摘要：
為了提高油菜秸稈和造紙污泥兩種廢棄物的能源化利用效率，對摻入造紙污泥的油菜秸稈進(jìn)行冷壓成型。從污泥含量、成型壓力、含水率和秸稈粒徑四個(gè)方面對新型油菜
秸稈成型燃料的物理性能進(jìn)行測試，并以抗壓強(qiáng)度作為衡量指標(biāo)。通過單因素分析確定因素試驗(yàn)范圍，再利用響應(yīng)面法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明因素的影響主次順序?yàn)槌尚蛪毫Γ竞剩窘斩捔剑疚勰嗪浚滦陀筒私斩挸尚腿剂系淖罴殉尚凸に噮?shù)是:污泥含量25%，成型壓力80 kN，含水率15%，秸稈粒徑＜1 mm，這樣可使成型燃料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.206 kN。我們河南省富通新能源專業(yè)秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)顆粒機(jī)壓塊機(jī)設(shè)備，如下所示：
秸稈顆粒機(jī)設(shè)備如下所示：
秸稈壓塊機(jī)設(shè)備如下所示：
中國作為農(nóng)業(yè)大國，油菜的種植面積和每年總產(chǎn)值占到世界總和的五分之一，是世界上第二大的油菜生產(chǎn)國。但油菜秸稈作為農(nóng)業(yè)廢棄物，大部分被丟棄荒廢或者就地焚燒，這樣不僅占用寶貴的耕地面積，還污染了環(huán)境。因此可采用生物質(zhì)成型技術(shù)對其進(jìn)行資源化合理利用，生物質(zhì)成型技術(shù)是近年來能夠大量處理農(nóng)業(yè)廢棄物、發(fā)展前景廣闊的生物質(zhì)高效利用技術(shù)之一。由于冷壓成型技術(shù)無需進(jìn)行加熱，有節(jié)省能源、保護(hù)生物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，因此采用冷壓成型技術(shù)。
由于污泥具有粘結(jié)作用，在生物質(zhì)中混合污泥以提高成型燃料的物理性能成為一個(gè)新的研究方向。蔣龍波研究了城市污泥與典型生物質(zhì)的混合成型，姜秋玥對玉米秸稈混污泥燃料成型及其燃燒特性進(jìn)行了研究，王愛民等研究了以城市污泥為型焦黏結(jié)劑的工藝流程與機(jī)理。
因此，選取油菜秸稈為主要原料，添加造紙污泥為黏結(jié)劑，進(jìn)行冷壓成型，運(yùn)用響應(yīng)面法分析四個(gè)影響因素(污泥含量、成型壓力、含水率、秸稈粒徑)對成型燃料物理性能的影響，并分析出成型最優(yōu)參數(shù)的組合，為油菜秸稈和造紙污泥的高效能源化利用奠定基礎(chǔ)。
1、材料與方法
1.1試驗(yàn)材料
油菜秸稈來自江蘇北部地區(qū)，造紙污泥來自安徽的一所造紙廠。
1.2試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)的儀器主要為自制圓柱形成型模具、全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)、力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)和力學(xué)試驗(yàn)機(jī)均由電腦控制成型壓力和壓制速度。
1.3單因素影響分析
本試驗(yàn)經(jīng)過前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)和結(jié)合其他學(xué)者的研究成果，分析出影響新型油菜秸稈成型燃料（秸稈顆粒機(jī)壓塊機(jī)壓制成型）的物理性能的因素主要有以下四個(gè)方面。
1.3.1污泥含量
由于造紙污泥具有粘結(jié)性，在油菜秸稈中加入造紙污泥有助于成型，但是造紙污泥相對于秸稈，其灰分較高，若是混入比例較高，不利于燃燒。因此，本實(shí)驗(yàn)綜合考慮，選擇5%～25%的研究區(qū)間。
1.3.2成型壓力
一般成型壓力越大，原料越容易成型，制出的成型燃料物理性能越好。但隨著成型壓力到一定值后，成型燃料的密度、抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)會(huì)趨于穩(wěn)定。而且過高的成型壓力會(huì)增加工藝成本和對成型設(shè)備的要求。因此，本實(shí)驗(yàn)綜合考慮，選擇40～80 kN的成型壓力區(qū)間。
1.3.3含水率
水分可以作為一種“潤滑劑”減小成型過程中原料顆粒間的摩擦，從而有助于成型，但是過高或者過低的含水率都不能很好地成型。而且油菜秸稈經(jīng)過曬場暴曬出籽后的含水率較低。因此，本實(shí)驗(yàn)綜合考慮，選擇的含水率為5%～15%。
