摘要：
文章以煙稈和木屑為研究對象，首先研究了當
生物質(zhì)成型顆粒的成型特性最佳時，煙稈和木屑的混合比，并在此基礎(chǔ)上進行了單因素試驗和多因素正交試驗，得到了關(guān)于生物質(zhì)成型顆粒徑向抗壓力和密度的回歸方程。研究結(jié)果表明：當煙稈含量為50%時，生物質(zhì)成型顆粒的成型特性最佳；成型溫度、原料含水率和成型壓力對生物質(zhì)成型顆粒密度和徑向抗壓力影響的大小順序均為成型壓力﹥成型溫度﹥原料含水率；當成型壓力為6.5 kN，成型溫度為101℃，原料含水率為13.5%時，生物質(zhì)成型顆粒的徑向抗壓力取得最大值1.73 kN，顆粒密度取得最大值1 334.56 kg/m3。
保山市位于云南省西南部，包括騰沖、施甸、龍陵、昌寧4縣以及隆陽區(qū)，國土面積為19 637km2。烤煙是保山市的主要經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)，為當?shù)剞r(nóng)民提供了較多的經(jīng)濟收入和工作崗位。但是，烤煙的烘烤環(huán)節(jié)具有煤炭用量大、耗能多、技術(shù)要求高等缺點，這些缺點嚴重制約著烤煙產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。煙稈是烤煙生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的農(nóng)業(yè)廢棄物，與其他農(nóng)業(yè)秸稈類似，煙稈也具有熱值低、密度小、物理形態(tài)不規(guī)則等特點，這給煙稈的能源化利用帶來了很多困難，使得煙稈的利用率較低，大量的煙稈被丟棄或在田間焚燒，造成了資源浪費和環(huán)境污染。張得政通過研究發(fā)現(xiàn)，煙稈的熱值可達18.663 MJ/kg，能夠作為烤煙烘烤環(huán)節(jié)的燃料。因此，以煙稈為主的農(nóng)林廢棄物經(jīng)成型設(shè)備壓制可制成生物質(zhì)燃料替代燃煤，這種做法不僅可以節(jié)約烤煙的生產(chǎn)成本，減少污染，還能有效利用煙田廢棄物，清潔煙田，減少病蟲害的發(fā)生，實現(xiàn)“煙田廢棄物-烘烤供熱-爐灰-農(nóng)田”的循環(huán)利用。
近年來，各國的研究人員都在進行顆粒成型燃料方面的研究。Kaliyan N研究玉米芯成型顆粒燃料時發(fā)現(xiàn)，在成型壓力為150 MPa、原料濕度為9.4%、篩眼直徑為2 mm的條件下，當成型溫度由25℃升高至85℃時，顆粒燃料的成型密度增加了15.4%。Liu Z G通過研究發(fā)現(xiàn)，當原料濕度由8%升高至16%時，竹子顆粒燃料的顆粒密度提高了24.9%。Adapa P K研究了不同壓力下大麥、油菜、燕麥和小麥秸稈顆粒的成型規(guī)律。張霞通過研究發(fā)現(xiàn)，在成型壓力為6 kN、成型溫度為100℃、原料含水率為12%、原料粒度為0.58 mm的條件下，水葫蘆顆粒燃料的成型品質(zhì)最佳。任珊珊通過研究得到了玉米秸稈最優(yōu)的成型工藝，即物料的粒度為3.5 mm、含水率為16%，模具的長徑比為5∶1、開口錐度為10°、保壓孔長度為30 mm。涂德浴通過試驗得到了水稻秸稈的冷壓成型最佳工藝參數(shù)，即成型壓力為168 MPa、原料含水率為21%、原料粒徑為0~2 mm。黎演明以桉樹皮和桑樹枝為研究對象，研究了生物質(zhì)成型的最佳工藝參數(shù)。
迄今為止，有關(guān)烤煙秸稈生物質(zhì)成型特性的研究較少，而將烤煙種植區(qū)的煙稈回收利用，不僅可以為當?shù)氐木G色烤煙做出貢獻，還可以降低環(huán)境污染，提高煙農(nóng)的收入。因此，本文以保山地區(qū)的煙稈和木屑為原料，采用CMT6104型電子萬能試驗機進行壓縮和測試。首先分析兩種原料的最佳混合比例，在此基礎(chǔ)上，以成型顆粒的徑向抗壓力和密度為評價標準，通過對成型溫度、含水率和成型壓力的單因素試驗和多因素正交試驗，得出兩種原料混合制備成型顆粒燃料的最佳工藝參數(shù)，最后利用SPSS和MATLAB軟件對試驗結(jié)果進行分析。本文的研究成果不僅為工廠大規(guī)模生產(chǎn)高品質(zhì)生物質(zhì)顆粒燃料提供了理論和試驗依據(jù)，也為顆粒燃料的推廣利用提供了參考。
