鐘亮，邵增瑯，唐杏燕，王曉霞

（南京融點(diǎn)食品科技有限公司，江蘇省速溶茶粉工程技術(shù)研究中心，江蘇南京 211300）

茶渣生物質(zhì)顆粒燃料關(guān)鍵制備技術(shù)及生產(chǎn)線的研究

鐘亮，邵增瑯，唐杏燕，王曉霞*

（南京融點(diǎn)食品科技有限公司，江蘇省速溶茶粉工程技術(shù)研究中心，江蘇南京 211300）

生物質(zhì)顆粒燃料作為一種優(yōu)質(zhì)的清潔燃料，越來越受到人們的關(guān)注。以茶渣類生物質(zhì)為原料，污泥為粘合劑，對(duì)顆粒成型關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：最佳的制備技術(shù)為茶渣含水率13%～17%之間；三回程滾筒烘干機(jī)的出風(fēng)溫度為85～90℃；污泥添加比例為5%～10%；并在此基礎(chǔ)上最終建成了規(guī)?；〞r(shí)產(chǎn)3 t）、低成本茶渣生物質(zhì)燃料生產(chǎn)線，為茶葉的綜合利用提供了一種新途徑。

茶渣；生物質(zhì)顆粒燃料；生產(chǎn)線；關(guān)鍵技術(shù)；設(shè)備

能源是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的劇增，能源需求量將持續(xù)增大[1]，加之化石燃料的減少及所帶來的環(huán)境污染問題，尋找可再生能源尤為重要。生物質(zhì)燃料因其可再生、污染小等優(yōu)勢(shì)正在逐漸被人們所重視[2]，生物質(zhì)顆粒燃料主要以農(nóng)林廢棄物為原料，通過專門設(shè)備壓縮成的顆粒狀燃料[3]。我國是茶葉生產(chǎn)與消費(fèi)大國，每年都會(huì)產(chǎn)生大量的茶廢棄物，既污染環(huán)境又造成資源浪費(fèi)。關(guān)于廢棄茶渣的綜合利用國內(nèi)外作了大量研究，主要集中在提取茶渣活性成分、制備茶渣吸附劑、茶渣作為生物有機(jī)肥、動(dòng)物飼料、食用菌培養(yǎng)料等方面[4]，用茶渣制備生物質(zhì)顆粒燃料鮮有報(bào)道。

本文以廢棄茶渣為原料，研究其與污泥復(fù)配制備成型顆粒燃料的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上最終建成規(guī)?；柙镔|(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線，為茶葉深加工企業(yè)廢茶渣的處理和利用提供一種新的途徑。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

茶渣：粒徑2.36～4.75 mm，用隔膜式板框壓濾機(jī)壓榨至水分為55%～60%，壓榨壓力為1.2～1.5 Mpa，壓榨時(shí)間為20～30 min。

污泥：用隔膜式板框壓濾機(jī)壓榨至水分為68%～73%，壓榨壓力為 1.2～1.5 Mpa，壓榨時(shí)間為20～30 min。

1.2 主要儀器與設(shè)備

隔膜式板框壓濾機(jī)購自景津環(huán)保股份有限公司，壓濾面積400 m2，濾餅厚度35～40 mm；三回程滾筒烘干機(jī)購自靖江萬素機(jī)械制造有限公司；環(huán)模顆粒機(jī)購自江蘇牧羊集團(tuán)有限公司，生產(chǎn)處理能力1.5 t/h，耗電量55 kW/t，環(huán)模內(nèi)徑420 mm；DHG-9003BS電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱購自上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司；AL204電子天平購自梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司；SDACM3000量熱儀購自長沙三德實(shí)業(yè)有限公司。

1.3 方法

1.3.1 茶渣含水率對(duì)成型的影響

含水率對(duì)燃料成型的影響研究較多，大部分研究結(jié)果基本趨于一致，考慮到各學(xué)者的研究結(jié)果，制粒茶渣的含水率不大于20%[5]，試驗(yàn)分別取含水率為 9.5%、11.0%、12.3%、13.5%、15.2%、16.8%、17.7%、18.5%、20.1%的試樣，通過成型密度和顆粒外觀確定制粒茶渣的含水率。

