稻殼生物質(zhì)能源顆粒生產(chǎn)工藝

姬少玲，于洪亮，齊菁

（遼寧省森林經(jīng)營研究所，遼寧丹東118003）

稻殼生物質(zhì)能源顆粒生產(chǎn)工藝

姬少玲，于洪亮，齊菁

（遼寧省森林經(jīng)營研究所，遼寧丹東118003）

文章以稻殼作為生產(chǎn)原料，利用環(huán)模成型設(shè)備制備生物質(zhì)能源顆粒，通過單因素試驗(yàn)對不同原料粒度、含水率和環(huán)模壓縮比對稻殼顆粒的成型率和密度進(jìn)行研究。結(jié)果表明：原料粒度對顆粒成品的成型率和密度沒有顯著影響，原料含水率和環(huán)模壓縮比對成型率和密度影響顯著。同時(shí)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得出稻殼生物質(zhì)能源顆粒的最優(yōu)化生產(chǎn)工藝為：原料含水率12%、環(huán)模壓縮比1:5.5、原料粒度≤7 mm。

稻殼；生物質(zhì)能源；生產(chǎn)工藝

生物質(zhì)顆粒燃料技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和使用，使用生物質(zhì)顆粒的方便程度可與燃?xì)?、燃油等能源媲美。所以利用生物質(zhì)致密成型設(shè)備，充分利用農(nóng)林廢棄物如稻殼、木屑、秸稈等生產(chǎn)顆粒燃料，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。在生物質(zhì)顆粒產(chǎn)品中，稻殼顆粒是一種新興產(chǎn)品。與其它種類的生物質(zhì)顆粒產(chǎn)品相比，稻殼顆粒的原料來源更廣泛，價(jià)格更低廉，成型效果更好，生產(chǎn)過程更簡單，具有很好的經(jīng)濟(jì)、生態(tài)和社會(huì)效益。

在生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)品的過程中，工藝條件直接影響著顆粒產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，因此確定合理的生產(chǎn)工藝十分必要。許多專家和學(xué)者在生物質(zhì)顆粒燃料成型生產(chǎn)工藝方面進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)。蔣劍春、劉石彩等（1999）探討了利用木材剩余物制造生物質(zhì)顆粒的技術(shù)[2]；封莉、劉俊峰等（2004）初步研究了秸稈生物質(zhì)顆粒的生產(chǎn)工藝和技術(shù)[3]；時(shí)吉高（2007）申請了一種棉柴生物質(zhì)顆粒生產(chǎn)方法的專利。上述對顆粒產(chǎn)品工藝的研究探討主要集中在森林采伐剩余物、秸桿方面，對于稻殼顆粒成型工藝的研究在國內(nèi)尚屬于空白。稻殼在我國農(nóng)業(yè)剩余物比例中占有很大的權(quán)重，因此研究以稻殼作為原料生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒的相關(guān)技術(shù)和生產(chǎn)工藝十分必要。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

水稻殼：脫粒后未經(jīng)粉碎，直徑≤7 mm，產(chǎn)自遼寧省東港市及其周邊地區(qū)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

SZLH420型環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型機(jī)（丹東昌隆機(jī)械制造有限公司）；

XSD-1電子濕度儀（上海昌吉地質(zhì)儀器有限公司）；

101型電熱鼓風(fēng)干燥箱（上海申光儀器儀表有限公司）；

量筒、燒杯等一些常用的玻璃儀器；

ACS-DⅡ型三峰牌計(jì)重秤（上海乾峰電子儀器有限公司）；

JJ500型精密電子天平（美國雙杰兄弟（集團(tuán)）有限公司）。

1.3 試驗(yàn)方法及過程

將初始含水率較高、粒度為7 mm以下的水稻殼原料烘干到指定含水率，粉碎至指定粒度后，稱量20 kg加入到環(huán)模壓縮顆粒成型設(shè)備中。啟動(dòng)環(huán)模壓縮設(shè)備，進(jìn)行壓縮成型，喂料電機(jī)轉(zhuǎn)速為650 r·min-1。壓縮成型過程全部結(jié)束，出料口不再產(chǎn)出顆粒產(chǎn)品后，關(guān)閉顆粒成型設(shè)備電源，停止工作。待產(chǎn)品冷卻后，放入機(jī)械振動(dòng)篩中進(jìn)行篩選，將篩選后的顆粒產(chǎn)品取出并稱量其質(zhì)量，用于計(jì)算產(chǎn)品的成型率，再使用排水法測量該顆粒產(chǎn)品的密度[4]，試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。取平均值作為稻殼顆粒的成型率和密度數(shù)據(jù)。

