紅松球果和木屑制備顆粒燃料成型工藝研究

李勇,萬道印

(黑龍江省林業科學院佳木斯分院,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業的蓬勃發展，每年產生數以萬噸計的球果脫種剩余物。當前關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，污染環境的同時造成資源的嚴重浪費。

生物質顆粒加工是近年來發展成熟的一種新型生物質燃料制備成型方法。以農林廢棄物、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、污染小等優點，而且方便貯存和運輸[2]。

以紅松球果脫種剩余物為原料，研究其與木屑復配制備顆粒燃料成型工藝的關鍵技術[3]，以期將廢棄的球果資源得到高效、高附加值再利用，為實際生產提供技術參考。

1 試驗材料、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)，制粒機(江蘇牧羊集團有限公司)，固體樣品粉碎機(上海新諾儀器設備有限公司)，電熱鼓風干燥箱(上海博迅實業有限公司醫療設備廠)，分析天平(上海民橋精密科學儀器有限公司)，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(深圳市源恒通科技有限公司)、游標卡尺、噴壺、量杯、標準篩(目數為10、12、14、16)。

2 試驗方法

準確稱取一定質量經粉碎篩選后的紅松球果脫種剩余物和木屑，按相應比例混合，調節原料含水率和制粒機環模壓縮比，原料進入環模后，通過壓輥與環模之間相互擠壓形成顆粒，計算顆粒密度[4-5]。

2.1 單因素試驗

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量比1∶7的比例混合，調節含水率為10%，環模壓縮比為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，調節含水率為10%，環模壓縮比為5.5∶1，比較球果脫種剩余物和木屑分別按質量比1∶1，1∶4，1∶7，1∶9混合時的顆粒密度，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量比1:7的比例混合，調節環模壓縮比為5.5∶1，比較含水率分別為6%、8%、10%、12%、14%、16%時的顆粒密度，確定最佳含水率。

2.1.4 環模壓縮比的選擇。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量比1:7的比例混合，調節含水率為10%，比較環模壓縮比分別為3.5∶1、4∶1、4.5∶1、5∶1、5.5∶1、6∶1時的顆粒密度，確定最佳環模壓縮比。

2.2 正交試驗

根據單因素試驗結果，以篩分粒徑、混合比例、含水率、環模壓縮比為影響因素，以顆粒密度為評價指標，進行L9(34)的正交試驗，進一步優化工藝。正交試驗因素與水平設計見表1。

表1 正交設計因素與水平設計

3 結果與分析

3.1 篩分粒徑對顆粒密度的影響

由試驗結果(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下降趨勢。球果脫種剩余物富含揮發油，是天然的粘結劑，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。

圖1 篩分工粒徑對顆粒密度的影響

3.2 原料混合比例對顆粒密度的影響

由試驗結果(圖2)可知，紅松球果脫種剩余物和木屑的混合比例對成型燃料的顆粒密度影響顯著，當原料混合比例為1∶7時，顆粒燃料密度最大，確定為本試驗的最佳混合比例。

圖2 混合比例對顆粒密度的影響

3.3 含水率對顆粒密度的影響

由試驗結果(圖3)可知，隨著原料含水率的增加，顆粒燃料密度不斷增大；當含水率達到12%時，顆粒燃料密度最大；確定為本試驗的原料最適含水率；繼續增加原料含水率，顆粒密度增幅有限。

圖3 含水率對顆粒密度的影響

3.4 環模壓縮比對顆粒密度的影響

由試驗結果(圖4)可知，隨著環模壓縮比的增大，成型顆粒燃料密度逐漸增大；當壓縮比為5.5∶1時，顆粒密度達到最高，確定為本試驗的最佳環模壓縮比；繼續增大壓縮比，顆粒密度隨之減小。

圖4 環模壓縮比對顆粒密度的影響

3.5 正交試驗結果

由試驗結果(表2)可知，4個因素對顆粒密度影響的主次順序為B>D>A=C，即混合比例>環模壓縮比>篩分粒徑=含水率；優化的最佳組合為A2B2C2D2，即篩分粒徑1.4，混合比例1∶7，含水率12%，環模壓縮比5.5∶1。

表2 正交試驗結果與分析

將優化的最佳組合A2B2C2D2與(表2)中的最優組合A1B2C2D2進行對比驗證試驗(見表3)。

表3 驗證試驗

由試驗結果(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%，環模壓縮比5.5∶1。

4 結論

本試驗以紅松球果脫種剩余物和木屑為原料，利用成型設備加工生物質顆粒燃料。通過單因素試驗和正交試驗，確定加工生物質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。