1.材料與方法
1.1材料處理
將初步晾曬好的煙稈（收集于保山市西邑鄉(xiāng)煙田）和木屑（收集于保山市西邑鄉(xiāng)木材加工廠），分別用9FS-280型錘片式粉碎機（主軸轉(zhuǎn)速為5 000 r/min）進行粉碎，并用TLS-200型振篩機篩選出直徑不大于2 mm的煙稈和木屑顆粒。按照國家農(nóng)產(chǎn)品含水率測試標準（GB/T14095-2007）測試煙稈和木屑顆粒的含水率，測試結(jié)果表明，煙稈和木屑的含水率分別為22%和32%。煙稈和木屑的成分檢測結(jié)果見表1。
1.2試驗設(shè)備
本文用到的試驗設(shè)備包括CMT6104型電子萬能試驗機（用于生物質(zhì)顆粒的成型和徑向抗壓力的測定）、HG 101-2A型烤箱（最高溫度為300℃，控制器靈敏度為1℃）、9FS-280型粉碎機、電子秤（精度為0.1 g）、游標卡尺、噴壺、量杯、濕度測量計、篩子（篩徑為2 mm）和TLS-200型振篩機。生物質(zhì)顆粒成型模具（圓柱狀沖模的直徑為8mm、凹模內(nèi)徑為8 mm、長度約為160 mm）和生物質(zhì)成型顆粒如圖1所示。
1.3試驗設(shè)計與方法
1.3.1混合比例試驗
原料粒徑越小，顆粒成型時的接觸面越大，成型的顆粒品質(zhì)越好（本研究中原料的粒徑均不大于2 mm）。綜合考慮加工條件，固定成型壓力為6.0 kN、成型溫度為100℃、原料含水率為16%，以原料中煙稈的質(zhì)量分數(shù)作為變量，研究煙稈和木屑的混合比例對成型顆粒成型特性的影響。將預處理后的煙稈和木屑顆粒分別按照煙稈的質(zhì)量分數(shù)為100%，75%，50%，25%和0%混合為5個水平的樣品，然后在CMT6104型電子萬能試驗機上擠壓成顆粒燃料，每個水平壓制50粒，冷卻后放于密封袋中備用。從每個水平的50粒樣品中隨機選取10粒生物質(zhì)顆粒進行顆粒密度和徑向抗壓力的測試，記錄并計算平均值。
1.3.2單因素試驗
以煙稈和木屑混合樣品（煙稈的質(zhì)量分數(shù)為50%）作為原料，研究成型溫度、原料含水率和成型壓力分別作為變量時對成型顆粒成型特性的影響。由于生物質(zhì)原料中的木質(zhì)素會在70~110℃時變軟，黏結(jié)力會增強，再加上生物質(zhì)原料的含水率和成型壓力過高或者過低時，生物質(zhì)顆粒均很難成型，且成品的品質(zhì)得不到保證。所以在進行單因素試驗時，成型溫度的梯度為80，90，100，110，120℃，原料含水率的梯度為10%，12%，14%，16%，18%，成型壓力的梯度為1.5，3.0，4.5，6.0，7.5 kN。每個梯度壓制50粒，冷卻后放于密封袋中備用。從每個水平的50粒樣品中隨機選擇10粒生物質(zhì)顆粒進行顆粒密度和徑向抗壓力的測試，記錄并計算平均值。
1.3.3多因素正交試驗
以單因素試驗的結(jié)果為基礎(chǔ)，進行多因素的正交試驗，正交試驗的因素及水平見表2。
2.結(jié)果與分析
2.1混合比例試驗的結(jié)果與分析
在成型壓力為6.0 kN、成型溫度為100℃、原料含水率為16%的條件下，原料中煙稈含量對成型顆粒燃料成型特性的影響如圖2所示。
從圖2可以看出，隨著原料中煙稈含量的減少，成型顆粒的密度和徑向抗壓力均呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。這是因為不同材料中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和蛋白質(zhì)等天然粘結(jié)劑的含量不同，在一定的生產(chǎn)條件下，這些粘結(jié)劑會促進生物質(zhì)顆粒的成型。由于煙稈和木屑中各種起粘結(jié)和加強顆粒自身牢固作用的成分的含量有所不同，因此，當煙稈和木屑的混合比例合適時，有利于生物質(zhì)顆粒的成型并提升生物質(zhì)顆粒的品質(zhì)。當原料中的煙稈含量由100%降低到50%時，成型顆粒的密度由1 128.56 kg/m3增加到1 361.03kg/m3，增加了20.59%，徑向抗壓力由1.151 kN增加到1.436 kN，增加了24.76%；當原料中的煙稈含量繼續(xù)減少直至原料全部為木屑時，成型顆粒的密度由1 361.03 kg/m3降低到1 217.59 kg/m3，降低了10.53%，徑向抗壓力由1.436 kN降低到1.276 kN，降低了11.14%。因此，當原料中的煙稈含量為50%時，生物質(zhì)成型顆粒的成型品質(zhì)最佳。