2 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

測量用于單因素試驗(yàn)的稻殼原料含水率和粒度等指標(biāo)，并記錄數(shù)據(jù)。然后根據(jù)先期摸索性試驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，選取含水率11%、環(huán)模壓縮比1∶5.5、粒度≤7 mm作為單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)條件，針對每個(gè)可能影響成型效果的工藝參數(shù)設(shè)計(jì)1個(gè)單因素試驗(yàn)方案，共13組試驗(yàn)，每個(gè)水平設(shè)3次重復(fù)。具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

3 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同試驗(yàn)因素對成型率的影響

由圖1可知，隨著原料粒度的增大，成型率變化不大，均保持在92%左右，這說明原料粒度的大小對稻殼顆粒的成型率影響不大。

表1 單因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 不同粒度對稻殼顆粒成型率的影響

由圖2可知，在原料含水率為5%時(shí)，顆粒成型率為0，原料含水率達(dá)到8%時(shí)，開始產(chǎn)出成型顆粒，其后隨著原料含水率的增大，產(chǎn)品成型率大幅提高；當(dāng)原料含水率達(dá)到11%時(shí)，達(dá)到峰值，之后隨著原料含水率的增大，其產(chǎn)品成型率反而大幅減??；當(dāng)原料含水率達(dá)到17%時(shí)，顆粒產(chǎn)品的成型率又降為0；而當(dāng)原料含水率在8%和14%時(shí)，雖然原料能夠成型，但成型效果較差，成型率較低。這表明原料含水率對稻殼顆粒的成型率有很大影響，適當(dāng)含水率有助于稻殼原料中木質(zhì)素的軟化和粘合，促使稻殼原料之間形成氫鍵等化學(xué)結(jié)合，并有利于壓縮成型時(shí)稻殼原料與環(huán)模之間的潤滑；但含水率過高，水分會(huì)在原料間形成張力，擴(kuò)大原料間的空隙，從而增加原料之間的斥力，阻礙原料之間接觸，降低分子間作用力，使成型率反而大幅下降。

圖2不同稻殼含水率對稻殼顆粒成型率的影響

圖3 顯示，隨著環(huán)模壓縮比的增大，成型率逐步提高，當(dāng)壓縮比達(dá)到1∶5.5時(shí)，出現(xiàn)峰值，之后隨著環(huán)模壓縮比的增大，成型率反而逐步減小。這表明環(huán)模壓縮比對稻殼顆粒的成型率影響較大。環(huán)模壓縮比越大，顆粒的成型壓力就越大，原料之間被壓的就越緊密，提高了原料之間化學(xué)和物理結(jié)合效果，有效提高了稻殼顆粒的成型率。但是環(huán)模壓縮比過高，會(huì)導(dǎo)致顆粒的成型壓力過大，在還沒有被擠出?？讜r(shí)就緊密結(jié)合，致使顆粒與?？字g的阻力增加，造成部分?？妆蛔枞尚吐史炊档?。

圖3 不同環(huán)模壓縮比的稻殼顆粒成型率

3.2 不同試驗(yàn)因素對稻殼顆粒密度的影響

圖4顯示，隨著原料粒度的增大，稻殼顆粒密度沒有顯著變化，這表明原料粒度的變化對稻殼顆粒密度變化影響較小。

由圖5可知，原料含水率對稻殼顆粒密度影響較大。當(dāng)原料含水率為5%時(shí)，原料不成型，顆粒密度為0；當(dāng)原料含水率達(dá)到8%時(shí)，開始成型，顆粒密度隨著原料含水率的增大逐步提高，含水率達(dá)到11%時(shí)達(dá)到峰值，之后隨著含水率增大其密度大幅減??；當(dāng)含水率達(dá)到17%時(shí)，稻殼原料不成型，顆粒的密度又降為0。這表明原料含水率對稻殼顆粒密度有很大影響，其影響機(jī)理與含水率對成型率影響相同。

