稻壳生物质能源颗粒生产工艺

姬少玲，于洪亮，齐菁

（辽宁省森林经营研究所，辽宁丹东118003）

稻壳生物质能源颗粒生产工艺

姬少玲，于洪亮，齐菁

（辽宁省森林经营研究所，辽宁丹东118003）

文章以稻壳作为生产原料，利用环模成型设备制备生物质能源颗粒，通过单因素试验对不同原料粒度、含水率和环模压缩比对稻壳颗粒的成型率和密度进行研究。结果表明：原料粒度对颗粒成品的成型率和密度没有显著影响，原料含水率和环模压缩比对成型率和密度影响显著。同时采用正交试验设计得出稻壳生物质能源颗粒的最优化生产工艺为：原料含水率12%、环模压缩比1:5.5、原料粒度≤7 mm。

稻壳；生物质能源；生产工艺

生物质颗粒燃料技术容易实现大规模生产和使用，使用生物质颗粒的方便程度可与燃气、燃油等能源媲美。所以利用生物质致密成型设备，充分利用农林废弃物如稻壳、木屑、秸秆等生产颗粒燃料，具有较好的经济效益和社会效益[1]。在生物质颗粒产品中，稻壳颗粒是一种新兴产品。与其它种类的生物质颗粒产品相比，稻壳颗粒的原料来源更广泛，价格更低廉，成型效果更好，生产过程更简单，具有很好的经济、生态和社会效益。

在生产生物质颗粒燃料产品的过程中，工艺条件直接影响着颗粒产品的生产效率和质量，因此确定合理的生产工艺十分必要。许多专家和学者在生物质颗粒燃料成型生产工艺方面进行了大量的研究和试验。蒋剑春、刘石彩等（1999）探讨了利用木材剩余物制造生物质颗粒的技术[2]；封莉、刘俊峰等（2004）初步研究了秸秆生物质颗粒的生产工艺和技术[3]；时吉高（2007）申请了一种棉柴生物质颗粒生产方法的专利。上述对颗粒产品工艺的研究探讨主要集中在森林采伐剩余物、秸杆方面，对于稻壳颗粒成型工艺的研究在国内尚属于空白。稻壳在我国农业剩余物比例中占有很大的权重，因此研究以稻壳作为原料生产生物质颗粒的相关技术和生产工艺十分必要。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

水稻壳：脱粒后未经粉碎，直径≤7 mm，产自辽宁省东港市及其周边地区。

1.2 试验设备

SZLH420型环模生物质颗粒成型机（丹东昌隆机械制造有限公司）；

XSD-1电子湿度仪（上海昌吉地质仪器有限公司）；

101型电热鼓风干燥箱（上海申光仪器仪表有限公司）；

量筒、烧杯等一些常用的玻璃仪器；

ACS-DⅡ型三峰牌计重秤（上海乾峰电子仪器有限公司）；

JJ500型精密电子天平（美国双杰兄弟（集团）有限公司）。

1.3 试验方法及过程

将初始含水率较高、粒度为7 mm以下的水稻壳原料烘干到指定含水率，粉碎至指定粒度后，称量20 kg加入到环模压缩颗粒成型设备中。启动环模压缩设备，进行压缩成型，喂料电机转速为650 r·min-1。压缩成型过程全部结束，出料口不再产出颗粒产品后，关闭颗粒成型设备电源，停止工作。待产品冷却后，放入机械振动筛中进行筛选，将筛选后的颗粒产品取出并称量其质量，用于计算产品的成型率，再使用排水法测量该颗粒产品的密度[4]，试验设置3次重复。取平均值作为稻壳颗粒的成型率和密度数据。

2 单因素试验设计

测量用于单因素试验的稻壳原料含水率和粒度等指标，并记录数据。然后根据先期摸索性试验的经验，选取含水率11%、环模压缩比1∶5.5、粒度≤7 mm作为单因素试验的基础条件，针对每个可能影响成型效果的工艺参数设计1个单因素试验方案，共13组试验，每个水平设3次重复。具体试验设计见表1。

3 单因素试验结果与分析

3.1 不同试验因素对成型率的影响

由图1可知，随着原料粒度的增大，成型率变化不大，均保持在92%左右，这说明原料粒度的大小对稻壳颗粒的成型率影响不大。

表1 单因素试验设计

图1 不同粒度对稻壳颗粒成型率的影响

由图2可知，在原料含水率为5%时，颗粒成型率为0，原料含水率达到8%时，开始产出成型颗粒，其后随着原料含水率的增大，产品成型率大幅提高；当原料含水率达到11%时，达到峰值，之后随着原料含水率的增大，其产品成型率反而大幅减小；当原料含水率达到17%时，颗粒产品的成型率又降为0；而当原料含水率在8%和14%时，虽然原料能够成型，但成型效果较差，成型率较低。这表明原料含水率对稻壳颗粒的成型率有很大影响，适当含水率有助于稻壳原料中木质素的软化和粘合，促使稻壳原料之间形成氢键等化学结合，并有利于压缩成型时稻壳原料与环模之间的润滑；但含水率过高，水分会在原料间形成张力，扩大原料间的空隙，从而增加原料之间的斥力，阻碍原料之间接触，降低分子间作用力，使成型率反而大幅下降。

