水葫芦颗粒燃料成型工艺优化

水葫芦于20 世纪30 年代作为饲料传入中国，由于其适应性强，繁殖快，如今在中国南方17 个省份的主要水域大量繁殖，造成河道堵塞，影响泄洪与航运[1-2]。此外，水葫芦具有较强的富集氮、磷以及有害重金属的能力，因此近年来被广泛应用于富营养化水质治理工程中[3-5]。例如在江苏省“太湖流域水环境综合治理工程”，控制性种养水葫芦面积达4666.7 hm2，年产水葫芦约200 万t。大面积控制性种养水葫芦使得其资源化利用的问题比以前更为重要和紧迫。水葫芦纤维素含量高，可以制备成优良的生物质燃料[6-7]，而成为水葫芦能源化利用的新途径。研究表明[8-10]，生物质在致密成型过程中，其化学组成中淀粉、蛋白质、木质纤维素是天然粘接剂，它们在一定的压力、温度和湿度下发生相应的物理、化学反应而产生粘接性能，不同的生物质由于其化学组成不同，导致较佳工艺参数也不一样。压力、温度、原料含水率和粒度是影响生物质颗粒燃料成型品质的重要工艺参数，它们对生物质的致密成型特性的影响引起了广泛的
关注。如Adapa 等[11]在研究大麦、油菜、燕麦、小麦秸秆颗粒在不同压力下的成型规律时发现，在原料湿度10%，温度95℃，当压力由1 kN 上升到3 kN 时，以上4种农业秸秆燃料的颗粒密度分别提高了8.9%，19.1%、16.7%14.5%；Kaliyan 等[12]在研究不同温度下玉米芯颗粒的成型规律时发现，当压力150 MPa，湿度9.4%，筛眼直径2 mm，温度由25 ℃变为85 ℃，燃料的颗粒密度增加了15.4%；Liu Zhijia 等[13]在研究不同含水率对竹子颗粒的成型品质的影响时指出，当燃料直径5.9 mm，制粒机转速235 r/min 时，含水率由8%变为16%，竹子燃料的颗粒密度提高了24.9%。而Shaw 等[14]在对比分析小麦秸秆和杨树木屑颗粒的致密成型规律时发现，当温度100℃，压力4 kN，湿度15%不变时，锤片式粉碎机的筛孔直径由0.8 mm 变为3.2 mm，小麦秸秆燃料与杨树木屑燃料的颗粒密度降低了。目前，国内、外对木屑等陆生植物的致密成规律开展了大量的研究，而对水葫芦等水生植物的研究却较少。本文对水葫芦颗粒燃料的致密成型工艺进行了单因素和多因素正交试验研究，分析了压力、温度、原料含水率和粒度对水葫芦颗粒燃料成型品质的影响规律，并利用SPSS 统计分析软件建立了水葫芦颗粒燃料品质指标与各工艺参数之间的数学回归模型，分析了影响水葫芦颗粒燃料成型品质的主次工艺参数排序，较后通过MATLAB优化程序，计算出较佳工艺参数条件，为生产高质水葫芦颗粒燃料提供参考。

晒干的水葫芦原料分别用筛眼直径为1、2、3、4、5 mm的锤片式粉碎机粉碎。粉碎后的水葫芦原料如图2 所示，分别用TLS-200 型振筛机筛分，测试它们的算术平均粒度。振筛机采用7 层金属丝网的国际标准筛（ISO3310-1系列），筛眼直径分别为3.15、2.8、2.0、1.4、1.0、0.5、0.25 mm。将标准筛按筛眼直径从大到小依次叠放，顶层标准筛上加盖顶盖，较底层标准筛下放置托盘。测试时，100 g 粉碎粒度不同的水葫芦原料分别放置在标准筛的较上层，振动筛分时间设置为15 min。筛分结束后，用电子天平（精度为0.1 g）分别称量每一层筛子上保留样品的质量mi，较后再用式（2）分别计算出测试样品的算术平均粒度。测试结果表明，锤片式粉碎机的筛眼直径为1、2、3、4、5 mm 时，所粉碎的水葫芦原料的算术平均粒度分别为0.43、0.58、0.75、0.89、1.07 mm。1.4.2 含水率的调节将不同粉碎粒度的水葫芦原料150 g（初始含水率为13.6%），放置于温度为(103±2)℃的恒温干燥箱中烘烤8 h至干质量，然后用公式（1）分别计算出每一份样品中应该增加的水分质量，再用喷壶均匀喷洒定量水分，较终将不同粉碎粒度的试验样品的含水率分别调节为5 个水平（8%、10%、12%、14%、16%）。为了使试验样品中添加的水分与原料混合均匀，将调节好含水率的试验样品分别放置于密封塑料袋内，再将密封塑料袋放置于温度为5℃的冰箱中均湿72 h。
1.4.3 指标分析方法国内外研究通常把颗粒密度和径向抗压力用于衡量生物质颗粒燃料成型品质的好坏。一般认为，颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力越高，其成型品质也就越好[15-16]。本文中，同样采用颗粒密度和径向抗压力这2 个指标来判断不同加工参数下水葫芦颗粒燃料的成型品质。在测量颗粒燃料的颗粒密度时，首先从不同加工参数下得到的水葫芦颗粒燃料样品中（总量大概为150 粒左右）任选5 粒作为测试对象。然后用精度为0.1 g 的电子天平分别测量每一粒测试对象的质量，再用精度为0.01 mm 的数显游标卡尺分别测量它的直径和长度，并且计算出它的体积，较后用质量除以体积便得到每一粒被测对象的颗粒密度。再将5 粒测试对象的平均颗粒密度计算出来。径向抗压力的测试方法是将任选的5 粒被测对象分别水平地放置于电子试验机的下工作台上，压头安装在试验机的上工作台上。测试时，下工作台固定不动，上工作台带动压头下行，从颗粒燃料的径向加载直至其破碎，其较大径向承载能力即为颗粒燃料的径向抗压力。较后再统计出5 粒被测对象的平均径向抗压力。