影響葫蘆顆粒燃料成型品質(zhì)的因素淺析
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作者：張海音
水葫蘆( Eichhornia crassipes)由于繁殖能力強，易造成河道堵塞，影響航運、水利排灌和泄洪，甚至腐敗變臭，污染水質(zhì)，成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)保的頭號敵人，是世界各國公認的最具有危害性的外來物種之一。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，水葫蘆具有較強的吸收水體中的氮(N)、磷(P)以及各種有害重金屬元素的能力，它能在較低的治污成本下將富營養(yǎng)水質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍苯语嬘盟�，因而成為凈化污水�?ldquo;生態(tài)功臣”被廣泛應(yīng)用于水體修復(fù)工程實踐中。水葫蘆是高纖維素植物，纖維素含量高于木屑和甘蔗渣，具備轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)能的潛力。水葫蘆能源化利用是水葫蘆資源化利用的新趨勢，水葫蘆固化成型制備生物質(zhì)顆粒燃料是水葫蘆能源化利用的一種重要途徑。利用機械力將粉碎后的水葫蘆原料壓縮或擠壓成為容積密度較大、熱值較高、便于運輸儲藏的固體燃料，可以成為煤和薪柴的優(yōu)秀替代燃料。
國內(nèi)外針對木屑、農(nóng)業(yè)秸稈、牧草等生物質(zhì)開展的固化成型技術(shù)的研究結(jié)果表明，壓力和粒徑是影響生物質(zhì)顆粒燃料致密成型品質(zhì)的兩個重要加工參數(shù)。Adapa在研究不同壓力下大麥、油菜、燕麥和小麥秸稈顆粒的成型規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，在原料濕度為10%，溫度為95℃的條件下，當壓力由31.6 MPa上升到94.8 MPa時，大麥、油菜、燕麥和小麥秸稈顆粒燃料的顆粒密度分別提高了8.9%，19.1% ,16.7%和14.5%；Shaw在研究原料粉碎粒徑對楊樹木屑和小麥秸稈成型品質(zhì)的影響時提出，當錘片式粉碎機的篩孔直徑由0.8 mm增大到3.2 mm時，保持溫度100℃，壓力126.4 MPa,濕度I5%不變，楊樹木屑與小麥秸稈顆粒燃料的顆粒密度分別下降了6.2%和7.4%。目前，國內(nèi)外生物質(zhì)成型技術(shù)的研究主要針對陸生植物，而對水葫蘆等水生植物成型條件的研究卻很少。本文在試驗的基礎(chǔ)上研究了壓力和粒徑兩個加工參數(shù)對水葫蘆顆粒燃料成型品質(zhì)的影響，通過SPSS17.0回歸分析，建立壓力和粒徑與顆粒燃料品質(zhì)指標之間的數(shù)學模型，最后優(yōu)化計算出在單因素試驗條件下水葫蘆顆粒燃料成型品質(zhì)最好時的加工參數(shù)，為制備高質(zhì)量的水葫蘆顆粒燃料提供理論依據(jù)。
1材料與方法
1.1原料采集
試驗用水葫蘆樣品于2014年10月采集自昆明滇池明波水葫蘆采收場。新鮮水葫蘆經(jīng)過機械采收和機械擠壓脫水后，濕度由原來的95%以上下降到80%左右，并放置于戶外自然干燥3周。當水分降到20%以下后，儲存于實驗室備用。
1.2原料粉碎及粒徑測試
將水葫蘆原料分別用篩眼直徑為1，2,3，4，5mm的錘片式粉碎機粉碎，粉碎后的水葫蘆原料分別用振篩機（TLS-200型）進行篩分，測試其算術(shù)平均粒徑。振篩機采用7層金屬絲網(wǎng)國際標準篩（IS03310-1系列），標準篩按篩眼直徑3.15，2.8，1.4，1.0，0.5，0.25 mm從大至小、從上至下依次擺放，最底層標準篩下附加托盤，頂層標準篩上附加頂蓋。測試方法：分別將100 g不同粉碎粒徑的水葫蘆樣品放置在標準篩的最上層，振動篩分15 min后，用電子天平（精度0.1 g）分別稱量每一層篩子上保留樣品的質(zhì)量m．，用式(1)計算出測試樣品的算術(shù)平均粒徑，測試結(jié)果如表1所示。
式中：D為測試樣品的算術(shù)平均粒徑，mm;di為每層篩分平均直徑，mm；mi為篩分15 min后每層篩子上保留樣品的質(zhì)量，g。
1.3原料濕度測試及調(diào)節(jié)
