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烤烟秸秆固体成型燃料的工艺优化 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 14-11-03

    农作物秸秆是当今世界上仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源。我国作为农业大国,秸秆资源非常丰富,年产量7亿t左右。但在农业生产中,人们常将秸秆直接焚烧或还田,这不仅严重污染大气和土壤环境,而且造成能源资源的极大浪费。作为一个能源短缺、经济高速发展的国家,推动农业秸秆的高效转化利用,是一项非常有价值的研究。据报道,将秸秆经秸秆颗粒机或者秸秆压块机压缩成型为固体颗粒燃料,燃烧特性明显改善,生物质的热效益大幅度提高;与煤炭相比,秸秆固体成型燃料的燃烧速度比煤快,灰尘及NOx.SOx低,干净卫生,有利于环境保护。
    国内外对作物秸秆的转化利用进行了大量研究,并取得了显著效果,但对烤烟秸秆在生产上的再利用研究鲜见报道。我国烤烟种植面积约为124万hm2,每年产生烤烟秸秆390万t左右,其热值折合220万t标准煤。在实际生产中,烟农常以直接露天焚烧的方式处理烤烟秸秆。为充分利用资源,减少环境污染,现在人们尝试将烤烟秸秆压缩成型为燃料应用在烟叶烘烤上。但由于采用了其他作物秸秆的加工工艺,加上原料特性不同,所以烤烟秸秆固体成型燃料生产中产品破碎率高,生产率低,成本较高,导致该项技术推广利用率不高。为解决以上出现的问题,优化生产工艺,毕节市烟草企业黔西县分企业成立“珍珠项链QC活动小组”,对提高烤烟秸秆固体成型燃料质量和生产率进行研究,以期为烤烟秸秆固体成型技术在实际生产中的应用提供合理依据。600型秸秆压块机1、材料与方法
1.1材料烤烟秸秆,600型秸秆压块机,秸秆粉碎机
1.2试验设计
1. 2.1不同筛网孔径对烤烟秸秆固体成型破碎率的影响。设5个处理(处理①、②、③、④和⑤分别以筛网孔径为8、12、16、20、24mm的粉碎机加工),重复4次,以含水率为(18±2)%,堆积发酵时间5d的秸秆为原料,每组原料重量为100kg,然后进行加工压块。
1.2.2不同含水率对秸秆固体成型破碎率的影响。设5个处理(处理①、②、③、④和⑤秸秆含水率分别为11.0%~13.9%、14.0%~17.9%、18.0%~21.9%、22.0%~ 25.9%、26.0%~30.0%),重复4次,以堆积发酵时间5d的秸秆为原料,使用筛网孔径为12 mm的粉碎机加工,每组原料重量为100 kg,然后加工压块。
1.2.3不同发酵时间对秸秆固体成型破碎率的影响。设5个处理(处理①、②、③、④和⑤发酵时间分别为3、4、5、6、7d),重复4次,以含水率为(18±2)%的秸秆作为原料,使用筛网孔径为12 mm的粉碎机加工,每组原料重量为100 kg,然后加工压块。
1.2.4工艺优化的正交试验。选定3个试验因素(A:含水率;B:发酵时间,C:筛网孔径)进行正交试验,以确定最优工艺。
1.3试验基本情况试验于2011年4~6月在贵州省黔西县林泉镇高锦烟叶烘烤工场进行,使用9SYS32-1000型压缩成型机压块。
1.4测定项目与计算方法  所需测定的固体成型燃料破碎率及生产率计算公式如下:固体成型燃料破碎率(%)=破碎固体成型燃料重量(kg)/固体成型燃料总重量(kg) xl00%固体成型燃料生产率(%)=固体成型燃料重量( kg)/生产时间(h)×100%烟叶颗粒燃料2、结果与分析
2.1不同筛网孔径对固体成型燃料破碎率的影响从表1可见,处理①秸秆固体成型破碎率最低,为5.8%;其次是处理②,为5.9%;处理⑤最高,为17.0%。采用新复极差法(SSR)对各处理秸秆固体成型破碎率进行差异显著性分析,多重比较结果表明,处理④与处理③,处理③与处理②、处理①无显著差异;处理⑤与其余4个处理存在极显著差异,其他4个处理间无极显著差异。一般情况下,秸秆原料粉碎粒度越细,成型质量越高,但耗能越大;原料粉碎粒度过粗,成型后较易破碎,稳定性差,还会在接触部件上产生研磨作用,增加摩擦力,增大耗能,降低产量。据研究,秸秆固体成型燃料原料以粒状直径6~12mm,长30~50 mm较为适宜,即处理②、③、④固体成型效果较好。
表1 不同网孔孔径对固体成型颗粒燃料破碎率的影响
处理 筛网孔径/mm 秸秆重量/kg 固体成型颗粒燃料重量/kg 破碎燃料重量/kg 破碎率%
8 100 93.3 5.5 5.8cB
12 100 92.2 5.1 5.9 cB
16 100 89.7 7.9 8.8b cB
20 100 88.4 9.1 10.2bB
24 100 88.3 15.0 17.0aA
注:表中同列不同大、小字母分别在0.01和0.05水平差异显著。