2.2單因素試驗結(jié)果與分析
2.2.1成型溫度對成型顆粒成型特性的影響
在成型壓力為6.0 kN，原料含水率為16%的成型條件下，成型溫度對成型顆粒成型特性的影響如圖3所示。
從圖3可以看出，成型顆粒的密度和徑向抗壓力均隨著成型溫度的升高而呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。當成型溫度由80℃升高至100℃時，成型顆粒的密度由1 160.2 kg/m3增大到了1 252.14 kg/m3，徑向抗壓力由1.145 kN增加至1.253 kN，此時生物質(zhì)成型顆粒的成型特性最好；當成型溫度由100℃升高至120℃時，成型顆粒的密度由1 252.14 kg/m3降低至1 230.22 kg/m3，徑向抗壓力由1.253 kN降低至1.115 kN。這是因為在一定的成型條件下，適當?shù)靥嵘尚蜏囟葧绊懺蟽?nèi)部的蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和纖維素的粘結(jié)效果，使得原料變得軟化，更易成型；如果成型溫度過高，就會破壞原料內(nèi)部蛋白質(zhì)和其他粘結(jié)劑的粘結(jié)特性，過高的成型溫度還會導致原料內(nèi)部成分的變質(zhì)，甚至變得焦糊，使得制備出的生物質(zhì)成型顆粒品質(zhì)變差。
2.2.2原料含水率對成型顆粒成型特性的影響
在成型壓力為6.0 kN，成型溫度為100℃的成型條件下，原料含水率對成型顆粒成型特性的影響如圖4所示。
從圖4可以看出，成型顆粒的密度和徑向抗壓力均隨著原料含水率的增加而呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。當原料的含水率由10%升高至14%時，成型顆粒的密度由843.00 kg/m3增加至1 223.2 kg/m3，徑向抗壓力由0.581 kN增加至1.332 kN，此時成型顆粒的成型特性最佳；當原料含水率由14%升高至18%時，成型顆粒的密度由1 223.2 kg/m3降低至1151.38 kg/m3，徑向抗壓力則由1.332 kN降低至1.150 kN。這是因為在一定的成型條件下，適當?shù)靥岣咴系暮蕰绊懺蟽?nèi)部成分的粘結(jié)效果，減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縫隙，因此，提高原料的含水率會提升原料間的緊密作用，合適的含水率也會在一定程度上軟化原料，使得顆粒更易成型；如果原料的含水率過高，則原料成型過程中會有多余的水分被擠壓出來，從而影響成型設(shè)備的正常使用，過高的含水率還會破壞原料分子間的粘結(jié)作用，導致制備出的生物質(zhì)成型顆粒品質(zhì)下降。
2.2.3成型壓力對成型顆粒成型特性的影響
在原料含水率為16%，成型溫度為100℃的成型條件下，成型壓力對成型顆粒成型特性的影響如圖5所示。從圖5可以看出，成型顆粒的密度和徑向抗壓力均隨著成型壓力的增加而呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢。當成型壓力由1.5 kN增加至6.0 kN時，成型顆粒的密度由967.55 kg/m3增加至1 252.14 kg/m3，徑向抗壓力由0.749 kN增加至1.253 kN，此時生物質(zhì)成型顆粒的成型特性最佳；當成型壓力由6.0 kN增加至7.5 kN時，成型顆粒的密度由1 252.14 kg/m3降低至1 226.66kg/m3，徑向抗壓力由1.253 kN降低至1.204 kN。
這是因為在一定的成型條件下，適當?shù)卦黾映尚蛪毫绊懺蟽?nèi)部的蛋白質(zhì)、木質(zhì)素和纖維素的粘結(jié)效果，這些天然的粘結(jié)劑在成型壓力的作用下會發(fā)生相應(yīng)的物理化學反應(yīng)，提高成型圧力可以較大程度地壓縮生物質(zhì)顆粒的體積；如果成型壓力過高則會破壞原料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成顆粒內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，使得制備出的生物質(zhì)成型顆粒品質(zhì)變差。