1.3.2 三回程滾筒烘干機(jī)烘干溫度優(yōu)化

根據(jù)1.3.1研究結(jié)果，調(diào)整三回程滾筒烘干機(jī)的出風(fēng)溫度，分別設(shè)置出風(fēng)溫度為78℃、82℃、85℃、87℃、90℃、92℃、95℃幾個(gè)梯度，通過茶渣水分的測(cè)定，使茶渣含水率達(dá)到制粒要求。

1.3.3 污泥添加比例對(duì)成型燃料的影響

分別添加 0%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、40%、50%的污泥，與茶渣混合后用環(huán)模顆粒機(jī)制粒，通過測(cè)顆粒的密度及熱值，確定污泥的添加比例。

1.3.4 茶渣生物質(zhì)顆粒燃料及煤炭的工業(yè)成分分析

將制備好茶渣生物質(zhì)顆粒燃料與市售燃煤，按相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國標(biāo)進(jìn)行工業(yè)成分分析。

1.3.5 時(shí)產(chǎn)3噸茶渣生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

在前期研究的基礎(chǔ)上，按企業(yè)茶渣產(chǎn)生量設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)3 t茶渣生物質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)線。

1.4 分析方法

1.4.1 含水率測(cè)定

試樣置于恒溫干燥箱中于105±5℃的條件下烘4～8 h，冷卻后稱量。重復(fù)烘1～2 h待冷卻后稱量，直至兩次稱量之差小于樣品的百分之一。

1.4.2 成型密度測(cè)定

參照蔡文倍[5]成型密度測(cè)定方法，將成型的茶渣生物質(zhì)顆粒燃料放在室溫下使其自然風(fēng)干，使用游標(biāo)卡尺及電子天平分別對(duì)成型燃料的長度、直徑及質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定，按下列計(jì)算公式計(jì)算生物質(zhì)顆粒燃料的密度。

ρ=m/v=m/（π/4×d2×l）=4m/πd2l

其中，ρ是生物質(zhì)粒燃料的密度，單位g/cm3；m是成型燃料的質(zhì)量，單位g；v是成型燃料的體積，單位cm3；d是成型燃料的直徑，單位cm；l是成型燃料的長度，單位cm。

1.4.3 發(fā)熱量測(cè)定

按GB/T 213-2008《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》[6]規(guī)定的方法測(cè)定，以高位發(fā)熱量和低位發(fā)熱量的平均值計(jì)。

1.4.4 煤炭工業(yè)成分分析方法

煤炭的水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳的測(cè)定按GB/T 212-2008《煤的工業(yè)分析方法》[7]中規(guī)定的方法測(cè)定，全硫按GB/T 214-2007《煤中全硫的測(cè)定方法》[8]中規(guī)定的方法測(cè)定。

1.4.5 生物質(zhì)成型燃料工業(yè)成分分析方法

茶渣生物質(zhì)顆粒燃料的水分、灰分、揮發(fā)分參照生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法[9]中規(guī)定的方法測(cè)定，固定碳和全硫分別參照GB/T 212-2008[7]及GB/T 214-2007[8]中規(guī)定的方法測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 茶渣含水率對(duì)成型的影響

物料含水率對(duì)生物質(zhì)壓縮成型效果有比較大的影響，是生物質(zhì)成型過程中十分重要的因素[10]。含水率過低，木質(zhì)素不能得到充分轉(zhuǎn)化，大大降低粘結(jié)效果，增強(qiáng)粒子之間的抗壓強(qiáng)度，不僅成型困難，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生過多壓縮能耗；含水率過高，加熱過程產(chǎn)生的蒸汽不能從成型燃料中心孔排出，輕者會(huì)造成燃料開裂，表面非常粗糙，重者則會(huì)產(chǎn)生爆鳴，同時(shí)含水率過高還可能導(dǎo)致生物質(zhì)顆粒之間的導(dǎo)熱速率大大降低[11]。從表1可知，茶渣含水率低于13%時(shí)，成型密度小，成型燃料表面粗糙，有一些裂紋，成型效果一般；茶渣含水率高于17%或更高時(shí)，成型燃料表面有裂痕，隨著含水率的增加，成型效果越差，成型燃料抗摔性也越差，且易碎。茶渣含水率為15%～17%時(shí)，成型燃料表面光滑，密度較大，成型效果最佳。考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中含水率控制很難，達(dá)不到如此嚴(yán)格，故制粒茶渣含水率為13%～17%之間均可，試驗(yàn)結(jié)果符合行標(biāo)NY/T 1878-2010[12]生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件的基本性能要求。

