在全球能源危機(jī)下，替代能源發(fā)展研究是各國(guó)日益緊迫的事情，國(guó)內(nèi)在此方面的發(fā)展稍落后其他發(fā)達(dá)國(guó)家，木質(zhì)制粒技術(shù)在我國(guó)發(fā)展較晚。因而木質(zhì)制粒技術(shù)開始成為能源危機(jī)下的新替代能源品種發(fā)展的又一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這對(duì)研究木質(zhì)制粒工藝、設(shè)備等技術(shù)具有重要的意義。國(guó)外對(duì)于木質(zhì)制粒技術(shù)的研究主要集中在工藝分析與制粒設(shè)備試驗(yàn)研究；國(guó)內(nèi)對(duì)于木質(zhì)制粒技術(shù)的研究尚處在起步階段，主要集中在制粒產(chǎn)品技術(shù)的消化吸收及改進(jìn)設(shè)計(jì)，多數(shù)設(shè)備及制粒工藝均屬泊來品，不具備完全自主研究水平，各種數(shù)據(jù)非常薄弱。從制粒物料及技術(shù)看，國(guó)外的物質(zhì)制粒技術(shù)開展較早，數(shù)據(jù)相對(duì)比較齊全，制粒設(shè)備性能優(yōu)異；國(guó)內(nèi)的制粒技術(shù)起步較晚，數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重、制粒設(shè)備比較單一，性能與國(guó)外先進(jìn)水平有一定的差距，而且由于機(jī)理分析少，試驗(yàn)數(shù)據(jù)少，設(shè)計(jì)缺乏相應(yīng)的支撐。針對(duì)上述問題，本文將以有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，通過機(jī)理分析與數(shù)值分析對(duì)制粒設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，最終提高生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品品質(zhì)。具體研究?jī)?nèi)容包括：
(1)木質(zhì)原料的組成和特性；
(2)目前木質(zhì)顆粒加工研究及應(yīng)用現(xiàn)狀；
(3)木質(zhì)顆粒加工技術(shù)試驗(yàn)研究。
木質(zhì)制粒設(shè)備及工藝配套設(shè)備，主要由
木屑顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、調(diào)質(zhì)器、熟化器、干燥器、冷卻器、破碎機(jī)、分級(jí)篩和料倉(cāng)活化裝置等組成，根據(jù)木質(zhì)材料的不同而進(jìn)行配置。
自商品擠壓式顆粒機(jī)至今，制粒機(jī)的制造技術(shù)和成形理論得到了飛速發(fā)展，使用制粒機(jī)生產(chǎn)顆粒飼料及化工塑料已得到普及，但木質(zhì)纖維制粒技術(shù)起步稍晚于以上行業(yè)。目前常用的木質(zhì)顆粒壓制機(jī)如同飼料顆粒機(jī)一樣有環(huán)模制粒機(jī)、平模制粒機(jī)及壓塊機(jī)三種基本類型。環(huán)模制粒機(jī)主要由喂料器、調(diào)質(zhì)器、顆粒制造器、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及潤(rùn)滑系統(tǒng)組成。平模制粒機(jī)的工作過程與顆粒成型機(jī)理
按執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分，平模制粒機(jī)有動(dòng)輥式、動(dòng)模式、模輥雙動(dòng)式三種，后兩種常見于小型平模制粒機(jī)，較大機(jī)型一般用動(dòng)輥式。按磨輥的形狀分，又可以分為錐輥式和直輥式兩種。直輥動(dòng)輥式平模制粒機(jī)工作原理如圖1所示：電動(dòng)機(jī)通過減速箱驅(qū)動(dòng)主軸，主軸帶動(dòng)磨輥，磨輥繞主軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)也繞磨輥軸自轉(zhuǎn)。加工顆粒時(shí)，生物質(zhì)原料被送入平模機(jī)的喂料室，在分料器和刮板的共同作用下均勻地鋪在平模上，主軸帶動(dòng)的壓輥連續(xù)不斷地滾過料層，將物料擠壓進(jìn)入模孔，物料在模孔中經(jīng)歷成型、保型等過程，一定時(shí)間后以圓柱狀態(tài)被擠出，旋轉(zhuǎn)的切刀將物料切斷，形成顆粒，由掃料板將顆粒送出。