1.3.4原料粒徑
一般原料粒徑越小，成型效果越好，但相應(yīng)的消耗的能源也就越大，工業(yè)成本越高。因此，本實(shí)驗(yàn)綜合考慮，選擇的油菜秸稈粒徑＜3 mm，造紙污泥粒徑＜0.2 mm。
1.4響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)
選用box-Behnken design(BBD)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，此方法適用于2～5個(gè)因素的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。響應(yīng)面試驗(yàn)的因素水平表見表1，其中污泥含量A、成型壓力B、含水率C、秸稈粒徑D為影響因素，抗壓強(qiáng)度為響應(yīng)面值。采用最小二乘法擬合二次多項(xiàng)式方程，同時(shí)設(shè)置5個(gè)中點(diǎn)條件，這樣有助于估計(jì)模型擬合誤差和二次項(xiàng)系數(shù)。當(dāng)模型擬合誤差顯著時(shí)，可以確定二次回歸方程，再預(yù)測優(yōu)化工藝結(jié)果，然后利用軟件Design Expert 8.0繪制出四種因素交互影響的等高線圖和響應(yīng)面3D曲面圖，分析得到軟件理論值，與預(yù)測值對比，從而確定成型的最優(yōu)參數(shù)組合。
1.5成型工藝參數(shù)測定
1.5.1試樣參數(shù)測定
先用小型粉碎機(jī)對兩種原料進(jìn)行粉碎處理，再用篩網(wǎng)篩分出粒徑分別為＜1 mm、1～2 mm和2～3 mm的油菜秸稈和粒徑＜0.2 mm的造紙污泥。用烘箱將兩種原料烘至絕干，然后將絕干的油菜秸稈和造紙污泥按比例混合后進(jìn)行配水處理，最后得到平均含水率分別為5%、10%、15%的物料，放入密封袋靜置24 h備用，以讓水分與原料得到充分混合。
1.5.2抗壓強(qiáng)度測定
機(jī)械性能是衡量成型燃料物理性能的重要指標(biāo)之一，而抗壓強(qiáng)度則是評(píng)價(jià)機(jī)械強(qiáng)度的方法之一。因此本試驗(yàn)測試抗壓強(qiáng)度作為評(píng)判油菜秸稈新型成型燃料物理性能的方法。首先將5 g試樣倒入自制的圓柱形模具中，再將模具放到全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)上，用電腦控制成型壓力與壓制速度，壓完保壓10 min后再取出成型燃料。成型燃料需放置三天再測試抗壓強(qiáng)度，因?yàn)槿剂蟽?nèi)部會(huì)有一部分彈性勢能釋放從而產(chǎn)生一定的松弛。將靜置3 d后的成型燃料放于力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上，用電腦控制向燃料進(jìn)行軸向加壓直至破裂，以測試成型燃料的抗壓強(qiáng)度。
2.結(jié)果與分析
2.1響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)響應(yīng)面法試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，測定油菜秸稈新型成型燃料在不同條件下的抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)點(diǎn)共有29個(gè)，其中最后五個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)為中心點(diǎn)，以估算試驗(yàn)誤差。
利用軟件Design Expert 8.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可得到二次多項(xiàng)方程對抗壓強(qiáng)度指標(biāo)的二次多項(xiàng)回歸擬合方程。抗壓強(qiáng)度的二元回歸方程響應(yīng)面模型為Y=0.091+5.417×10－3 A+0.032B+0.014C－8.5×10－3 D+6×10－3 AB+6.5×10－3 AC－2.5×10－4AD－1.75×10－3 BC－0.01BD－9.25×10－3CD－3.983×10－3 A2+7.017×10－3 B2+0.013C2+7.892×10－3D2。
將四種因素處于水平范圍的數(shù)值代入上述模型，即可得到該種條件下的新型油菜秸稈成型燃料的抗壓強(qiáng)度。