表1 茶渣不同含水率成型效果情況表Table 1 The molding situation results of different moisture content of tea residue

2.2 三回程滾筒烘干機(jī)烘干溫度優(yōu)化

圖1 烘干機(jī)出風(fēng)溫度對(duì)茶渣含水率的影響Fig.1 Effect of drying air temperature on water content of tea residue

從表1的結(jié)果可知，制粒茶渣的含水率為13%～17%時(shí)滿足制粒要求，壓榨后茶渣的含水率一般在55%左右，需要對(duì)茶渣進(jìn)一步烘干，試驗(yàn)采用三回程滾筒烘干機(jī)對(duì)壓榨后的茶渣進(jìn)一步烘干。烘干時(shí)滾筒頻率固定，即烘干時(shí)間一致，為15 min，在此條件下對(duì)烘干溫度進(jìn)行優(yōu)化。從圖1可以看出，滾筒烘干機(jī)的出風(fēng)溫度為85～90℃時(shí)，茶渣含水率在13%～17%，可以滿足制粒含水率的要求。因此，生產(chǎn)中選三回程滾筒烘干機(jī)的出風(fēng)溫度為85～90℃。

2.3 污泥添加比例對(duì)成型燃料的影響

圖2 污泥添加比例對(duì)成型燃料密度和熱值的影響Fig.2 Effect of sludge ratio on molding fuel density and briquette calorific value

圖2反映了其他條件相同的情況下添加不同比例的污泥對(duì)茶渣顆粒燃料密度及熱值的變化規(guī)律。從圖2可知，隨著污泥添加比例的增加，顆粒燃料密度先逐漸增加后基本趨于穩(wěn)定，當(dāng)污泥添加比例達(dá)到20%后顆粒燃料的密度變化不大，這可能是因?yàn)檫m量的污泥可以填充茶渣顆粒間的間隙，使茶渣顆粒間粘合作用增大[5]，更利于茶渣的成型，當(dāng)污泥添加比例達(dá)到20%后已足以填充顆粒間隙，繼續(xù)添加污泥對(duì)茶渣顆粒間隙的填充和顆粒間的粘合影響不大。此外，熱值是顆粒燃料的重要性能指標(biāo)之一，直接反映燃料的燃燒品質(zhì)[13]。從圖中可以看出，少量的污泥有助于顆粒燃料的燃燒，可能是因?yàn)槲勰嘀瘘c(diǎn)較低，能快速啟動(dòng)茶渣顆粒燃料的燃燒[5]，但隨著污泥添加比例的增大，顆粒燃料熱值下降明顯。結(jié)合燃料密度與熱值，污泥添加比例為5%～10%為宜。

2.4 煤炭與茶渣生物質(zhì)顆粒燃料工業(yè)成分分析

表2為茶渣生物質(zhì)顆粒燃料與市售煤炭的工業(yè)成分分析情況。從表2可知，茶渣生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分較高，遠(yuǎn)高于煤炭，其點(diǎn)火性能和燃燒性能比煤炭好，屬于高活性燃料[14]；碳含量為19.75%，遠(yuǎn)低于煤炭，這使得其熱值比煤炭低[15]；制得的茶渣生物質(zhì)顆粒燃料滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1878-2010對(duì)生物質(zhì)固體成型燃料的基本性能要求的規(guī)定[12]，有害成分（硫和灰分等）遠(yuǎn)低于煤炭，燃燒時(shí)NOX、SO2排放量遠(yuǎn)低于煤炭，燃燒特性明顯得到改善，利用效率顯著提高。由此可見，茶渣生物質(zhì)顆粒燃料具有優(yōu)質(zhì)、清潔、高效的特性，是替代煤炭的理想燃料。

表2 茶渣生物質(zhì)顆粒燃料與煤炭工業(yè)分析對(duì)比表Table 2 The results of the industrial analysis of tea residuebiomass fuel pellets andcoal

2.5 時(shí)產(chǎn)3噸茶渣生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

圖3 時(shí)產(chǎn)3噸茶渣生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線的車間平面布置圖Fig.3 The workshop floor plan of 3 t tea residuebiomass fuel pellets production line per hour

