全 文 ：第 32 卷 第 5 期 农 业 工 程 学 报 Vol.32 No.5
2016 年 3 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2016 239

水葫芦颗粒燃料成型工艺优化
张 霞，蔡宗寿，张得政，张 哲
（云南农业大学机电工程学院，昆明 650201）

摘 要：为了提高水葫芦颗粒燃料的成型品质，该文对水葫芦颗粒燃料的致密成型工艺进行了试验研究，分析了加工压
力、温度、原料含水率和粉碎粒度与水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力的关系。单因素和多因素正交试验研究结
果表明：影响水葫芦颗粒燃料的颗粒密度的主次工艺参数排序为：压力＞粒度＞温度＞含水率；工艺参数温度、压力和
粒度的对水葫芦颗粒燃料的径向抗压力的影响差别不大，而原料含水率的影响最小。水葫芦颗粒燃料的最佳工艺参数条
件为：压力 6 kN、温度 100℃、含水率 12%、粒度 0.58 mm，在此最佳工艺参数条件下，水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和
径向抗压力可分别达到 1 362.21 kg/m3和 1.44 kN。研究结果为工业化生产高质量的水葫芦颗粒燃料提供理论依据。
关键词：生物质；燃料；优化；水葫芦；工艺参数；颗粒密度；径向抗压力
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.034
中图分类号：TK6 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2016)-05-0239-06
张 霞，蔡宗寿，张得政，张 哲. 水葫芦颗粒燃料成型工艺优化[J]. 农业工程学报，2016，32(5)：239－244.
doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.034 http://www.tcsae.org
Zhang Xia, Cai Zongshou, Zhang Dezheng, Zhang Zhe. Process optimization for densification of water hyacinth pellets fuel[J].
Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(5): 239－244. (in Chinese
with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.05.034 http://www.tcsae.org

0 引 言
水葫芦于 20 世纪 30 年代作为饲料传入中国，由于其
适应性强，繁殖快，如今在中国南方 17 个省份的主要水
域大量繁殖，造成河道堵塞，影响泄洪与航运[1-2]。此外，
水葫芦具有较强的富集氮、磷以及有害重金属的能力，因
此近年来被广泛应用于富营养化水质治理工程中[3-5]。例如
在江苏省“太湖流域水环境综合治理工程”，控制性种
养水葫芦面积达 4666.7 hm2，年产水葫芦约 200 万 t。大
面积控制性种养水葫芦使得其资源化利用的问题比以前
更为重要和紧迫。水葫芦纤维素含量高，可以制备成优秀
的生物质燃料[6-7]，而成为水葫芦能源化利用的新途径。
研究表明[8-10]，生物质在致密成型过程中，其化学组
成中淀粉、蛋白质、木质纤维素是天然粘接剂，它们在
一定的压力、温度和湿度下发生相应的物理、化学反应
而产生粘接性能，不同的生物质由于其化学组成不同，
导致最佳工艺参数也不一样。压力、温度、原料含水率
和粒度是影响生物质颗粒燃料成型品质的重要工艺参
数，它们对生物质的致密成型特性的影响引起了广泛的
关注。如 Adapa 等[11]在研究大麦、油菜、燕麦、小麦秸
秆颗粒在不同压力下的成型规律时发现，在原料湿度
10%，温度 95℃，当压力由 1 kN 上升到 3 kN 时，以上 4
种农业秸秆燃料的颗粒密度分别提高了 8.9%，19.1%、

