為解決秸稈合理利用問題,歐美工業化國家如丹麥、瑞典、荷蘭、美國等,還有亞洲的印度、日本等國都在秸稈成型方面做了大量的研究,我國在這方面的研究起步較晚。根據目前國內外壓縮成型的研究文獻來看,各國研究的側重點雖有所不同,但主要研究以下幾方面內容:
1、秸稈的物理特性
秸稈本身的物理特性是影響秸稈切碎和壓縮成型的主要因素之一。秸稈的物理特性受物種、品種、產區、成熟度等多種因素的影響。國外對麥秸、飼草等軟莖稈的拉伸強度、剪切強度、彈性模量、剛度模量等物理特性研究較多(O'Dagherty,1995)。國內相關報道較少,孫驪( 1998)、徐學耘(2000)等對麥秸和棉桿的物理特性作了初步的分析,農作物秸稈可以經過
秸稈顆粒機、
秸稈壓塊機壓制成生物質
顆粒燃料,生物質顆粒燃料又被稱為“秸稈煤”,秸稈煤是未來替代煤等化石能源最佳的選擇。
2、秸稈的切碎特性
國外對秸稈切碎的研究集中于麥秸、稻秸等軟莖桿,主要分析切碎能耗、切碎長度和切斷效率的各種影響因素, 如O'Dogherty (1986)等人分析了切割速度、割刀參數、受切根數等因素對切割過程的影響,指出秸稈切割過程中有一臨界速度,在15-30 m/s范圍內,低于臨界速度,能耗和無效切割快速增加;大于臨界速度,能耗基本不變,實際切割長度接近于理論長度。國內主要是對切碎能耗和切斷效率的研究,如張晉國( 2000)等人分析了秸稈的含水率和有無定刀對切斷效率的影響;吳子岳(2001)和藺公振( 1999)等研究了受切根數和割刀參數對切割功耗的影響。而對切碎長度的研究較少,但切碎長度是影響物料壓縮成型的主要因素之一。
3、秸稈的壓縮特性
由于植物纖維物料的材料特性不同,國內外在對其壓縮特性的研究中也提出了各種研究方法。國外許多學者都把秸稈當作理想的線性粘彈體,運用流變學的理論,采用各種不同的流變模型來描述物料的壓縮流變過程。國內如楊明韶( 1997)、王春光(1999)等也在國外理論研究的基礎上-改進流變模型,定性分析了壓縮過程中的應力松弛和蠕變。但是相對于金屬、塑料等材料而言,植物纖維物料壓縮過程中的應力與應變的變化畢竟是非常復雜的.因此還有待于進一步探討,從而更接近實際情況.在粉粒體壓縮成型的研究中,借鑒日本的研究理論,進行了壓縮過程中粒子結合形式和受力的分析,則采用有限元的方法研究壓縮過程的應力與應變,為計算機模擬植物纖維物料模壓成型過程開辟了一條道路。
4、壓縮成型方式
秸稈成型方式基本可分為“開式”和“閉式”兩類。所謂“閉式”壓縮,是指用一個柱塞對裝入一端封閉的壓模內的物料進行壓縮,使其成型并達到一定密度后取出,然后裝入新物料再進行壓縮的過程;而“開式”壓縮是用一個柱塞對壓縮室內的物料進行壓縮,克服壓縮室與物料間的摩擦力推動物料向壓縮室出口方向移動,然后邊喂入邊壓縮,被壓縮后的成型物料隨壓縮過程的進行自動離開壓縮室。國外主要是進行“閉模”壓縮試驗研究,理論比較完善,但與實際壓縮狀況存在較大距離:國內主要采用螺旋擠壓方式或柱塞沖壓方式進行“開模”壓縮,研究內容各有側重點,但對動態壓縮過程的研究分析取得了一定的進展,富通新能源生產銷售環模式秸稈壓塊機、秸稈顆粒機等生物質燃料成型機械設備。
5、壓縮成型影響因素
影響秸稈壓縮成型的因素非常復雜,早期的研究主要關心的是壓力與密度的關系,忽視了各種因素的影響.從國內外目前的研究看,均開始采用各種試驗方法和分析方法,對各種與秸稈壓縮方式或模子有關的因素在壓縮過程中的影響規律開展研究。如O'Dogherty和Wheeler( 1984)分析模子直徑變化對成型的影響:(1987)對溫度和秸稈:的粉碎程度進行了試驗對比,國內主要對壓力、溫度、模具的錐度、保壓時間、秸稈的含水量等影響因素開展研究。國內外學者對各因素的最優選擇無法實現統一,這主要是因為縮條件、壓縮方式、壓縮對象等還有較大的差異。從今后的研究趨勢來看,要揭示農業纖維物科的壓縮規律,必須對各種因素、各種性能指標進行系統的研究。
6、壓縮成型工藝
