鐘亮, 邵增琅, 唐杏燕, 王曉霞
(南京融點食品科技有限公司, 江蘇省速溶茶粉工程技術研究中心, 江蘇南京211300)
摘要: 生物質顆粒燃料作為一種優質的清潔燃料, 越來越受到人們的關注. 以茶渣類生物質為原料, 汙泥為粘合劑, 對顆粒成型關鍵技術進行研究, 結果表明: 最佳的製備技術為茶渣含水率13%~ 17%之間; 三回程滾筒烘乾機的出風溫度為85~ 90℃; 汙泥添加比例為5%~ 10%; 並在此基礎上最終建成了規模化 (時產3t) , 低成本茶渣生物質燃料生產線, 為茶葉的綜合利用提供了一種新途徑.
能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎, 隨著世界經濟的快速發展, 人口的劇增, 能源需求量將持續增大 [1], 加之化石燃料的減少及所帶來的環境汙染問題, 尋找可再生能源尤為重要. 生物質燃料因其可再生, 汙染小等優勢正在逐漸被人們所重視 [2], 生物質顆粒燃料主要以農林廢棄物為原料, 通過專門設備壓縮成的顆粒狀燃料 [3]. 我國是茶葉生產與消費大國, 每年都會產生大量的茶廢棄物, 既汙染環境又造成資源浪費. 關於廢棄茶渣的綜合利用國內外作了大量研究, 主要集中在提取茶渣活性成分, 製備茶渣吸附劑, 茶渣作為生物有機肥, 動物飼料, 食用菌培養料等方面 [4], 用茶渣製備生物質顆粒燃料鮮有報道.
本文以廢棄茶渣為原料, 研究其與汙泥複配製備成型顆粒燃料的關鍵技術參數, 並在此基礎上最終建成規模化茶渣生物質顆粒燃料生產線, 為茶葉深加工企業廢茶渣的處理和利用提供一種新的途徑.
1材料與方法
1.1試樣製備
茶渣: 粒徑2.36~ 4.75mm, 用隔膜式板框壓濾機壓榨至水分為55%~ 60%, 壓榨壓力為1.2~ 1.5Mpa, 壓榨時間為20~ 30min.
汙泥: 用隔膜式板框壓濾機壓榨至水分為68%~ 73%, 壓榨壓力為1.2~ 1.5Mpa, 壓榨時間為20~ 30min.
1.2主要儀器與設備
隔膜式板框壓濾機購自景津環保股份有限公司, 壓濾面積400m 2, 濾餅厚度35~ 40mm; 三回程滾筒烘乾機購自靖江萬素機械製造有限公司; 環模顆粒機購自江蘇牧羊集團有限公司, 生產處理能力1.5t/h, 耗電量55kW/t, 環模內徑420mm; DHG-9003BS電熱恒溫鼓風乾燥箱購自上海新苗醫療器械製造有限公司; AL204電子天平購自梅特勒-托利多儀器 (上海) 有限公司; SDACM3000量熱儀購自長沙三德實業有限公司.
1.3方法
1.3.1茶渣含水率對成型的影響
含水率對燃料成型的影響研究較多, 大部分研究結果基本趨於一致, 考慮到各學者的研究結果, 制粒茶渣的含水率不大於20%[5], 試驗分別取含水率為9.5%, 11.0%, 12.3%, 13.5%, 15.2%, 16.8%, 17.7%, 18.5%, 20.1%的試樣, 通過成型密度和顆粒外觀確定製粒茶渣的含水率.
1.3.2三回程滾筒烘乾機烘乾溫度優化
根據1.3.1研究結果, 調整三回程滾筒烘乾機的出風溫度, 分別設置出風溫度為78℃, 82℃, 85℃, 87℃, 90℃, 92℃, 95℃幾個梯度, 通過茶渣水分的測定, 使茶渣含水率達到制粒要求.
1.3.3汙泥添加比例對成型燃料的影響
分別添加0%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40%, 50%的汙泥, 與茶渣混合後用環模顆粒機制粒, 通過測顆粒的密度及熱值, 確定汙泥的添加比例.
1.3.4茶渣生物質顆粒燃料及煤炭的工業成分分析
將製備好茶渣生物質顆粒燃料與市售燃煤, 按相關行業標準和國標進行工業成分分析.
1.3.5時產3噸茶渣生物質顆粒燃料生產線設計
在前期研究的基礎上, 按企業茶渣產生量設計時產3t茶渣生物質顆粒燃料的生產線.
1.4分析方法
1.4.1含水率測定
試樣置於恒溫乾燥箱中於105±5℃的條件下烘4~ 8h, 冷卻後稱量. 重複烘1~ 2h待冷卻後稱量, 直至兩次稱量之差小於樣品的百分之一.