收稿日期：2015-08-05 修订日期：2015-12-29
基金项目：国家自然科学基金项目（51265051）
作者简介：张 霞，女，云南蒙自人，副教授，硕士生导师，主要从事生物
质能源的开发和利用技术研究。昆明 云南农业大学机电工程学院，650201。
Email：zhxia8056@163.com
16.7%、14.5%；Kaliyan 等[12]在研究不同温度下玉米芯颗
粒的成型规律时发现，当压力 150 MPa，湿度 9.4%，筛
眼直径 2 mm，温度由 25 ℃变为 85 ℃，燃料的颗粒密度
增加了 15.4%；Liu Zhijia 等[13]在研究不同含水率对竹子
颗粒的成型品质的影响时指出，当燃料直径 5.9 mm，制
粒机转速 235 r/min 时，含水率由 8%变为 16%，竹子燃
料的颗粒密度提高了 24.9%。而 Shaw 等[14]在对比分析小
麦秸秆和杨树木屑颗粒的致密成型规律时发现，当温度
100℃，压力 4 kN，湿度 15%不变时，锤片式粉碎机的筛
孔直径由 0.8 mm 变为 3.2 mm，小麦秸秆燃料与杨树木屑
燃料的颗粒密度降低了。
目前，国内、外对木屑等陆生植物的致密成规律开
展了大量的研究，而对水葫芦等水生植物的研究却较少。
本文对水葫芦颗粒燃料的致密成型工艺进行了单因素和
多因素正交试验研究，分析了压力、温度、原料含水率
和粒度对水葫芦颗粒燃料成型品质的影响规律，并利用
SPSS 统计分析软件建立了水葫芦颗粒燃料品质指标与各
工艺参数之间的数学回归模型，分析了影响水葫芦颗粒
燃料成型品质的主次工艺参数排序，最后通过 MATLAB
优化程序，计算出最佳工艺参数条件，为生产高质水葫
芦颗粒燃料提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验用水葫芦原料采集于昆明市滇池明波水葫芦采
收场。新鲜水葫芦经过机械化采收和两次挤压脱水后，
含水率由原来的 95%以上降低到 60%～70%左右，然后
放置于户外自然晾晒 1～2 周，当水分降到 20%左右，存
农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2016 年

240
放于实验室备用。
将自然干燥的水葫芦用筛眼直径为 2 mm 的锤片式
粉 碎 机 粉 碎 ， 按 国 家 农 产 品 含 水 率 测 定 标 准
（GB/T 14095-2007）测定其初始含水率。测试过程是将
100 g（W1）粉碎后的水葫芦原料用恒温干燥箱干燥，干
燥箱温度预设为(103±2)℃，干燥 8 h 后，将样品从干燥
箱中取出、冷却后称量质量，即为样品的干质量（W2）。
由式（1）计算出样品初始含水率（见表 1）。
1 2
1
% 100%
W WM
W
−= ×（ ） 。 （1）
式中 M 为原料含水率，%；W1为原料湿质量，g；W2为
原料干质量，g。
最后采用国家固体生物质燃料工业分析方法
（GB/T 28731-2012），对粉碎后的水葫芦样品进行理化特
性分析，分析结果见表 1。
表１ 水葫芦试验样品理化特性分析结果
Table 1 Analysis of physical and chemical properties for test sample of water hyacinth
C/% O/% H/% S/% N/% 灰分
Ash/%
水分
Moisture content/%
固定碳
Fixed carbon/%
挥发份
Volatile matter/%
热值
Calorific value/(MJ·kg-1)
37.98 25.51 5.27 0.36 2.15 15.13 13.6 13.04 58.23 16.5

1.2 试验设备
水葫芦颗粒燃料成型试验是在自制的生物质颗粒燃
料成型装置上完成。该装置由冲头、冲模、加热元件、
温度传感器、控制箱和底座等部分组成（结构如图 1）。
圆筒形冲模中心有一贯通的小孔，小孔内径为 Φ8 mm，
冲模长度为 160 mm。冲模外壁缠绕着电加热元件，用于
由外向内加热冲模。冲模内孔装有温度传感器，温度传
感器又与控制箱相连，用于检测并显示冲模内孔的温度。
当冲模内孔温度达到控制箱预设温度时，控制箱立即自
动断开加热元件的电源，加热元件停止工作，冲模温度
便保持在预设温度的范围以内。工作时，试验装置与一
台电子万能试验机（CMT6104）配合使用，冲模放置在
底座上，而底座固定于电子万能试验机下工作台上，直
径为 Φ8 mm，长度为 200 mm 的冲头则安装在电子万能
试验机的上工作台上，可以随工作台上、下移动。

