|
鐘亮，邵增瑯，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，污泥為粘合劑，對顆粒成型關鍵技術進行研究，結果表明：最佳的制備技術為茶渣含水率13%～17%之間；三回程滾筒烘干機的出風溫度為85～90℃；污泥添加比例為5%～10%；并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污染問題，尋找可再生能源尤為重要。生物質燃料因其可再生、污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，既污染環境又造成資源浪費。關于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、制備茶渣吸附劑、茶渣作為生物有機肥、動物飼料、食用菌培養料等方面[4]，用茶渣制備生物質顆粒燃料鮮有報道。
本文以廢棄茶渣為原料，研究其與污泥復配制備成型顆粒燃料的關鍵技術參數，并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試樣制備
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。
污泥：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400m2，濾餅厚度35～40mm；三回程滾筒烘干機購自靖江萬素機械制造有限公司；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電熱恒溫鼓風干燥箱購自上海新苗醫療器械制造有限公司；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于一致，考慮到各學者的研究結果，制粒茶渣的含水率不大于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制粒茶渣的含水率。
1.3.2三回程滾筒烘干機烘干溫度優化
根據1.3.1研究結果，調整三回程滾筒烘干機的出風溫度，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污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%的污泥，與茶渣混合后用環模顆粒機制粒，通過測顆粒的密度及熱值，確定污泥的添加比例。
1.3.4茶渣生物質顆粒燃料及煤炭的工業成分分析
將制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
試樣置于恒溫干燥箱中于105±5℃的條件下烘4～8h，冷卻后稱量。重復烘1～2h待冷卻后稱量，直至兩次稱量之差小于樣品的百分之一。
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干，使用游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，茶渣含水率低于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；茶渣含水率高于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。
2.2三回程滾筒烘干機烘干溫度優化
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，壓榨后茶渣的含水率一般在55%左右，需要對茶渣進一步烘干，試驗采用三回程滾筒烘干機對壓榨后的茶渣進一步烘干。烘干時滾筒頻率固定，即烘干時間一致，為15min，在此條件下對烘干溫度進行優化。從圖1可以看出，滾筒烘干機的出風溫度為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干機的出風溫度為85～90℃。
2.3污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污泥對茶渣顆粒燃料密度及熱值的變化規律。從圖2可知，隨著污泥添加比例的增加，顆粒燃料密度先逐漸增加后基本趨于穩定，當污泥添加比例達到20%后顆粒燃料的密度變化不大，這可能是因為適量的污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]，更利于茶渣的成型，當污泥添加比例達到20%后已足以填充顆粒間隙，繼續添加污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，少量的污泥有助于顆粒燃料的燃燒，可能是因為污泥著火點較低，能快速啟動茶渣顆粒燃料的燃燒[5]，但隨著污泥添加比例的增大，顆粒燃料熱值下降明顯。結合燃料密度與熱值，污泥添加比例為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，遠高于煤炭，其點火性能和燃燒性能比煤炭好，屬于高活性燃料[14]；碳含量為19.75%，遠低于煤炭，這使得其熱值比煤炭低[15]；制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）遠低于煤炭，燃燒時NOX、SO2排放量遠低于煤炭，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、茶渣干燥系統和制粒系統。主要設備包括：
隔膜式板框壓濾機：其壓濾面積為400m2板框機，濾室理論厚度35～40mm，有效容積約7m3，每框出渣約4.2t，壓榨條件為：壓力1.2～1.5Mpa，時間20～30min，壓榨后茶渣含水率為55%～60%，污泥含水率為68%～73%。
1.5～2t/h茶渣烘干線一套：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。烘干條件為：出風溫度85～90℃，烘干時間15min，烘干后茶渣含水率13%～17%。
一套時產3t茶渣顆粒生產線設備：其中單臺造粒速度大于等于1.5t/h，環模顆粒機孔徑為8mm，環模內徑420mm，環模轉速336r/min。茶渣中污泥添加比為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/cm3、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，研究其與污泥復配制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；三回程滾筒烘干機的出風溫度為85～90℃；污泥添加比例為5%～10%，并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循環利用和節能減排是整個行業發展的必然趨勢。
生物質能屬于可再生清潔能源，可有效緩解日益惡化的環境污染和能源缺短問題，被認為是今后的主要新能源之一，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、造成環境污染、資源浪費的現狀，創新地將茶渣用板框壓濾機進行脫水，再經滾筒烘干機進一步脫水烘干后與廢水處理中的污泥一起制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，創建時產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，對于茶葉深加工企業可以實現就地加工利用[17]，制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、廢水污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于生物質能源，有害物質含量僅為煤炭的1/10左右，可減少大氣污染。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SO2排放量33t/a，減少NOX排放量29t/a，燃燒后的灰燼又可作為肥料施回茶園，達到資源循環利用和節能減排（見圖5）。
參考文獻：
[1]謝啟強.生物質成型燃料物理性能和燃燒特性研究[D].南京林業大學，2008.
[2]夏許寧，劉圣勇，劉洪福，等.生物質顆粒燃燒器的設計與性能測試[J].農機化研究，2017（1）：227-231.
[3]劉軍，賈玉鶴.沈陽市生物質顆粒燃料推廣應用前景分析[J].環境保護科學，2007，33（6）：12-14.
[4]謝楓，金玲莉，涂娟，等.茶廢棄物綜合利用研究進展[J].中國農學通報，2015，31（1）：140-145.
[5]蔡文倍.生物質復配制備成型燃料的試驗研究[D].南京：東南大學，2016.
[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會.煤的發熱量測定方法：GB/T 213-2008[S].北京：中國標準出版社，2008：11.
[7]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會.煤的工業分析方法：GB/T 212-2008[S].北京 ：中國標準出版社，2008：11.
[8]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會.煤中全硫的測定方法：GB/T 214-2007[S].北京：中國標準出版社，2008：3.
[9]農業部.生物質固體成型燃料試驗方法第一部分：通則[M].北京：中國農業出版社，2011.
[10]朱典想.生物質顆粒燃料生產線及其關鍵制造技術的研究與開發[J].中國工程科學，2014，16（4）：13-16.
[11]李美華，俞國勝.生物質燃料成型技術研究現狀[J].木材加工機械，2005(2)：36-40.
[12]中華人民共和國農業部.生物質固體成型燃料技術條件：NY/T 1878-2010[S].北京：中國農業出版社 , 2010.
[13]宋姣，楊波.生物質顆粒燃料燃燒特性及其污染物排放情況綜述[J].生物質化學工程，2016，50（4）：61-64.
[14]羅娟，侯書林，趙立欣，等.生物質顆粒燃料燃燒設備的研究進展[J].可再生能源，2009，27（6）：90-95.
[15]Tabarés J L M，Ortiz L，Granada E.Feasibility study of energy use for densificated lignocellulosic material（briquettes）[J].Fuel，2000，79（10）：1229-1237.
[16]陳彥宏，武佩，田雪艷，等.生物質致密成型燃料制造技術研究現狀[J].農機化研究，2010（1）：206-211.
[17]鄭得林，錢園鳳，周為，等.生物質顆粒燃料在松陽香茶加工中的推廣應用前景分析[J].中國茶葉加工，2015（6） ：49-51，69. |