秸稈壓縮成型工藝可以分為加粘結劑和不加粘結劑的成型工藝,根據對物料加溫形式不同,不加粘結劑的成型工藝又可劃分為常溫成型(不加溫)、熱壓成型(成型過程中原料在擠壓部位被加熱)、預熱成型(擠壓之前加溫)和成型碳化(擠壓后熱解碳化)4種主要形式。
6.1常溫成型工藝
纖維類原料在常溫下,浸泡數日水解處理后,其壓縮成型特性明顯改善,纖維變得柔軟、濕潤皺裂并部分降解,易于壓縮成型。因此該成型技術被廣泛用于纖維板的生產,同樣,利用簡單的杠桿和模具,將部分降解后的農林廢棄物中的水分擠出,即可形成低密度的壓縮成型燃料塊。這一技術在泰國、菲律賓等國得到一定程度的發展,所生產的成型燃料的平均熱值約23 U/ kg,被當地稱為“綠色碳”,在燃料市場上具有一定的競爭能力。
6.2熱壓成型工藝
熱壓成型是國內外普遍研究和應用的成型工藝,其工藝流程為:原料粉碎一一干燥一一擠壓成型一一冷卻包裝。熱壓成型的主要工藝參數是溫度、壓力和物料在成型模具內的滯留時間。該工藝的主要特點是物料在模具內被擠壓的同時,需對模具進行外部加熱,將熱量傳遞給物料,使物料受熱而提高溫度。加熱的主要作用是:(1)使生物質中的木質素軟化、熔融而成為粘結劑。由于植物細胞中的木質紊是具有芳香族特性、結構單位為苯丙烷型的立體結構高分子化合物,當溫度為70-110℃時軟化,粘合力增加;達到140 -180.C時就會塑化而富有粘性:在200-300℃時可熔融。因此,對生物質加熱的主要目的.就是將生物質中木質素加熱后起到粘結刺的作用。(2)使成型塊燃料的外表層炭化,使其通過模具時能順利滑出而不會粘連,減少擠壓動力消耗。(3)提供物料分子結構變化的能量。
由于不同種類的生物質中木質素和纖維素含量及物料的形狀等都不相同。因此成型時對溫度和壓力參數值的要求也不一樣。即使同一種生物質,形態相似而含水率和顆粒度不同,則成型時所需溫度和壓力等也不相同。實踐證明,溫度和壓力選得過高和過低都會導致成型失敗。溫度選得過低則生物質中的木質紊未能塑化變粘,物料不能粘結成型。反之,如溫度選得過高,則成型燃料的表面出現裂紋,嚴重時成型塊一出口就變成了“散花”。此外,若施加壓力過小,則會使成型燃料無法粘結,而且也無法克服摩擦阻力,因而無法成型。若施加壓力過大,則會使成型燃料在模具內滯留時間縮短,使生物質物料加溫不足而無法成型。
6.3預熱成型工藝
與上述熱壓成型工藝不同之初在于,該工藝采用在原料進入成型機壓縮之前,對其進行了預熱處理,即將原料加熱到一定溫度,使其所含的術質素軟化,起到粘結劑的作用,并且在后續壓縮過程中能減少成型部件與原料間的摩擦作用,降低成型所需的壓力,從而大幅度提高成型部件的使用壽命.顯著降低單位產品的能耗。印度學者Bhattacharya(1995)等人利用螺旋式成型機,將預熱和非預熱成型工藝做了一個對比試驗,結果表明,整個系統能耗下降了40.2%.成型部件壽命提高了2.5倍。目前國內研制成功的成型設備都采用非預熱熱壓成型工藝,預熱成型的研究尚處在起步階段,國內還沒有見到相關研究報導。
6.4成型碳化工藝
成型碳化工藝有2種情況,一種情況是指先用成型機將生物質壓縮成燃料棒,然后用炭化爐將燃料棒炭化成木炭的過程,其工藝流程為:原料——粉碎——干燥——成型——炭化——冷卻——包裝。這種工藝沒有將生物質壓縮成型與碳化過程結合起來,兩者是相對獨立的。本文在這里所闡述的成型碳化工藝是第二種情況,即壓縮成型與熟解碳化是有機結合、前后連續的工藝過程。如圖1.2所示為日本學者畏庚仁葳、櫥口健(1987)等研究的稻殼拄塞式壓縮成型及熱解碳化試驗裝置原理圖。稻殼等生物質被柱塞式成型機壓縮.并沿著壓縮套筒被推入熱解筒內:通過間接加熱方式由電熱爐向熱解筒提供熱量,稻殼在設定的溫度內被碳化;揮發份被導入氣體冷卻罐內,分為液體(焦油)和氣體(煤氣)兩相物質。木炭經冷卻后被繼續推移出套簡。采用成型碳化工藝的目的是制取熱值較高的成型炭,同時能獲得副產品焦油和煤氣。
富通新能源生產銷售的
秸稈顆粒機、
秸稈壓塊機是客戶們生產顆粒燃料最佳的選擇。