1.冲头 2.冲模 3.加热原件 4.温度传感器 5.控制箱 6.底座
1.Plunger 2.Die 3.Heating element 4.Temperature sensor 5.Temperature
controller 6.Base plate
图 1 试验装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus

1.3 工艺流程
水葫芦→晒干→粉碎→调节含水率→加热→加压→
成型→冷却→品质测定。
1.4 材料预处理
1.4.1 平均粒度的测试
晒干的水葫芦原料分别用筛眼直径为1、2、3、4、5 mm
的锤片式粉碎机粉碎。粉碎后的水葫芦原料如图 2 所示，
分别用 TLS-200 型振筛机筛分，测试它们的算术平均粒
度。振筛机采用 7 层金属丝网的国际标准筛（ISO3310-1
系列），筛眼直径分别为 3.15、2.8、2.0、1.4、1.0、0.5、
0.25 mm。将标准筛按筛眼直径从大到小依次叠放，顶层
标准筛上加盖顶盖，最底层标准筛下放置托盘。测试时，
100 g 粉碎粒度不同的水葫芦原料分别放置在标准筛的最
上层，振动筛分时间设置为 15 min。筛分结束后，用电
子天平（精度为 0.1 g）分别称量每一层筛子上保留样品
的质量 mi，最后再用式（2）分别计算出测试样品的算术
平均粒度。测试结果表明，锤片式粉碎机的筛眼直径为 1、
2、3、4、5 mm 时，所粉碎的水葫芦原料的算术平均粒
度分别为 0.43、0.58、0.75、0.89、1.07 mm。

图 2 不同筛眼直径粉碎机粉碎后的水葫芦原料
Fig.2 Ground samples of water hyacinth from different hammer
mill screen sizes

1.4.2 含水率的调节
将不同粉碎粒度的水葫芦原料 150 g（初始含水率为
13.6%），放置于温度为(103±2)℃的恒温干燥箱中烘烤 8 h
至干质量，然后用公式（1）分别计算出每一份样品中应
该增加的水分质量，再用喷壶均匀喷洒定量水分，最终
将不同粉碎粒度的试验样品的含水率分别调节为 5 个水
平（8%、10%、12%、14%、16%）。为了使试验样品中
添加的水分与原料混合均匀，将调节好含水率的试验样
品分别放置于密封塑料袋内，再将密封塑料袋放置于温
度为 5℃的冰箱中均湿 72 h。
1.4.3 指标分析方法
国内外研究通常把颗粒密度和径向抗压力用于衡量
生物质颗粒燃料成型品质的好坏。一般认为，颗粒燃料的
颗粒密度和径向抗压力越高，其成型品质也就越好[15-16]。
第 5 期 张 霞等：水葫芦颗粒燃料成型工艺优化