粉碎后的水葫蘆樣品按國家農(nóng)產(chǎn)品含水量測定標準( GB/T 14095-2007)測定其初始濕度。具體方法：將100 g（濕重W1）水葫蘆樣品放置于恒溫干燥箱中，干燥箱溫度設(shè)置為103±2 °C．干燥時間為8h，此時樣品的重量沒有明顯下降，將樣品取出，放人干燥器內(nèi)冷卻至室溫，然后立即稱量樣品重量，即為樣品的干重W2。用式(2)計算樣品的初始濕度(初始含水量)M，原料初始濕度測試結(jié)果為13.6%。
式中：M為樣品濕度，%；W1為樣品濕重，g；W2為樣品干重．g。
將不同粒徑的水葫蘆樣品濕度統(tǒng)一調(diào)節(jié)為12%。先用公式(2)計算出150 g水葫蘆樣品中應(yīng)該去除的水分重量，用原重減去應(yīng)去除的水分重量，得到樣品干燥后的預(yù)定重量。然后將樣品放置于恒溫干燥箱內(nèi)干燥，干燥溫度設(shè)置為103±2℃C。干燥過程中適時監(jiān)測樣品重量的變化。當樣品重量達到預(yù)定值時，立即停止干燥，此時樣品的濕度即為12%。將調(diào)節(jié)好濕度的樣品從干燥箱中取出，分別放置于密封塑料袋內(nèi)，保存于5 0C的冰箱中備用。
1.4試驗設(shè)備
水葫蘆顆粒燃料壓縮試驗在自制的生物質(zhì)顆粒燃料成型試驗設(shè)備上完成，該裝置由沖頭、沖模、加熱元件、溫度傳感器、控制箱、底座等部分組成（圖1）。圓筒形沖模內(nèi)徑為中8 mm．長度為160mm，其外壁裝有加熱元件，可以將沖模由外向內(nèi)加熱。沖模末端有一通向內(nèi)壁的小孔，小孔內(nèi)裝溫度傳感器，用于檢測沖模內(nèi)壁溫度。當沖模內(nèi)壁溫度升高至預(yù)設(shè)溫度時，溫度傳感器將信號輸送到控制箱，控制箱及時斷開加熱元件電源，加熱元件停止加熱，沖模溫度便保持在預(yù)設(shè)溫度范圍內(nèi)。工作時自制生物質(zhì)顆粒燃料成型試驗設(shè)備需配合電子萬能試驗機( CMT6104)使用，沖模放置于底座上，而底座固定于電子萬能試驗機的下工作臺上，將直徑為Φ8 mm，長度為200 mm的沖頭固定于電子萬能試驗機的上工作臺上，可隨上工作臺上、下移動。
1.5試驗設(shè)計和方法
顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力是衡量顆粒燃料品質(zhì)的重要指標之一，一般認為顆粒密度和徑向抗壓力越大，顆粒燃料的致密成型品質(zhì)就越好。根據(jù)已有文獻可知，不同的生物質(zhì)顆粒燃料在致密成型過程中，最佳的成型壓力一般在150MPa以下，而粉碎機篩眼直徑的選擇一般為1～5mm。本研究中將因素變量壓力確定為5個水平：29.9，59.7，89.6，119.4，149.3 MPa，所對應(yīng)的電子萬能試驗機的工作壓力分別為1.5，3.0，4.5，6.0, 7.5 kN．而粉碎機篩眼直徑也確定為5個水平：1，2，3，4，5 mm。
在壓力的單因素影響試驗中，將濕度為12%、粉碎機篩眼直徑為2 mm的1.1 g水葫蘆樣品加入沖模中，沖模溫度預(yù)設(shè)為100 0C，電子萬能試驗機的工作壓力設(shè)置為5個水平：1.5，3.0，4.5，6.0,7.5 kN。當壓力達到預(yù)定工作壓力時，沖頭停止加載并保載Ss，處于沖模中的水葫蘆樣品便在不同的壓力下壓縮成型。最后將壓縮成型的顆粒燃料取出，冷卻后放置于密封塑料袋中室溫保存。
在粒徑的單因素影響試驗中，將濕度為12%、粉碎機篩眼直徑分別為1，2，3，4，5 mm的1.1 g水葫蘆樣品分別加入沖模中，沖模預(yù)設(shè)溫度調(diào)節(jié)為100 ℃，電子萬能試驗機工作壓力設(shè)置為6 kN。試驗結(jié)束后保載5s，將壓縮成型的水葫蘆顆粒燃料取出，冷卻后放置于密封塑料袋中室溫保存。
2結(jié)果與分析
2.1試驗結(jié)果
不同加T參數(shù)下，每一個試驗水平的水葫蘆顆粒燃料樣品總量大概150粒，從中任選5粒作為試驗測試樣品。首先用電子天平（精度0.1 g）測試每粒顆粒燃料的質(zhì)量，然后用數(shù)顯游標卡尺（精度0.01 mm）測試顆粒長度。根據(jù)顆粒長度和顆粒直徑(Φ8 mm)計算出顆粒燃料的體積。再用質(zhì)量除以體積得到每粒顆粒燃料的顆粒密度，最后計算出5粒顆粒燃料的平均顆粒密度。