2.2方差分析
從表3可以看出，模型的P值小于0.05，是顯著的，失擬項(xiàng)的P值大于0.05，是不顯著的，說明該模型擬合程度較好，對試驗(yàn)結(jié)果的分析具有意義。
成型壓力B、含水率C、秸稈粒徑D這三個(gè)因素的P值都小于0.05，表明這三個(gè)因素對油菜秸稈新型成型燃料的影響是顯著的。因素污泥含量A的P值接近于0.05，說明造紙污泥作為黏結(jié)劑，在一定程度上對成型燃料的抗壓強(qiáng)度有一定的影響。因此，這四種因素對抗壓強(qiáng)度的影響主次順序?yàn)槌尚蛪毫＞含水率C＞秸稈粒徑D＞污泥含量A。
2.3響應(yīng)面分析
由軟件Design Expert 8.0可以得到圖1，圖1是當(dāng)兩個(gè)因素為中心水平時(shí)，剩余兩個(gè)因素對抗壓強(qiáng)度影響的3D曲面圖。分析圖1可知，六個(gè)曲面都有一定的坡度，并不是規(guī)則的平面，表明這四種因素之間是存在兩兩交互作用的。結(jié)合表3可知，兩兩因素交互作用中，污泥含量和成型壓力的P值最小，說明這兩因素之間的交互作用最明顯，而圖1(a)的曲面較為陡峭也表明了較為明顯的交互作用。污泥含量和秸稈粒徑的P值最大，交互作用最弱，圖1(c)的曲面也體現(xiàn)為較為平緩。
在圖1(a)中，隨著成型壓力和污泥含量的增加，成型燃料的抗壓強(qiáng)度增加也越明顯，但當(dāng)成型壓力較低時(shí)，污泥含量對抗壓強(qiáng)度的增幅效果較小。在圖1(b)中，隨著含水率和污泥含量的增加，成型燃料的抗壓強(qiáng)度也增加，當(dāng)污泥含量一定時(shí)，含水率對抗壓強(qiáng)度的影響幅度呈現(xiàn)先平緩后增大再平緩的拋物線趨勢。在圖1(c)中，污泥含量和秸稈粒徑的交互作用不明顯，但是仍能觀察出在秸稈粒徑最小、污泥含量最大時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)值。在圖1(d)中，隨著成型壓力和含水率的增加，抗壓強(qiáng)度增加的幅度特別明顯，當(dāng)二者達(dá)到最大值時(shí)，即成型壓力為80 kN，含水率為15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大。在圖1(e)中，隨著秸稈粒徑的增加，抗壓強(qiáng)度減小，隨著成型壓力的增大，抗壓強(qiáng)度增加，當(dāng)B=80、D=1時(shí)(即成型壓力為80 kN、秸稈粒徑＜1 mm)，抗壓強(qiáng)度最大。在圖1(f)中，隨著秸稈粒徑的增加，抗壓強(qiáng)度減小，隨著含水率的增大，抗壓強(qiáng)度增加，當(dāng)C=15、D=1時(shí)(即含水率為15%、秸稈粒徑＜1 mm)，抗壓強(qiáng)度最大。2.4優(yōu)化工藝
Design Expert 8.0軟件中分析出的最優(yōu)值是:當(dāng)污泥含量為25%，成型壓力為80 kN，含水率為15%，秸稈粒徑＜1 mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.206 kN。軟件分析預(yù)測出的最優(yōu)值所需四種因素的條件與響應(yīng)面圖分析出的結(jié)果一致。
根據(jù)上述四種因素的條件進(jìn)行五組試樣測試，測出抗壓強(qiáng)度的平均值為0.196 kN，與軟件分析的最優(yōu)值的誤差極小，所以此模型用于新型油菜秸稈抗壓強(qiáng)度的計(jì)算是可靠的。
3、結(jié)果與討論
本試驗(yàn)在油菜秸稈中加入造紙污泥作為黏結(jié)劑制成新型油菜秸稈成型燃料，運(yùn)用響應(yīng)面法分析了四種因素(污泥含量、成型壓力、含水率和秸稈粒徑)對成型燃料抗壓性能的影響，分析出四種因素的影響主次順序?yàn)?成型壓力＞含水率＞秸稈粒徑＞污泥含量，預(yù)測到的最優(yōu)值工藝參數(shù)為:當(dāng)污泥含量為25%，成型壓力為80 kN，含水率為15%，秸稈粒徑為＜1 mm時(shí)，抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.206 kN。
由于試驗(yàn)條件和分析量所致，本試驗(yàn)未考慮造紙污泥粒徑這一影響因素，可在后續(xù)試驗(yàn)中加入這一影響因素，以精確新型油菜秸稈成型燃料抗壓強(qiáng)度的二元回歸方程響應(yīng)面模型。
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