241
本文中，同样采用颗粒密度和径向抗压力这 2 个指标来
判断不同加工参数下水葫芦颗粒燃料的成型品质。
在测量颗粒燃料的颗粒密度时，首先从不同加工参数
下得到的水葫芦颗粒燃料样品中（总量大概为 150 粒左右）
任选 5 粒作为测试对象。然后用精度为 0.1 g 的电子天平分
别测量每一粒测试对象的质量，再用精度为 0.01 mm 的数
显游标卡尺分别测量它的直径和长度，并且计算出它的体
积，最后用质量除以体积便得到每一粒被测对象的颗粒密
度。再将 5 粒测试对象的平均颗粒密度计算出来。
径向抗压力的测试方法是将任选的 5 粒被测对象分
别水平地放置于电子万能试验机的下工作台上，压头安
装在试验机的上工作台上。测试时，下工作台固定不动，
上工作台带动压头下行，从颗粒燃料的径向加载直至其
破碎，其最大径向承载能力即为颗粒燃料的径向抗压力。
最后再统计出 5 粒被测对象的平均径向抗压力。
1.5 试验设计与方法
1.5.1 单因素试验
根据已有文献[10-14]，大多数生物质颗粒燃料的主要
工艺参数的取值一般为：压力 80～150 MPa，温度 80～
120 ℃，含水率 8%～16%，而粉碎机筛眼直径的选择为
1～5 mm。在本文的研究中，工艺参数压力、温度、含水
率、粒度分别成为影响水葫芦颗粒燃料成型品质的单因
素变量，而其余的各固定因素的值分别取压力 6 kN、温
度 100 ℃，含水率 12 %，粉碎机筛眼直径为 2 mm。考虑
到各因素变量的取值应尽可能包括最佳取值范围的中心
点和边缘点，所以各单因素变量的变化值分别取为：压
力 1.5、3、4.5、6、7.5 kN，温度 80、90、100、110、120 ℃，
含水率 8%、10%、12%、14%、16%，粉碎机筛眼直径 1、
2、3、4、5 mm。
试验方法是分别在 1 个因素变量和 3 个固定因素的
条件下，将经过称量的 1.1 g 的水葫芦原料加入冲模中。
冲头随电子万能试验机上工作台下行，工作台运行速度
设置为 50 mm/min。冲头不断下行，冲模中的水葫芦原料
不断被挤压和压缩，工作压力逐渐上升。当工作压力达
到电子万能试验机预设压力时，冲头停止下行，并在原
位保载 5 s，以防止水葫芦原料的反弹效应。最后处于冲模
中水葫芦原料便在冲头和冲模的作用下挤压成型。将冲模
中水葫芦颗粒燃料取出，冷却后保存于密封塑料袋中。
1.5.2 多因素正交试验
为了进一步分析各工艺参数及其交互作用对水葫芦颗
粒燃料成型品质的影响，建立水葫芦颗粒燃料品质指标与
各工艺参数之间的数学回归模型，得到影响水葫芦颗粒燃
料成型品质的主次工艺参数排序及最佳工艺参数条件，本
文还进行了以工艺参数压力（X1）、温度（X2）、含水率（X3）、
粒度（X4）为自变量，以颗粒燃料的颗粒密度（Y1）和径向
抗压力（Y2）为指标的四因素三水平正交试验方案。
2 试验结果与分析
2.1 单因素试验结果分析
2.1.1 压力的影响
如图 3a 所示，在固定因素为温度 100℃，含水率 12%，
粉碎机筛眼直径2 mm条件下，随着压力的增加，水葫芦颗粒
燃料的颗粒密度和径向抗压力都呈现先上升后下降的趋势。当
压力由1.5 kN 上升到6 kN 时，颗粒燃料的颗粒密度和径向抗
压力随着压力的增大而增大，而当压力由 6 kN 继续上升到
7.5 kN 时，颗粒密度和径向抗压力都反而减小。从图3 中可以
看出，水葫芦颗粒燃料成型品质最好的压力是6 kN 左右。

注：固定因素为压力 6 kN，温度 100℃，含水率 12%，粉碎机筛眼直径 2 mm。
Note: Fixed factors were set as compressing force of 6 kN, temperature of 100℃,
moisture content of 12%, hammer mill screen size of 2 mm.
图 3 单因素试验结果
Fig.3 Results of single factor experiment