圖3為時(shí)產(chǎn)3噸茶渣生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線的車間平面布置圖。主要包括計(jì)算機(jī)控制中心、茶渣壓榨系統(tǒng)、茶渣干燥系統(tǒng)和制粒系統(tǒng)。主要設(shè)備包括：

隔膜式板框壓濾機(jī)：其壓濾面積為400 m2板框機(jī)，濾室理論厚度35～40 mm，有效容積約7 m3，每框出渣約4.2 t，壓榨條件為：壓力1.2～1.5 Mpa，時(shí)間20～30 min，壓榨后茶渣含水率為 55%～60%，污泥含水率為68%～73%。

1.5 ～2 t/h茶渣烘干線一套：包括水幕除塵水泵，旋風(fēng)機(jī)Ⅱ，引風(fēng)機(jī)Ⅱ，揚(yáng)升機(jī)，螺旋出料機(jī)，旋風(fēng)關(guān)風(fēng)機(jī)Ⅰ，窯尾關(guān)風(fēng)機(jī)Ⅰ，引風(fēng)機(jī)Ⅰ，進(jìn)料螺旋，給料螺旋，鼓風(fēng)機(jī)Ⅰ、Ⅱ。烘干條件為：出風(fēng)溫度85～90℃，烘干時(shí)間15 min，烘干后茶渣含水率13%～17%。

一套時(shí)產(chǎn)3 t茶渣顆粒生產(chǎn)線設(shè)備：其中單臺(tái)造粒速度大于等于1.5 t/h，環(huán)模顆粒機(jī)孔徑為8 mm，環(huán)模內(nèi)徑420 mm，環(huán)模轉(zhuǎn)速336 r/min。茶渣中污泥添加比為5%～10%，制粒機(jī)將混合物擠壓成Φ10～12 mm圓柱形顆粒 （見圖4），顆粒密度≥1 g/cm3、含水率≤13%、灰分≤6%、低位發(fā)熱量≥16.9 MJ/kg、破碎率≤5%、粉化率≤12%。

圖4 茶渣生物質(zhì)顆粒燃料Fig.4 Tea residue biomass fuel pellets

3 討論

本文以廢棄茶渣為原料，研究其與污泥復(fù)配制備成型顆粒燃料的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，主要參數(shù)為：茶渣含水率為13%～17%之間；三回程滾筒烘干機(jī)的出風(fēng)溫度為85～90℃；污泥添加比例為5%～10%，并在此基礎(chǔ)上最終建成規(guī)?；柙镔|(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線，為茶葉深加工企業(yè)廢茶渣的處理和利用提供一種新的途徑。

茶渣作為一種來源廣泛、成本低廉的農(nóng)業(yè)資源，其綜合利用符合可持續(xù)發(fā)展觀點(diǎn)。開展茶渣綜合利用延長產(chǎn)業(yè)鏈，提高我國茶產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益[4]，實(shí)現(xiàn)茶葉深加工企業(yè)資源循環(huán)利用和節(jié)能減排是整個(gè)行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

生物質(zhì)能屬于可再生清潔能源，可有效緩解日益惡化的環(huán)境污染和能源缺短問題，被認(rèn)為是今后的主要新能源之一，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益[13，16]。針對(duì)目前茶葉深加工過程廢茶渣利用不完全、造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)的現(xiàn)狀，創(chuàng)新地將茶渣用板框壓濾機(jī)進(jìn)行脫水，再經(jīng)滾筒烘干機(jī)進(jìn)一步脫水烘干后與廢水處理中的污泥一起制備成茶渣生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)對(duì)茶渣生物質(zhì)顆粒燃料規(guī)模化生產(chǎn)工藝與設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)研究，創(chuàng)建時(shí)產(chǎn)3 t茶渣生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)茶渣生物質(zhì)顆粒燃料的規(guī)?；偷统杀旧a(chǎn)，對(duì)于茶葉深加工企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)就地加工利用[17]，制備的茶渣生物質(zhì)顆粒燃料經(jīng)生物質(zhì)鍋爐焚燒產(chǎn)熱，為茶葉提取過程提供熱源，既能解決濕茶渣廢棄物，減少固廢茶渣、廢水污泥的運(yùn)輸及處置成本，使茶渣得到充分利用，又能夠達(dá)到代替大量燃煤，有效降低能源消耗，改善工廠能源利用結(jié)構(gòu)的效果。