图2不同稻壳含水率对稻壳颗粒成型率的影响

图3 显示，随着环模压缩比的增大，成型率逐步提高，当压缩比达到1∶5.5时，出现峰值，之后随着环模压缩比的增大，成型率反而逐步减小。这表明环模压缩比对稻壳颗粒的成型率影响较大。环模压缩比越大，颗粒的成型压力就越大，原料之间被压的就越紧密，提高了原料之间化学和物理结合效果，有效提高了稻壳颗粒的成型率。但是环模压缩比过高，会导致颗粒的成型压力过大，在还没有被挤出模孔时就紧密结合，致使颗粒与模孔之间的阻力增加，造成部分模孔被阻塞，成型率反而降低。

图3 不同环模压缩比的稻壳颗粒成型率

3.2 不同试验因素对稻壳颗粒密度的影响

图4显示，随着原料粒度的增大，稻壳颗粒密度没有显著变化，这表明原料粒度的变化对稻壳颗粒密度变化影响较小。

由图5可知，原料含水率对稻壳颗粒密度影响较大。当原料含水率为5%时，原料不成型，颗粒密度为0；当原料含水率达到8%时，开始成型，颗粒密度随着原料含水率的增大逐步提高，含水率达到11%时达到峰值，之后随着含水率增大其密度大幅减小；当含水率达到17%时，稻壳原料不成型，颗粒的密度又降为0。这表明原料含水率对稻壳颗粒密度有很大影响，其影响机理与含水率对成型率影响相同。

图4 不同粒度对稻壳颗粒密度的影响

图5 不同稻壳含水率对稻壳颗粒密度的影响

从图6看出，随着环模压缩比的增大，稻壳颗粒密度逐渐增加，当压缩比达到1∶5.5时，稻壳颗粒密度达到最大，之后随着环模压缩比的增大，其密度值趋于平稳。这表明环模压缩比对稻壳颗粒密度有较大影响，其影响机理与环模压缩比对成型率的影响相同。

图6 不同压缩比对稻壳颗粒密度的影响

4 正交试验设计和结果分析

4.1 正交试验设计

综合单因素试验中各工艺参数对稻壳颗粒成型效果的影响，并考虑到能耗和生产成本，最终选取了原料含水率、环模压缩比和原料粒度作为正交试验的3个因素。选取拐点或峰值处的条件（曲线平缓、能耗少、生产成本低）：原料含水率为11%、环模压缩比为1︰5.5、原料粒度为≤7 mm作为编写正交试验的基础，设计1个L9(33)，具体见表2。

表2 正交试验设计

4.2 结果与分析

4.2.1 试验因素对成型率的影响

通过方差分析可知，在稻壳原料的压缩成型过程中，原料含水率对颗粒产品的成型率影响显著，环模压缩比、原料粒度对其影响不显著（表3）。结合表2的试验结果和能耗成本，得出成型率最高的试验条件为：原料含水率11%、12%，环模压缩比1︰5.5，原料粒度≤7 mm（考虑能耗成本）。

表3 不同试验因素对成型率影响方差分析

4.2.2 试验因素对稻壳颗粒密度的影响

从表4可看出，在稻壳原料的压缩成型过程中，原料含水率对颗粒产品的密度影响显著，环模压缩比、原料粒度对其影响不显著。从表2的试验结果得出试验的最优组合为：原料含水率12%，环模压缩比1︰5.5，原料粒度≤7 mm。

表4 不同试验因素对颗粒密度影响方差分析

5 结论

通过稻壳生物质能源颗粒成型的单因素和正交试验，对其成型效果进行分析，并在充分考虑各工艺参数影响显著性，以及能耗和生产成本等因素后，得出了稻壳生物质能源颗粒最优化的生产工艺为：原料含水率12%，环模压缩比1︰5.5，原料粒度≤7 mm。

由于稻壳原料来源广泛，成本价格相对低廉；因此，采用水稻壳这种硬质短纤维材料作为生产生物质颗粒产品的主要原料，无论从经济效益、生态效益还是社会效益考虑，都具有可行性和必要性。

［1］蒋剑春.生物质能源应用研究现状与发展前景［J］.林产化学与工业，2002，（2）:75-80.

［2］蒋剑春，刘石彩，戴伟娣，等.林业剩余物制造颗粒成型燃料技术研究［J］.林产化学与工业，1999，（3）:25-30.

［3］封莉，刘俊峰，冯晓静，等.秸秆生物质资源利用途径及相应技术［J］.农机化研究，2004，（6）:193-195.

［4］慕国忠，陈永鹏.SZLH420型环模生物质颗粒成型机设计制造技术简介［J］.林业科技通讯，2015，（9）:96-97.

(责任编辑：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，高级工程师，主要从事森林培育技术方面的研究。E-mail：m15941482257@163.com。