1.4.2成型密度測定
參照蔡文倍 [5]成型密度測定方法, 將成型的茶渣生物質顆粒燃料放在室溫下使其自然風乾, 使用遊標卡尺及電子天平分別對成型燃料的長度, 直徑及質量進行測定, 按下列計算公式計算生物質顆粒燃料的密度.
1.4.3發熱量測定
按GB/T 213-2008《煤的發熱量測定方法》[6]規定的方法測定, 以高位發熱量和低位發熱量的平均值計.
1.4.4煤炭工業成分分析方法
煤炭的水分, 灰分, 揮發分, 固定碳的測定按GB/T 212-2008《煤的工業分析方法》[7]中規定的方法測定, 全硫按GB/T 214-2007《煤中全硫的測定方法》[8]中規定的方法測定.
1.4.5生物質成型燃料工業成分分析方法
茶渣生物質顆粒燃料的水分, 灰分, 揮發分參照生物質固體成型燃料試驗方法 [9]中規定的方法測定, 固定碳和全硫分別參照GB/T 212-2008[7]及GB/T 214-2007[8]中規定的方法測定.
2結果與分析
2.1茶渣含水率對成型的影響
物料含水率對生物質壓縮成型效果有比較大的影響, 是生物質成型過程中十分重要的因素 [10]. 含水率過低, 木質素不能得到充分轉化, 大大降低粘結效果, 增強粒子之間的抗壓強度, 不僅成型困難, 同時也會產生過多壓縮能耗; 含水率過高, 加熱過程產生的蒸汽不能從成型燃料中心孔排出, 輕者會造成燃料開裂, 表面非常粗糙, 重者則會產生爆鳴, 同時含水率過高還可能導致生物質顆粒之間的導熱速率大大降低 [11]. 從表1可知, 茶渣含水率低於13%時, 成型密度小, 成型燃料表面粗糙, 有一些裂紋, 成型效果一般; 茶渣含水率高於17%或更高時, 成型燃料表面有裂痕, 隨著含水率的增加, 成型效果越差, 成型燃料抗摔性也越差, 且易碎. 茶渣含水率為15%~ 17%時, 成型燃料表面光滑, 密度較大, 成型效果最佳. 考慮到實際生產過程中含水率控制很難, 達不到如此嚴格, 故制粒茶渣含水率為13%~ 17%之間均可, 試驗結果符合行標NY/T 1878-2010[12]生物質固體成型燃料技術條件的基本性能要求.
2.2三回程滾筒烘乾機烘乾溫度優化
從表1的結果可知, 制粒茶渣的含水率為13%~ 17%時滿足制粒要求, 壓榨後茶渣的含水率一般在55%左右, 需要對茶渣進一步烘乾, 試驗採用三回程滾筒烘乾機對壓榨後的茶渣進一步烘乾. 烘乾時滾筒頻率固定, 即烘乾時間一致, 為15min, 在此條件下對烘乾溫度進行優化. 從圖1可以看出, 滾筒烘乾機的出風溫度為85~ 90℃時, 茶渣含水率在13%~ 17%, 可以滿足制粒含水率的要求. 因此, 生產中選三回程滾筒烘乾機的出風溫度為85~ 90℃.
2.3汙泥添加比例對成型燃料的影響
圖2反映了其他條件相同的情況下添加不同比例的汙泥對茶渣顆粒燃料密度及熱值的變化規律. 從圖2可知, 隨著汙泥添加比例的增加, 顆粒燃料密度先逐漸增加後基本趨於穩定, 當汙泥添加比例達到20%後顆粒燃料的密度變化不大, 這可能是因為適量的汙泥可以填充茶渣顆粒間的間隙, 使茶渣顆粒間粘合作用增大[5], 更利於茶渣的成型, 當汙泥添加比例達到20%後已足以填充顆粒間隙, 繼續添加汙泥對茶渣顆粒間隙的填充和顆粒間的粘合影響不大. 此外, 熱值是顆粒燃料的重要性能指標之一, 直接反映燃料的燃燒品質[13].
從圖中可以看出, 少量的汙泥有助於顆粒燃料的燃燒, 可能是因為汙泥著火點較低, 能快速啟動茶渣顆粒燃料的燃燒 [5], 但隨著汙泥添加比例的增大, 顆粒燃料熱值下降明顯. 結合燃料密度與熱值, 汙泥添加比例為5%~ 10%為宜.