茶渣生物質(zhì)顆粒燃料屬于生物質(zhì)能源，有害物質(zhì)含量僅為煤炭的1/10左右，可減少大氣污染。據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)時(shí)產(chǎn)0.5 t速溶茶粉的企業(yè)，用生物質(zhì)燃料代替燃煤供能可年減少SO2排放量33 t/a，減少NOX排放量29 t/a，燃燒后的灰燼又可作為肥料施回茶園，達(dá)到資源循環(huán)利用和節(jié)能減排（見圖5）。

圖5 茶渣循環(huán)利用流程圖Fig.5 Flow chart of tea residue recycling

[1] 謝啟強(qiáng).生物質(zhì)成型燃料物理性能和燃燒特性研究 [D].南京林業(yè)大學(xué)，2008.

[2] 夏許寧，劉圣勇，劉洪福，等.生物質(zhì)顆粒燃燒器的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017（1）:227-231.

[3] 劉軍，賈玉鶴.沈陽市生物質(zhì)顆粒燃料推廣應(yīng)用前景分析[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2007，33（6）:12-14.

[4] 謝楓，金玲莉，涂娟，等.茶廢棄物綜合利用研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2015，31（1）:140-145.

[5] 蔡文倍.生物質(zhì)復(fù)配制備成型燃料的試驗(yàn)研究[D].南京:東南大學(xué)，2016.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).煤的發(fā)熱量測(cè)定方法:GB/T 213-2008[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008:11.

[7] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).煤的工業(yè)分析方法:GB/T 212-2008[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008:11.

[8] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).煤中全硫的測(cè)定方法:GB/T 214-2007[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008:3.

[9] 農(nóng)業(yè)部.生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法第一部分:通則[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2011.

[10]朱典想.生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線及其關(guān)鍵制造技術(shù)的研究與開發(fā)[J].中國工程科學(xué)，2014，16（4）:13-16.

[11]李美華，俞國勝.生物質(zhì)燃料成型技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].木材加工機(jī)械，2005(2):36-40.

[12]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部.生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件:NY/ T 1878-2010[S].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2010.

[13]宋姣，楊波.生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性及其污染物排放情況綜述[J].生物質(zhì)化學(xué)工程，2016，50（4）:61-64.

[14]羅娟，侯書林，趙立欣，等.生物質(zhì)顆粒燃料燃燒設(shè)備的研究進(jìn)展[J].可再生能源，2009，27（6）:90-95.

[15]Tabarés J L M，Ortiz L，Granada E.Feasibility study of energy use for densificated lignocellulosic material （briquettes）[J]. Fuel，2000，79（10）:1229-1237.

[16]陳彥宏，武佩，田雪艷，等.生物質(zhì)致密成型燃料制造技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（1）:206-211.

[17]鄭得林，錢園鳳，周為，等.生物質(zhì)顆粒燃料在松陽香茶加工中的推廣應(yīng)用前景分析 [J].中國茶葉加工，2015（6）: 49-51，69.

Study on Key Preparation Technology and Production Line of Tea Slag Biomass Granule Fuel

ZHONG Liang,SHAO Zeng-lang,TANG Xing-yan,WANG Xiao-xia*
（Nanjing Apogee Food Technology Co.Ltd.Instant Tea Powder Engineering Research Centerin Jiangsu Province，Nanjing 211300，China）

As a kind of high-quality clean fuel,the biomass granule fuel is getting more and more attention.This paper studied the key technology of particle formation which used tea slag biomass as the raw material and sludge as the binder.The results showed that:the best result came when the water content of tea slag was between 13%and 17%,the outlet temperature of the three-cycle drum dryer was 85～90℃,while the addition ratio of sludge was 5%～10%.On the basis,the large-scale （hour output of 3 t）and low-cost tea slag biomass fuel production line was finallycompleted, which provided a new way for promoting the comprehensive utilization of tea.

Tea slag；Biomass granule fuel；Production line；Key technology；Equipment

TK6；S216.2

A

2095-0306（2017）01-0028-06

中國茶葉加工 2017（1）:28-32，45

2016-10-18

江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目（BE2015302）

鐘亮（1983-），男，江西萍鄉(xiāng)人，本科，主要從事茶葉深加工領(lǐng)域的研究。

*通訊作者：xiaoxia.wang@daminfood.com