2.2不同含水率对固体成型燃料压块破碎率的影响从表2可见,处理③秸秆固体成型破碎率最低,为5.8%;其次是处理②,为10.2%;处理⑤最高,为38.7%。采用新复极差法( SSR)对各处理秸秆固体成型破碎率进行差异显著性分析,多重比较结果表明,处理⑤与处理①,处理④与处理③、处理②之间无显著差异;处理⑤、处理①与其余3个处理间存在极显著差异。秸秆固体成型燃料对原料含水率的要求范围较宽泛,一般以原料含水率为10%~25%较为适宜,即处理②、③、④固体成型效果较好。
表2 不同含水率对固体成型颗粒燃料破碎率的影响
处理 不同含水率/% 秸秆重量/kg 固体成型颗粒燃料/kg 破碎燃料重量/kg 破碎率%
11.0~14.9 100 88.1 30.9 35.1aA
15.0~17.9 100 89.4 9.1 10.2bB
18.0~22.9 100 92.7 5.4 5.8bB
23.0~27.9 100 91.3 11.8 12.9 bB
28.0~30.0 100 96.6 97.4 38.7 aA
注:表中同列不同大、小字母分别在0.01和0.05水平差异显著。
2.3不同发酵时间对固体成型燃料破碎率的影响从表3可见,处理③秸秆固体成型破碎率最低,为6.7%;其次是处理②和处理④,均为8.5%;处理⑤最高,为11.8%。采用新复极差法( SSR)对各处理秸秆固体成型破碎率进行差异显著性分析,多重比较结果表明,处理⑤与处理①,处理④与处理③、处理②之间无显著差异;处理⑤、处理①、处理②间无极显著差异,处理③与处理①和⑤间存在极显著差异。通过发酵,利用自然界中的白腐菌类降解秸秆中的木质素,使原料软化,增加黏着力,有利于固体成型。但是,发酵时间太短,原料软化程度不够,成型后容易松散破碎;发酵时间过长,燃烧值降低,因此,一般发酵时间以5d左右为宜。
表3 不同发酵时间对固体成型颗粒燃料破碎率的影响
处理 发酵时间/d 秸秆重量/kg 固体成型颗粒燃料重量/kg 破碎燃料重量/kg 破碎率%
3 100 90.0 9.7 10.8abAB
4 100 89.9 7.6 8.5bcABC
5 100 89.4 6.0 6.7cC
6 100 90.5 7.7 8.5bcABC
7 100 91.8 10.8 11.8aA
注:表中同列不同大、小字母分别在0.01和0.05水平差异显著。
2.4优选最佳组合参数的正交试验
2. 4.1正交试验因素水平设计。考察不同秸秆原料含水率、发酵时间及粉碎机筛网孔径对秸秆固体成型试验的影响,建立正交试验因素水平设计表(表4),并进行试验,选择最优方案。
表4 正交试验因素水平设计
水平 因素
含水率(A)% 发酵时间(B)d 筛网孔径(C)mm
1 15 3 12
2 20 5 16
3 25 7 20
2.4.2 b(34)正交试验结果分析。从表5可见,第2号试验结果为较好方案,其组合为A2BIC.;从极差分析得出较优方案为A2B:C,与较好方案不一致。D为检验列,其极差最小,说明试验误差小,试验有效,根据R值确定各影响因素主次关系为:A>C>B。由于较优方案不在正交表9组试验中,需要进行验证试验。
试验号 因素 生产率kg/h
A B C D
1 1 1 3 2 388
2 2 1 1 1 426
3 3 1 2 3 375
4 1 2 2 1 404
5 2 2 3 3 389
6 3 2 1 2 398
7 1 3 1 3 377
8 2 3 2 2 401
9 3 3 3 1 358
K1 1169 1189 1201 1188  
K2 1216 1191 1180 1187  
K3 1131 1136 1135 1141  
K 85 55 66 47  
2.4.3跟踪验证试验。采用A2BICI和A2BZCr2个方案进行验证试验,每个试验设5个重复。从表6可见,方案A282C,平均生产率为422.0kg/h,比方案A:B1C.高12.4kg/h,所以确定较佳方案为A2 82C。2.4.4趋势分析。根据表5结果建立趋势图,从图1可见,A2、B2、C,均为最佳点,故A282C,为最佳组合。
表6 教优组合验证结果     kg/h
组合 生产率
重复Ⅰ 重复Ⅱ 重复Ⅲ 重复Ⅳ 重复Ⅴ 重复Ⅵ
A2B1C1 411 103 423 401 410 409.6
A2B2C1 420 418 417 425 430 422.0
3、结论与讨论
    我国在20世纪80年代才开始研究秸秆固体成型燃料技术,早期主要以螺旋挤压机为主,2000年后才改用环模式成型机设备,产品质量和生产率得到很大提高。烤烟秸秆固体成型工艺应用较晚,同时由于烟草茎秆较粗,体积较大,含有较多的纤维素、半纤维素和木质素,所以在固体成型生产中存在主要部件磨损严重、耗能大、产品质量较低,生产率不高等问题。该试验根据烤烟秸秆特性改进生产工艺,即使用含水率为20%、发酵时间为Sd的秸秆原料,粉碎机筛网孔径为12mm,秸秆固体成型燃料产品质量较好,生产率显著提高。
烤烟秸秆替代煤可以满足烟叶烘烤工艺要求,但是纯秸秆压块燃料也存在着燃烧时间短、温度稳定差、添加燃料次数多等缺点。为解决以上问题,可将秸秆与煤炭按照一定配方压块成型,以满足烟叶烘烤各阶段的工艺要求,所以该项技术值得继续深入研究。
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