2.3多因素試驗結(jié)果與分析
2.3.1正交試驗結(jié)果
以成型壓力、成型溫度和原料含水率這3個因素作為自變量，以成型顆粒的密度和徑向抗壓力作為因變量，設(shè)計并進行多因素正交試驗，試驗結(jié)果見表3。
2.3.2 SPSS回歸分析
應(yīng)用IBM SPSS Statistics 20軟件，對正交試驗結(jié)果進行線性回歸分析。分別以徑向抗壓力（Y1）、顆粒密度為（Y2）為目標函數(shù)，以成型壓力（X1）、成型溫度（X2）、原來含水率（X3）為自變量，分析3個自變量及它們的交互作用和二次項對目標函數(shù)值的影響。在α=0.05下，剔除不顯著項可得：
從式（1）中可以看出，自變量X1，X2和X3的前邊系數(shù)分別為2.454，0.375和-0.021，這說明成型壓力對成型顆粒徑向抗壓力的影響力度較大，成型溫度和原料含水率對成型顆粒徑向抗壓力的影響力度較小，且兩者的影響力度差別不大。從式（2）中可以看出，自變量X1，X2和X3的前邊系數(shù)分別為684.308，58.612和-1.212，這說明成型壓力、成型溫度和原料含水率對成型顆粒密度的影響表現(xiàn)為成型壓力最大，成型溫度次之，原料含水率最小。
2.3.3回歸方程分析
徑向抗壓力與顆粒密度線性回歸方程的擬合度見表4。從表4可以看出，徑向抗壓力線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)R=0.889，決定系數(shù)R2=0.790，顆粒密度線性回歸方程的相關(guān)系數(shù)R=0.875，決定系數(shù)R2=0.766。通過線性回歸方程的擬合度分析結(jié)果可以看出，成型顆粒徑向抗壓力的變化占總變化的79.0%，顆粒密度的變化占總變化的76.6%，線性回歸方程的擬合度較高。
2.3.4 MATLAB優(yōu)化參數(shù)組合
利用MATLAB軟件分析有約束條件的徑向抗壓力與顆粒密度線性回歸方程，得到了使成型顆粒的成型特性最佳的工藝參數(shù)。對于成型顆粒的密度，MATLAB軟件的運行結(jié)果顯示，當X1=6.725 1，X2=100.633 1，X3=13.682 6，即當成型壓力約為6.73 kN、成型溫度約為100.63℃、原料含水率約為13.68%時，成型顆粒的密度取得最大值1 334.56 kg/m3。對于成型顆粒的徑向抗壓力，MATLAB軟件的運行結(jié)果顯示，當X1=6.473 3，X2=102.365 9，X3=13.361 5，即當成型壓力約為6.47kN、成型溫度約為102.37℃、原料含水率約為13.36%時，成型顆粒的徑向抗壓力取得最大值1.73 kN。
根據(jù)上述顆粒密度和徑向抗壓力分別達到最大值時的自變量取值，結(jié)合實際生產(chǎn)應(yīng)用的方便性，統(tǒng)一調(diào)整自變量的取值為成型壓力為6.5 kN，成型溫度為101℃，原料含水率為13.5%，在此條件下，生物質(zhì)成型顆粒的徑向抗壓力取得最大值1.73 kN，顆粒密度取得最大值1 334.56kg/m3。
3.結(jié)論
①在其他成型工藝參數(shù)一定的條件下，當煙稈和木屑的混合比例為1∶1時，煙稈和木屑成型顆粒的成型特性最佳；在其他成型工藝參數(shù)一定的條件下，當成型溫度為100℃時，煙稈和木屑成型顆粒的成型特性最佳；在其他成型工藝參數(shù)一定的條件下，當原料含水率為14%時，煙稈和木屑成型顆粒的成型特性最佳；在其他成型工藝參數(shù)一定的條件下，當成型壓力為6.0 kN時，煙稈和木屑成型顆粒的成型特性最佳。
②煙稈和木屑成型顆粒的最佳成型工藝參數(shù)為成型壓力為6.5 kN，成型溫度為101℃，原料含水率為13.5%，在此條件下，成型顆粒的徑向抗壓力為1.73 kN，密度為1 334.56 kg/m3。
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