生物質(zhì)原料主要含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)，其平模機(jī)模輥間的成型機(jī)理如下：供料區(qū)內(nèi)的物料在重力作用下緊貼在平模上，當(dāng)壓輥向前滾動(dòng)，物料進(jìn)入變形壓緊區(qū)，這時(shí)因受到擠壓，原料粒子不斷進(jìn)入粒子間的空隙內(nèi)，間隙中的空氣被排出，粒子間的相互位置不斷更新，粒子間所有較大的空隙逐漸都被能進(jìn)入的粒子占據(jù)。隨著壓輥繼續(xù)滾動(dòng)，被壓實(shí)的原料進(jìn)入擠壓成型區(qū)，部分楔形區(qū)、模孔的錐孔部分和前半部分都屬于擠壓成型區(qū)，該區(qū)內(nèi)，壓力繼續(xù)增加，粒子本身發(fā)生變形和塑性流動(dòng)，在垂直于最大主應(yīng)力的方向被延展，并繼續(xù)充填周圍較小的空隙，由于壓輥和物料間的摩擦作用加劇而產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致原料中含有的木質(zhì)素軟化，粘合力增加，軟化的木質(zhì)素和生物質(zhì)中固有的纖維素聯(lián)合作用，使生物質(zhì)逐漸成形，這時(shí)部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，粒子結(jié)合牢固但不甚穩(wěn)定。成型塊在擠壓作用下進(jìn)入模孔的保型段，在該段不利于形狀保持的殘余應(yīng)力被消除，顆粒被定型。
工藝過程與試驗(yàn)
平模機(jī)加工生物質(zhì)顆粒基本工藝過程，生物質(zhì)原料經(jīng)過破碎和粉碎后進(jìn)入干燥環(huán)節(jié)。水分合適的物料經(jīng)混合調(diào)質(zhì)后進(jìn)入平模機(jī)制粒。從制粒機(jī)出來的顆粒經(jīng)過冷卻和篩分，得到成品，然后包裝或者散裝出廠。
生物質(zhì)制粒的基本工藝步驟大體類似，然而由于原料的物性不同、成型機(jī)的工作原理不同，具體的工藝過程還是有所區(qū)別，對(duì)平模機(jī)制粒的關(guān)鍵工藝步驟具體介紹如下：
粉碎環(huán)節(jié)，平模機(jī)制粒時(shí)，原料粒徑越小，粒子之間越容易互相充填、嵌合，因此制粒機(jī)的單位產(chǎn)量平均能耗就越小，平模和壓輥等易損件的磨損速度也較慢，制成顆粒的抗?jié)B水性和硬度等指標(biāo)也越高，然而一味追求粒徑的減小會(huì)使粉碎環(huán)節(jié)的能耗驟升，因此應(yīng)當(dāng)在滿足平模制粒機(jī)加工要求的前提下，使粒徑盡量大些。事實(shí)上，能夠壓制大粒徑的原料是平模機(jī)的優(yōu)勢(shì)之一，一般對(duì)作物秸稈等原料，其最大顆粒外形尺寸要求小于2×2×30mm，而對(duì)于木質(zhì)原料，則要求更嚴(yán)格一些。
干燥環(huán)節(jié)，干燥的主要目的是調(diào)節(jié)原料的含水率，使其穩(wěn)定均一，適合制粒機(jī)加工，在制粒成型過程中，合適的水分一方面能夠傳遞壓輥的壓力，另一方面能起到潤(rùn)滑劑的作用，輔助粒子互相填充，從而促進(jìn)原料成型。但是含水率過大時(shí)，水分容易在顆粒之間形成隔離層，使得層間無法緊密結(jié)合，擠出的顆粒容易膨脹散開，不能成型，因此控制合適的原料含水率在加工過程中尤為重要。一般從自然界中收集的生物質(zhì)原料含水率大部分分布在20-40%之間，高的能達(dá)到55%，平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)原料時(shí)，要求原料的水分在10-14%之間，當(dāng)加工玉米秸稈一類含糖較多的原料時(shí)含水量可允許稍高。常規(guī)的干燥工藝一般用帶式干燥器、滾筒干燥器、廂式干燥器等設(shè)備進(jìn)行，然而不得不承認(rèn)這一環(huán)節(jié)會(huì)耗費(fèi)掉可觀的能量。如今太陽(yáng)能干燥技術(shù)已較為成熟，完全可以用太陽(yáng)能溫室配備以翻拋設(shè)備對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行除濕，一般生物質(zhì)原料的干燥，要求溫度水平較低，大約在40-70c之間，這正好與太陽(yáng)能利用領(lǐng)域中的低溫利用相適應(yīng)，與傳統(tǒng)干燥工藝相比，可以大量節(jié)省常規(guī)能源，降低固定投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
制粒環(huán)節(jié)，干燥好的物料進(jìn)入制粒環(huán)節(jié)，可以不用調(diào)質(zhì)處理，直接加工。有條件的生產(chǎn)廠家可選配自動(dòng)控制系統(tǒng)和模輥?zhàn)詣?dòng)調(diào)隙裝置。自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)電流的變化調(diào)節(jié)喂料電機(jī)的變頻器，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)喂料量，這能有效的避免堵機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。