2.1.2 温度的影响
如图 3b 显示，在固定因素压力 6 kN，含水率 12%，
粉碎机筛眼直径 2 mm 的条件下，随着温度的升高，颗粒
燃料的颗粒密度和径向抗压力也都呈现先上升后下降的
趋势。当温度由 80℃增加到 100℃时，颗粒燃料的颗粒
密度和径向抗压力随着温度的升高而增大，而当温度由
100℃再次上升到 120℃时，颗粒密度和径向抗压力却反
而减小。所以，水葫芦颗粒燃料的成型品质最佳的温度
在 95～105℃之间。
2.1.3 含水率的影响
如图 3c 显示，在固定因素压力 6 kN，温度 100℃，粉
碎机筛眼直径 2 mm 的条件下，随着原料含水率的增加，
颗粒燃料的颗粒密度和径向抗压力还是呈现先上升后下
降的趋势。当原料含水率由 8%上升到 12%时，颗粒燃料
的颗粒密度和径向抗压力都随着含水率的增加而增大，当
含水率由 12%再次升高到 16%时，颗粒密度和径向抗压力
却反而减小。从图 5 中也可以看出，当原料含水率在 11%～
13%之间时，水葫芦颗粒燃料的成型品质最好。
2.1.4 粒度的影响
如图 3d 显示，在固定因素压力 6 kN，温度 100℃，
含水率 12%的条件下，随着原料粉碎粒度的增大，颗粒
燃料的颗粒密度和径向抗压力都一直呈现下降趋势。由
此可见，生物质在致密成型过程中，在一定的压力和温
度下，原料颗粒粒度越小，颗粒之间的相互作用面积就
越大，颗粒之间的黏接力也就越强，越有利于生物质颗
粒燃料固化成型。
农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2016 年

242
2.2 正交试验结果与分析
2.2.1 正交试验结果
以工艺参数压力（X1）、温度（X2）、含水率（X3）、
粒度（X4）为自变量，以颗粒燃料的颗粒密度（Y1）和
径向抗压力(Y2)为指标的四因素三水平正交试验方案
中，各因素水平是根据单因素试验结果以及已有的文献
资料来确定。其中，压力（X1）、温度（X2）和含水率
（X3）的中间水平值分别为单因素试验得到的较佳参数
值，然后再根据文献资料以恰当的水平间距左右各取一
值而组成 3 个水平。在粒度（X4）的试验水平的确定中，
单因素试验显示原料的粉碎粒度越小，颗粒燃料的成型
品质越好。但是还应考虑到粉碎原料所需的能耗和时间
也同时随之增加，在一定程度上增加了颗粒燃料的生产
成本，降低了生产率。因此，综合两方面因素考虑，原
料的粉碎粒度也不宜过小，粉碎机筛眼直径选择为 2、
3、4 mm 较为适宜，所对应的水葫芦原料的平均粒度
分别为 0.58、0.74、0.89 mm。正交试验因素及水平编
码如表 2。
表 2 正交试验因素及水平编码
Table 2 Levels and codes of experimental factors
因素 Factor
代码
Code
压力
Compressing
force X1/kN
温度
Temperature
X2/℃
含水率
Moisture
content
X3/%
粒度
Particle size
X4/mm
-1 5 80 10 0.58
0 6 100 12 0.74
1 7 120 14 0.89

以水葫芦颗粒燃料的颗粒密度（Y1）和径向抗压
力（Y2）为指标，以压力（X1）、温度（X2）、含水
率（X3）和粒度（X4）为自变量，各因素水平按表 2
选定，进行四因素三水平的正交试验，试验方案和结
果如表 3 所示。
表 3 正交试验设计及结果
Table 3 Experimental design and results of orthogonal test
序号
Test
number
压力
Compr-
essing
force
X1/kN
温度
Temper-
ature
X2/℃
含水率
Moisture
content
X3/%
粒度
Particle
size
X4/mm
颗粒密度
Pellet
density
Y1/(kg·m-3)
径向抗压力
Diametric
compressing
strength
Y2/kN
1 −1 −1 −1 −1 1265.55 1.01
2 −1 0 0 0 1332.26 1.35
3 −1 1 1 1 1254.36 0.89
4 0 −1 0 1 1251.38 0.85
5 0 0 1 −1 1358.65 1.39
6 0 1 −1 0 1225.44 0.81
7 1 −1 1 0 1222.15 0.71
8 1 0 −1 1 1334.28 1.35
9 1 1 0 −1 1283.59 0.98