圖4 不同粒度對稻殼顆粒密度的影響

圖5 不同稻殼含水率對稻殼顆粒密度的影響

從圖6看出，隨著環(huán)模壓縮比的增大，稻殼顆粒密度逐漸增加，當(dāng)壓縮比達(dá)到1∶5.5時(shí)，稻殼顆粒密度達(dá)到最大，之后隨著環(huán)模壓縮比的增大，其密度值趨于平穩(wěn)。這表明環(huán)模壓縮比對稻殼顆粒密度有較大影響，其影響機(jī)理與環(huán)模壓縮比對成型率的影響相同。

圖6 不同壓縮比對稻殼顆粒密度的影響

4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

綜合單因素試驗(yàn)中各工藝參數(shù)對稻殼顆粒成型效果的影響，并考慮到能耗和生產(chǎn)成本，最終選取了原料含水率、環(huán)模壓縮比和原料粒度作為正交試驗(yàn)的3個(gè)因素。選取拐點(diǎn)或峰值處的條件（曲線平緩、能耗少、生產(chǎn)成本低）：原料含水率為11%、環(huán)模壓縮比為1︰5.5、原料粒度為≤7 mm作為編寫正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)1個(gè)L9(33)，具體見表2。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1 試驗(yàn)因素對成型率的影響

通過方差分析可知，在稻殼原料的壓縮成型過程中，原料含水率對顆粒產(chǎn)品的成型率影響顯著，環(huán)模壓縮比、原料粒度對其影響不顯著（表3）。結(jié)合表2的試驗(yàn)結(jié)果和能耗成本，得出成型率最高的試驗(yàn)條件為：原料含水率11%、12%，環(huán)模壓縮比1︰5.5，原料粒度≤7 mm（考慮能耗成本）。

表3 不同試驗(yàn)因素對成型率影響方差分析

4.2.2 試驗(yàn)因素對稻殼顆粒密度的影響

從表4可看出，在稻殼原料的壓縮成型過程中，原料含水率對顆粒產(chǎn)品的密度影響顯著，環(huán)模壓縮比、原料粒度對其影響不顯著。從表2的試驗(yàn)結(jié)果得出試驗(yàn)的最優(yōu)組合為：原料含水率12%，環(huán)模壓縮比1︰5.5，原料粒度≤7 mm。

表4 不同試驗(yàn)因素對顆粒密度影響方差分析

5 結(jié)論

通過稻殼生物質(zhì)能源顆粒成型的單因素和正交試驗(yàn)，對其成型效果進(jìn)行分析，并在充分考慮各工藝參數(shù)影響顯著性，以及能耗和生產(chǎn)成本等因素后，得出了稻殼生物質(zhì)能源顆粒最優(yōu)化的生產(chǎn)工藝為：原料含水率12%，環(huán)模壓縮比1︰5.5，原料粒度≤7 mm。

由于稻殼原料來源廣泛，成本價(jià)格相對低廉；因此，采用水稻殼這種硬質(zhì)短纖維材料作為生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒產(chǎn)品的主要原料，無論從經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)效益還是社會(huì)效益考慮，都具有可行性和必要性。

［1］蔣劍春.生物質(zhì)能源應(yīng)用研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，2002，（2）:75-80.

［2］蔣劍春，劉石彩，戴偉娣，等.林業(yè)剩余物制造顆粒成型燃料技術(shù)研究［J］.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，1999，（3）:25-30.

［3］封莉，劉俊峰，馮曉靜，等.秸稈生物質(zhì)資源利用途徑及相應(yīng)技術(shù)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2004，（6）:193-195.

［4］慕國忠，陳永鵬.SZLH420型環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)簡介［J］.林業(yè)科技通訊，2015，（9）:96-97.

(責(zé)任編輯：董莉莉)

Biomass pellet production process with rice husk

JI Shaoling,YU Hongliang,QI Jing
（LiaoningInstituteofForestManagement,Dandong118003,China）

In this article,rice husk was taken as raw material,and biomass pellet was produced by briquetting machine. Briquetting rate and density were researched by single-factor test of particle size of raw material,moisture content,and ring die compression ratio.Results indicated that:particle size of raw material had no significant effects on briquetting rate and density of pellet finished products,but moisture content and ring die compression ratio had significant effects on briquetting rate and density of pellet finished products.Orthogonal experiment was used to determine the optimal process:moisture content of raw material was 12%,ring die compression ratio was 1:5.5,and particle size of raw material was no more than 7 mm.

rice husk;biomass energy;production process

TQ351

A

1001-1714（2017）03-0009-04

2017-02-25

姬少玲（1963-），女，高級工程師，主要從事森林培育技術(shù)方面的研究。E-mail：m15941482257@163.com。