力下降到1.38 kN,下降了2.8%。分析其主要原因：生物质颗粒燃料在成型过程中，生物质化学组成中淀粉、蛋白质、木质素和纤维素是天然粘接剂，在一定的压力下它们受挤压而分离出来，并在一定的湿度和温度下发生相应的物理、化学反应，产生粘接功能，将生物质颗粒紧密粘接起来。但是过大的压力使颗粒燃料内部产生微裂纹，反而会降低颗粒燃料的颗粒密度和机械强度。

    2.2.2粒径的影响

    如图3显示，在同定因素为压力119.4 MPa,湿度1 2%，温度100℃的条件下，随着原料粉碎粒径的增大，颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力都一直呈现下降趋势。当粉碎机筛眼直径由1 mm增加到5 mm，水葫芦样品的平均粒径由0.43 mm增加到1.07 mm时，颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力分别由1 371.87 kg/m3和1.47 kN下降到1 336.20 kg/m3和1.24 kN，分别下降了2.6%和15.6%。分析其主要原因：生物质原料颗粒的粒径越大，颗粒之间的相互作用面积就越小，在一定的压力和温度下，颗粒之间的粘接力也就越弱，不利于生物质颗粒燃料的同化成型。

    2.3回归分析与建模

    为了进一步研究压力和粒径对水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力的影响规律，采用SPSS17.0统计分析软件对它们的关系进行回归分析，目标函数分别设为水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力，而因素变量分别设置为压力和粒径。通过制作散点图，得知目标函数和因素变量之间的关系均为非线性关系，然后分别采用幂函数、指数函数、负指数函数、对数函数和二次函数等非线性函数与之拟合，发现用二次函数拟合压力与颗粒密度和径向抗压力的关系时拟合度最高（R2最大），而用对数函数拟合粒径与颗粒密度和径向抗压力的关系时拟合度最高(R2最大)。所以本文采用一元二次非线性回归方程来拟合压力与颗粒密度和径向抗压力的关系，而采用对数函数拟合粒径与颗粒密度和径向抗压力的关系。式(4)，(5)分别为一元二次非线性回归模型和对数函数回归模型。

    式中f(x)为目标函数，本文中分别为颗粒燃料的颗粒密度( kg/m3)和径向抗压力(kN)；戈为因素变量，本文中分别为压力(MPa)和粒径(mm)；B0，B1，B：为待定的回归曲线系数。

    采用SPSS17.0统计分析软件，得到的目标函数与因素变量的回归方程及回归方程显著性检验结果见表4，回归曲线见图4。

从表4中可以看出，压力与颗粒密度和径向抗压力回归方程的决定系数R2分别为0.997 4和0.966 4．表示它们的相关程度分别为99.74%和96.64%：粒径与颗粒密度和径向抗压力回归方程的决定系数R2分别为0.924 8和0.923 8，表示它们的相关程度分别为92.48%和92.38%。从回归方程的显著性检验结果可知，在显著性水平a=0.05下，压力与颗粒密度、粒径与颗粒密度和径向抗压力回归方程的显著性P<O.Ol，说明因素变量与目标函数之间的回归关系极为显著，而压力与径向抗压力回归方程的显著性O.01<P<0.05，说明回归关系显著，4个回归方程都能够反映观测值与预测值之间的关系。对压力与颗粒密度和径向抗压力的一元二次非线性回归方程分别求解极值，得出在单因素条件下水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力最高时的压力分别为126.5MPa和123.2 MPa。

    3结论

    本研究以水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力为指标，以压力和粒径为因素变量，在其它加工因素不变的条件下，研究它们对水葫芦颗粒燃料成型品质的单因素影响。在固定因素为粉碎机筛眼直径2 mm，湿度12%，温度100 0C的条件下，随着压力的增加，颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力都呈现先上升后下降的趋势。当压力由29.9 MPa上升到119.4MPa时，颗粒密度和径向抗压力分别增加了22.9%和35.2%；而当压力由119.4 MPa升高到149.3 MPa时，颗粒密度和径向抗压力反而分别降低了0.9%和2.8%。压力与颗粒密度的回归方程为y=-0.027 lx2+6.854 3x+933.82，回归方程的决定系数R2为0.997 4，回归关系极为显著：压力与径向抗压力的回归方程为y=-0.000 04x2+0.010 9x+ 0.747 7，回归方程的决定系数R2为0.966 4．回归关系显著。颗粒密度和径向抗压力最高时的压力分别为126.5 MPa和123.2 MPa。

    在固定因素为压力119.4 MPa，湿度12%,温度100℃的条件下，随着样品粒径的增加，颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力都一直呈现下降的趋势。当水葫芦样品的平均粒径由0.43 mm增加到1.07 mm时，颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力分别降低了2.6%和15.9%。粒径与颗粒密度和径向抗压力的回归方程分别为y =-43.149ln(x）+1 336.6和y=-0.239 31n（x）+1.287 2，回归方程的决定系数R2分别为0.924 8和0.923 8，回归关系极为显著。 

    4摘要：

    试验研究了压力和粒径两个加工参数对水葫芦颗粒燃料成型品质的影响。首先在原料湿度为12%,，温度为100 cC，粉碎机筛眼直径为2 mm的条件下，研究了压力的变化(29.9，59.7，89.6，119.4， 149.3 MPa)对水葫芦颗粒燃料成型品质的影响；然后在压力为119.4 MPa,湿度为12%.，温度为100 DC的条件下， 研究了粉碎机筛眼直径的变化(1，2，3，4，5 mm)对水葫芦颗粒燃料成型品质的影响。通过SPSS17．O回归分析，分别建立压力、粒径与水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力的数学模型。研究结果表明，压力与颗粒密度和径向抗压力的同归关系是一元二次函数，而粒径与颗粒密度和径向抗压力的回归关系是对数函数。在上述条件下，当压力分别为126.5 MPa和123.2 MPa时，水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力最高。