2.2.2 回归方程
采用 SPSS17.0 软件对表 3 试验数据进行多元线性回
归分析，分别以水葫芦颗粒燃料的颗粒密度（Y1）和径向
抗压力（Y2）为目标函数，以压力（X1）、温度（X2）、
含水率（X3）和粒度（X4）为因素变量，分析 4 个因素变
量及它们的交互作用和二次项对目标函数值的影响。在
显著水平 α=0.05 下，经过分析剔除不显著项后，得到多
元线性回归方程为：
1 1 2
2
4 2 3 1
2 2
2 3
972.099 133.467 38.609
62.2 0.573 10.488
0.226 2.339
Y X X
X X X X
X X
= − + + −
+ − −
−
（3）
2 1 2
2
4 2 3 1
2 2 2
2 3 4
9.766 0.208 0.215
0.182 0.004 0.017
0.001 0.016 0.081
Y X X
X X X X
X X X
= − + + −
+ − −
− −
（4）
式中 Y1为颗粒密度，kg/m3；Y2为径向抗压力，kN；X1为压
力，kN；X2为温度，℃；X3为含水率，%；X4为粒度，mm。
2.2.3 模型检验
1）拟合性
用 SPSS17.0 软件计算可得，式（3）颗粒密度回归
方程的相关系数 R=0.997，决定系数 R2=0.993；而式（4）
径向抗压力回归方程的相关系数 R=0.979，决定系数
R2=0.959，表示通过模型来解释水葫芦颗粒燃料的颗粒密
度和径向抗压力的变化占总变化的比例分别是 99.3%和
95.9%，回归方程拟合度高。
2）F 检验
在显著性水平 α=0.05 下，用 SPSS17.0 对回归方程进
行 F 检验，检验结果如表 4 所示。从表 4 中可见，回归
方程（3）和（4）的显著性水平都小于 0.001，回归方程
的置信度为 99.9%，回归关系极显著。
表 4 回归方程方差分析表
Table 4 ANOVA of regression models
指标
Index
方差
来源
Source
平方和
Sum of
squares
自由度
df
均方
Mean
square
F 值
F value
显著性
P value
回归
Regression 67401.487 7 9628.784 259.96 0.000
残差
Residual 444.474 12 37.039
颗粒密度
Pellet
density 总变异
Total 67845.961 19
回归
Regression 0.530 8 0.066 32.414 0.000
残差
Residual 0.022 11 0.002
径向
抗压力
Diametric
compressing
strength 总变异
Total 0.552 19

2.2.4 最佳工艺参数的确定及验证
从回归方程（3）中可以看出，回归方程一次项系数
的绝对值的大小依次为 X1＞X4＞X2＞X3，说明影响水葫
芦颗粒燃料颗粒密度的主次工艺参数排序为：压力＞粒
度＞温度＞含水率；在影响水葫芦颗粒燃料径向抗压力
的工艺参数中，X2、X1、X4 的系数相差不大，说明它们
对径向抗压力影响差别不大，而含水率的影响最小。
根据回归方程（3）和（4）及约束条件，利用 MATLAB
中的优化程序，计算出颗粒密度取最大值时的最佳工艺
参数条件为：压力 6.4 kN、温度 99.9℃、含水率 12.2%、
粒度 0.58 mm；而径向抗压力取最大值时的最佳工艺参数
第 5 期 张 霞等：水葫芦颗粒燃料成型工艺优化