模輥?zhàn)詣?dòng)調(diào)隙裝置能采集模輥間隙數(shù)據(jù)，通過反饋、對(duì)比來控制液壓系統(tǒng)，使間隙與設(shè)定值相一致，并能在生產(chǎn)過程中隨時(shí)變化。一般而言，啟動(dòng)階段，磨輥間隙應(yīng)當(dāng)盡量小些，這可以減小啟動(dòng)力矩，降低電機(jī)負(fù)荷。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，磨輥間隙應(yīng)當(dāng)稍大，這可以增大壓縮行程，得到堅(jiān)硬光滑的顆粒。可以將間隙隨時(shí)間變化的設(shè)置輸入控制系統(tǒng)，啟動(dòng)后，機(jī)器可以自動(dòng)調(diào)節(jié)模輥間隙。壓輥和平模都是易磨損件，需要定期更換，壓輥的服役期可以稍長(zhǎng)一點(diǎn)，但最好能夠和平模一起更換。一般，平模可以工作800-2000小時(shí)不等，這要視零件的材質(zhì)和加工工藝而定。
利用以上工藝，2007年6月～8月，我們對(duì)中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院畜禽機(jī)械研究所研制的PM60型平模制粒機(jī)進(jìn)行了性能調(diào)研。其中部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下.由試驗(yàn)結(jié)果知，PM60型平模制粒機(jī)適合加工鋸末、鋸末秸稈混合料等生物質(zhì)原料，成型率在93%以上，噸電耗在55千瓦時(shí)以下，小時(shí)生產(chǎn)能力在800kg-900kg左右。
顆粒制造器主要由主電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)子、環(huán)模、壓輥、刮刀、切刀組件及機(jī)身和門等組成。經(jīng)調(diào)質(zhì)器調(diào)質(zhì)的物料，由旋轉(zhuǎn)喂料錐和前板上兩個(gè)偏轉(zhuǎn)刮刀將料均勻地送入兩個(gè)壓輥與環(huán)模組成的壓制區(qū)，通過環(huán)模和壓輥兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)件對(duì)粉料逐漸擠壓而擠入環(huán)模中成型，并不斷向外端擠出，由切刀把成型顆粒切成需要的長(zhǎng)度，最后成型顆粒排出機(jī)外。
國(guó)外典型的木質(zhì)制粒機(jī)有：CPM公司木質(zhì)顆粒壓制機(jī)
CPM公司生產(chǎn)的木質(zhì)顆粒壓制機(jī)采用斜齒齒輪減速箱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，齒輪減速箱可以通過手動(dòng)換擋實(shí)現(xiàn)雙速交換。環(huán)模采用三分式環(huán)模夾固定，裝拆方便，配有自動(dòng)循環(huán)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)備，使用更安全。結(jié)構(gòu)見圖1.6。
國(guó)內(nèi)典型的木質(zhì)制粒機(jī)以表，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:
1．先進(jìn)的雙馬達(dá)傳動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)、更安全、更可靠。
2．關(guān)鍵零部件進(jìn)口，確保質(zhì)量，使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)成本低。
3．液壓壓輥調(diào)節(jié)系統(tǒng)可使環(huán)境更換更加容易（可選擇配備）；
4．合金結(jié)構(gòu)鋼鍛造主軸，具有良好的強(qiáng)度和韌性；
5．機(jī)型設(shè)計(jì)獨(dú)有的“快速配合”系統(tǒng)，可在幾分鐘內(nèi)完成更換環(huán)境的工作，確保環(huán)模和壓輥永遠(yuǎn)處于無偏差的正常運(yùn)行狀態(tài)；
6．適用于苜蓿草、秸桿、棉籽殼等比重較輕物料的制粒。
7．兩項(xiàng)專利技術(shù)：采用經(jīng)典獨(dú)特的雙馬達(dá)分步驟傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，令傳動(dòng)力更大，傳動(dòng)更平穩(wěn)；
8．國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)制造、采用邊頻調(diào)速喂科，特種無堵塞的結(jié)構(gòu)；
9．配有測(cè)速報(bào)警裝置，運(yùn)行更安全，更可靠；
10.配置多個(gè)液體噴頭，可添加糖蜜、水等液體；
11.使用范圍廣，對(duì)物料的粉碎粒度要求低，特別適合壓制纖維高、比重輕的牧草、秸桿等。
三門峽富通新能源銷售顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備。