又將任選的每一個試驗水平的5粒測試樣品，分別水平放置于電子萬能試驗機的下壓頭上，由試驗機的上壓頭從顆粒燃料的徑向加載直至其破碎，測試每粒顆粒燃料的最大承載能力即為徑向抗壓力，最后計算出5粒顆粒燃料的平均徑向抗壓力。計算結(jié)果列于表2和表3中。
2.2濕度和溫度的單因素試驗結(jié)果分析
2.2.1壓力的影響
如圖2顯示，在固定因素為粉碎機篩眼直徑2mm，濕度12%，溫度100℃的條件下，隨著壓力的增加，顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當壓力由29.9 MPa上升到119.4 MPa時，顆粒燃料的顆粒密度由1 111.54kg/m3上升到1 365.76 kg/m3，增加了22.9%；徑向抗壓力由1.05 kN上升到1.42 kN,增加了35.2%。而當壓力由119.4 MPa升高到149.3 MPa時，顆粒密度卻降低到1 352.91 kg/m3，下降了0.9%；徑向抗壓力下降到1.38 kN,下降了2.8%。分析其主要原因：生物質(zhì)顆粒燃料在成型過程中，生物質(zhì)化學組成中淀粉、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和纖維素是天然粘接劑，在一定的壓力下它們受擠壓而分離出來，并在一定的濕度和溫度下發(fā)生相應(yīng)的物理、化學反應(yīng)，產(chǎn)生粘接功能，將生物質(zhì)顆粒緊密粘接起來。但是過大的壓力使顆粒燃料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，反而會降低顆粒燃料的顆粒密度和機械強度。
2.2.2粒徑的影響
如圖3顯示，在同定因素為壓力119.4 MPa,濕度1 2%，溫度100℃的條件下，隨著原料粉碎粒徑的增大，顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力都一直呈現(xiàn)下降趨勢。當粉碎機篩眼直徑由1 mm增加到5 mm，水葫蘆樣品的平均粒徑由0.43 mm增加到1.07 mm時，顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力分別由1 371.87 kg/m3和1.47 kN下降到1 336.20 kg/m3和1.24 kN，分別下降了2.6%和15.6%。分析其主要原因：生物質(zhì)原料顆粒的粒徑越大，顆粒之間的相互作用面積就越小，在一定的壓力和溫度下，顆粒之間的粘接力也就越弱，不利于生物質(zhì)顆粒燃料的同化成型。
2.3回歸分析與建模
為了進一步研究壓力和粒徑對水葫蘆顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力的影響規(guī)律，采用SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件對它們的關(guān)系進行回歸分析，目標函數(shù)分別設(shè)為水葫蘆顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力，而因素變量分別設(shè)置為壓力和粒徑。通過制作散點圖，得知目標函數(shù)和因素變量之間的關(guān)系均為非線性關(guān)系，然后分別采用冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、負指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)和二次函數(shù)等非線性函數(shù)與之擬合，發(fā)現(xiàn)用二次函數(shù)擬合壓力與顆粒密度和徑向抗壓力的關(guān)系時擬合度最高（R2最大），而用對數(shù)函數(shù)擬合粒徑與顆粒密度和徑向抗壓力的關(guān)系時擬合度最高(R2最大)。所以本文采用一元二次非線性回歸方程來擬合壓力與顆粒密度和徑向抗壓力的關(guān)系，而采用對數(shù)函數(shù)擬合粒徑與顆粒密度和徑向抗壓力的關(guān)系。式(4)，(5)分別為一元二次非線性回歸模型和對數(shù)函數(shù)回歸模型。
式中f(x)為目標函數(shù)，本文中分別為顆粒燃料的顆粒密度( kg/m3)和徑向抗壓力(kN)；戈為因素變量，本文中分別為壓力(MPa)和粒徑(mm)；B0，B1，B：為待定的回歸曲線系數(shù)。