2.4煤炭與茶渣生物質顆粒燃料工業成分分析
表2為茶渣生物質顆粒燃料與市售煤炭的工業成分分析情況. 從表2可知, 茶渣生物質顆粒燃料的揮發分較高, 遠高於煤炭, 其點火性能和燃燒性能比煤炭好, 屬於高活性燃料 [14]; 碳含量為19.75%, 遠低於煤炭, 這使得其熱值比煤炭低 [15]; 製得的茶渣生物質顆粒燃料滿足行業標準NY/T 1878-2010對生物質固體成型燃料的基本性能要求的規定 [12], 有害成分 (硫和灰分等) 遠低於煤炭, 燃燒時NO X, SO 2排放量遠低於煤炭, 燃燒特性明顯得到改善, 利用效率顯著提高. 由此可見, 茶渣生物質顆粒燃料具有優質, 清潔, 高效的特性, 是替代煤炭的理想燃料.
2.5時產3噸茶渣生物質顆粒燃料生產線設計
圖3為時產3噸茶渣生物質顆粒燃料生產線的車間平面布置圖. 主要包括計算機控制中心, 茶渣壓榨系統, 茶渣乾燥系統和制粒系統. 主要設備包括:
隔膜式板框壓濾機: 其壓濾面積為400m 2板框機, 濾室理論厚度35~ 40mm, 有效容積約7m 3, 每框出渣約4.2t, 壓榨條件為: 壓力1.2~ 1.5Mpa, 時間20~ 30min, 壓榨後茶渣含水率為55%~ 60%, 汙泥含水率為68%~ 73%.
1.5~ 2t/h茶渣烘乾線一套: 包括水幕除塵水泵, 旋風機Ⅱ, 引風機Ⅱ, 揚升機, 螺旋出料機, 旋風關風機Ⅰ, 窯尾關風機Ⅰ, 引風機Ⅰ, 進料螺旋, 給料螺旋, 鼓風機Ⅰ, Ⅱ. 烘乾條件為: 出風溫度85~ 90℃, 烘乾時間15min, 烘乾後茶渣含水率13%~ 17%.
一套時產3t茶渣顆粒生產線設備: 其中單台造粒速度大於等於1.5t/h, 環模顆粒機孔徑為8mm, 環模內徑420mm, 環模轉速336r/min. 茶渣中汙泥添加比為5%~ 10%, 制粒機將混合物擠壓成Φ10~ 12mm圓柱形顆粒 (見圖4) , 顆粒密度≥1g/cm 3, 含水率≤13%, 灰分≤6%, 低位發熱量≥16.9MJ/kg, 破碎率≤5%, 粉化率≤12%.
3討論
本文以廢棄茶渣為原料, 研究其與汙泥複配製備成型顆粒燃料的關鍵技術參數, 主要參數為: 茶渣含水率為13%~ 17%之間; 三回程滾筒烘乾機的出風溫度為85~ 90℃; 汙泥添加比例為5%~ 10%, 並在此基礎上最終建成規模化茶渣生物質顆粒燃料生產線, 為茶葉深加工企業廢茶渣的處理和利用提供一種新的途徑.
茶渣作為一種來源廣泛, 成本低廉的農業資源, 其綜合利用符合可持續發展觀點. 開展茶渣綜合利用延長產業鏈, 提高我國茶產業的經濟與社會效益 [4], 實現茶葉深加工企業資源迴圈利用和節能減排是整個行業發展的必然趨勢.
生物質能屬於可再生清潔能源, 可有效緩解日益惡化的環境汙染和能源缺短問題, 被認為是今後的主要新能源之一, 具有顯著的社會和經濟效益 [13, 16]. 針對目前茶葉深加工過程廢茶渣利用不完全, 造成環境汙染, 資源浪費的現狀, 創新地將茶渣用板框壓濾機進行脫水, 再經滾筒烘乾機進一步脫水烘乾後與廢水處理中的汙泥一起製備成茶渣生物質顆粒燃料, 同時對茶渣生物質顆粒燃料規模化生產工藝與設備進行了系統研究, 建立時產3t茶渣生物質顆粒燃料生產線, 實現茶渣生物質顆粒燃料的規模化和低成本生產, 對於茶葉深加工企業可以實現就地加工利用 [17], 製備的茶渣生物質顆粒燃料經生物質鍋爐焚燒產熱, 為茶葉提取過程提供熱源, 既能解決濕茶渣廢棄物, 減少固廢茶渣, 廢水汙泥的運輸及處置成本, 使茶渣得到充分利用, 又能夠達到代替大量燃煤, 有效降低能源消耗, 改善工廠能源利用結構的效果.
茶渣生物質顆粒燃料屬於生物質能源, 有害物質含量僅為煤炭的1/10左右, 可減少大氣汙染. 據統計, 對時產0.5t速溶茶粉的企業, 用生物質燃料代替燃煤供能可年減少SO 2排放量33t/a, 減少NO X排放量29t/a, 燃燒後的灰燼又可作為肥料施回茶園, 達到資源迴圈利用和節能減排 (見圖5) .
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