243
条件为：压力 6.2 kN、温度 99.8℃、含水率 11.5%、粒度
0.58 mm。考虑到试验条件的可操作性，将最佳工艺参数
条件修正为：压力 6 kN、温度 100℃、含水率 12%、粒
度 0.58 mm。在此最佳工艺参数条件下，水葫芦颗粒燃料
的颗粒密度和径向抗压力可分别达到 1 362.21 kg/m3 和
1.44 kN。对上述最佳工艺参数进行试验验证，得到颗粒
密度和径向抗压力的实测值分别为 1 365.76 kg/m3 和
1.42 kN，误差均小于计算值的 5%，验证了回归方程的可
靠性。
3 结 论
本试验研究表明工艺参数压力、温度和原料粒度对
水葫芦颗粒燃料的成型品质影响较为显著，而原料含水
率的影响较小。水葫芦颗粒燃料的最佳成型工艺参数为：
压力 6 kN、温度 100℃、含水率 12%、粒度 0.58 mm，在
此工艺参数条件下，水葫芦颗粒燃料的颗粒密度和径向
抗压力可分别达到 1 362.21 kg/m3和 1.44 kN。
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农业工程学报（http://www.tcsae.org） 2016 年

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Process optimization for densification of water hyacinth pellets fuel

Zhang Xia, Cai Zongshou, Zhang Dezheng, Zhang Zhe
(Faculty of Engineering and Technology, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

Abstract: Water hyacinth has been identified as one of the top worst water weeds over the world. Due to its characteristics of
rapid growth rate and broad environmental tolerance, it has widely spread in most waterways in 17 provinces of south areas of
China since 1930’s. However, water hyacinth has a strong ability to absorb nitrogen, phosphorus and other harmful heavy
metal elements from water, so it has been widely used in the projects of ecological rehabilitation of water bodies in recent
years over the world, which has made the problem of resource utilization of water hyacinth more important and urgent than
before. Because water hyacinth is high in cellulose and hemicellulose content, it has the potential to be transformed into
biomass fuel. Using mechanical force, water hyacinth can be extruded or compressed into biomass pellets, and could be an
important way to utilize water hyacinth as an energy source. In the process of biomass densification, different chemical
compositions of biomass can result in different compressing process parameters of biomass pellets. As an aquatic plant, the
difference in the chemical composition of water hyacinth from other terrestrial plants can result in different compressing
process parameters of water hyacinth pellets from other biomass pellets. Among all the compressing process parameters of
biomass pellets, compressing force, temperature, moisture content and particle size of material are the 4 important process
parameters that greatly influence the quality of biomass pellet fuel. In order to improve the densification quality of pellet fuel
made from water hyacinth, the densification process of water hyacinth pellets was experimentally studied by using a
compressing apparatus in the laboratory. Firstly, the single-factor tests were carried out, in which the variables were
compressing force (1.5, 3.0, 4.5, 6.0 and 7.5 kN), temperature (80, 90, 100, 110 and 120℃), moisture content of material (8%,
10%, 12%, 14% and 16%), and particle size of material (0.43, 0.58, 0.74, 0.89 and 1.07 mm) respectively. After that, the
orthogonal test was also carried out, which was four-factor and three-level (compressing force of 5, 6 and 7 kN, temperature of
80, 100 and 120℃, moisture content of 10%, 12% and 14% and particle size of 0.58, 0.74, and 0.89 mm). The regression
analyses and modeling equations between the 4 process parameters and the pellet density and diametric compression strength
of water hyacinth pellets were performed with SPSS 17.0 statistical analysis software, and the optimal process parameters were
obtained by the optimal toolbox of MATLAB. The results showed that the compressing force was the biggest effect factor of
pellet density, followed by particle size, temperature and moisture content. The temperature, compressing force and particle
size of material had almost the same effect on the diametric compression strength, while the moisture content had the least
effect. The optimal process parameters were compressing force of 6 kN, temperature of 100℃, moisture content of 12% and
particle size of 0.58 mm. Under those optimum conditions, the pellet density and diametric compression strength of water
hyacinth pellets could reach 1362.21 kg/m3 and 1.44 kN respectively. The results will provide a reference for the industrial
production of high-quality water hyacinth pellets.
Keywords: biomass; fuels; optimization; water hyacinth; pellets fuel; process parameter; pellet density; diametric compression
strength