采用SPSS17.0統(tǒng)計分析軟件，得到的目標函數(shù)與因素變量的回歸方程及回歸方程顯著性檢驗結(jié)果見表4，回歸曲線見圖4。
從表4中可以看出，壓力與顆粒密度和徑向抗壓力回歸方程的決定系數(shù)R2分別為0.997 4和0.966 4．表示它們的相關(guān)程度分別為99.74%和96.64%：粒徑與顆粒密度和徑向抗壓力回歸方程的決定系數(shù)R2分別為0.924 8和0.923 8，表示它們的相關(guān)程度分別為92.48%和92.38%。從回歸方程的顯著性檢驗結(jié)果可知，在顯著性水平a=0.05下，壓力與顆粒密度、粒徑與顆粒密度和徑向抗壓力回歸方程的顯著性P<O.Ol，說明因素變量與目標函數(shù)之間的回歸關(guān)系極為顯著，而壓力與徑向抗壓力回歸方程的顯著性O(shè).01<P<0.05，說明回歸關(guān)系顯著，4個回歸方程都能夠反映觀測值與預(yù)測值之間的關(guān)系。對壓力與顆粒密度和徑向抗壓力的一元二次非線性回歸方程分別求解極值，得出在單因素條件下水葫蘆顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力最高時的壓力分別為126.5MPa和123.2 MPa。
3結(jié)論
本研究以水葫蘆顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力為指標，以壓力和粒徑為因素變量，在其它加工因素不變的條件下，研究它們對水葫蘆顆粒燃料成型品質(zhì)的單因素影響。在固定因素為粉碎機篩眼直徑2 mm，濕度12%，溫度100 0C的條件下，隨著壓力的增加，顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當壓力由29.9 MPa上升到119.4MPa時，顆粒密度和徑向抗壓力分別增加了22.9%和35.2%；而當壓力由119.4 MPa升高到149.3 MPa時，顆粒密度和徑向抗壓力反而分別降低了0.9%和2.8%。壓力與顆粒密度的回歸方程為y=-0.027 lx2+6.854 3x+933.82，回歸方程的決定系數(shù)R2為0.997 4，回歸關(guān)系極為顯著：壓力與徑向抗壓力的回歸方程為y=-0.000 04x2+0.010 9x+ 0.747 7，回歸方程的決定系數(shù)R2為0.966 4．回歸關(guān)系顯著。顆粒密度和徑向抗壓力最高時的壓力分別為126.5 MPa和123.2 MPa。
在固定因素為壓力119.4 MPa，濕度12%,溫度100℃的條件下，隨著樣品粒徑的增加，顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力都一直呈現(xiàn)下降的趨勢。當水葫蘆樣品的平均粒徑由0.43 mm增加到1.07 mm時，顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力分別降低了2.6%和15.9%。粒徑與顆粒密度和徑向抗壓力的回歸方程分別為y =-43.149ln(x）+1 336.6和y=-0.239 31n（x）+1.287 2，回歸方程的決定系數(shù)R2分別為0.924 8和0.923 8，回歸關(guān)系極為顯著。
4摘要：
試驗研究了壓力和粒徑兩個加工參數(shù)對水葫蘆顆粒燃料成型品質(zhì)的影響。首先在原料濕度為12%,，溫度為100 cC，粉碎機篩眼直徑為2 mm的條件下，研究了壓力的變化(29.9，59.7，89.6，119.4， 149.3 MPa)對水葫蘆顆粒燃料成型品質(zhì)的影響；然后在壓力為119.4 MPa,濕度為12%.，溫度為100 DC的條件下， 研究了粉碎機篩眼直徑的變化(1，2，3，4，5 mm)對水葫蘆顆粒燃料成型品質(zhì)的影響。通過SPSS17．O回歸分析，分別建立壓力、粒徑與水葫蘆顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力的數(shù)學模型。研究結(jié)果表明，壓力與顆粒密度和徑向抗壓力的同歸關(guān)系是一元二次函數(shù)，而粒徑與顆粒密度和徑向抗壓力的回歸關(guān)系是對數(shù)函數(shù)。在上述條件下，當壓力分別為126.5 MPa和123.2 MPa時，水葫蘆顆粒燃料的顆粒密度和徑向抗壓力最高。
