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(píng)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(duì)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(duì)顆粒密度的影響

3.2 原料混合比例對(duì)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(duì)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(duì)顆粒密度的影響

3.3 含水率對(duì)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(duì)顆粒密度的影響

3.4 環(huán)模壓縮比對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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。