0、引言
麥秸是我國的主要農(nóng)作物秸稈，也是一種可再生生物資源，每年生產(chǎn)量約1.1億t，占秸稈總量的15%左右。江蘇省每年產(chǎn)麥秸約1000萬t，占秸稈總量的25%左右。由于麥秸的綜合利用率較低，加之收集用工量大，因此在我國北方主要是直接還田作肥，在稻麥輪作區(qū)除一部分用于還田作肥外，其余被焚燒或丟棄在田頭、路上和塘邊，既浪費資源又污染環(huán)境。近年來，江蘇省引進(jìn)了一批平模和環(huán)模型
秸稈壓塊機(jī)，為使秸稈制塊后方便運輸及存放，從而擴(kuò)大秸稈在燃料、肥料、飼料和工業(yè)原料方面的應(yīng)用，提高秸稈的價值和農(nóng)民收集積極性。但從實踐來看，引進(jìn)機(jī)型對麥秸制塊連續(xù)作業(yè)的效果不太理想，容易出現(xiàn)松散與堵模現(xiàn)象。因此，必須開展麥秸制塊的研究，分析影響制塊作業(yè)的主要因素，為機(jī)具的改進(jìn)和技術(shù)的完善提供依據(jù)。2009年，鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站引進(jìn)了河南省富民生物燃料成型設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JMX-5型生物質(zhì)成型機(jī)，開展了平模機(jī)麥秸制塊應(yīng)用型試驗研究，進(jìn)行了不同含水率條件下的壓縮試驗，測定了秸稈塊的成型率、密度、含水率和粒度，分析了影響麥秸制塊的主要因素，只有在調(diào)整好各影響因素的情況下才能連續(xù)制塊。
1、影響平模機(jī)，我們對引進(jìn)的制塊機(jī)配套生產(chǎn)的9RC-50型揉搓機(jī)，進(jìn)行了多次麥秸制塊試驗和觀察，包括與生產(chǎn)廠領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員共同進(jìn)行試驗，作業(yè)均不穩(wěn)定。主要表現(xiàn)為：當(dāng)麥秸含水率較高時不易成型，當(dāng)含水率較低時模孔易堵塞；物料長時不易成型且效率較低，物料短時易成型且效率較高；溫度適中時容易成型，過低或過高均不易成型。查閱有關(guān)研究表明：“生物質(zhì)原料具有流動性差、相互牽連力較大的特性，是成型喂入和壓縮的瓶頸。對于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，壓縮特性有很大的差異，并對成型過程和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。”根據(jù)生物質(zhì)致密成型技術(shù)原理，我們對引進(jìn)樣機(jī)生產(chǎn)情況進(jìn)行初步分析認(rèn)為，影響麥秸稈制塊的主要因素是含水率、粒度和溫度。麥秸的含水率是影響平模機(jī)制塊的首要因素，當(dāng)水分過高時，秸稈塊出模時容易松散；但含水率太低，成型也很困難，容易出現(xiàn)堵模或散料從模孔中漏出現(xiàn)象，因此，該機(jī)麥秸稈制塊的物料適宜含水率需進(jìn)行試驗研究。其次，生物質(zhì)制粒“粒度小的原料容易成型，粒度大的較難壓縮。”這僅僅是個定性分析，還不能定量。因此，在小麥秸稈制塊中，究竟原料的粒度細(xì)到什么程度，怎樣分級，各級粒度所占比例應(yīng)為多少等問題，國內(nèi)少有研究。再者，模內(nèi)溫度低于75℃時，秸稈不易壓制成塊，高于100℃后，物料的水分揮發(fā)較快，當(dāng)進(jìn)料含水率較低時會造成堵模，因此，需了解物料在制塊過程中的水分揮發(fā)情況，確定制塊物料的最佳含水率。
2平模機(jī)麥秸制塊的試驗
2.1試驗樣機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)
試驗機(jī)具為生產(chǎn)的JMX-5型生物質(zhì)成型機(jī)（平模機(jī)），說明書介紹：成品密度0.9—1.4g/cm3，生產(chǎn)率0.5~lt/h，電動機(jī)功率30 kW，制塊原料適宜含水率10%．30%。實測模盤高90 mm，模孔數(shù)30，模孔小徑33mm，大徑34 mm，輥輪為槽輪型，直徑170 mm，數(shù)量2個，輥輪與模口間隙1~1.5 mm可調(diào)，試驗時調(diào)整為1mm。模盤外配置一個電熱圈，功率2 kW，可對模盤進(jìn)行預(yù)加熱，試驗時預(yù)加熱至75℃，機(jī)具正常工作時模盤溫度達(dá)125℃。
2.2試驗用麥秸稈處理
試驗在丹陽市云陽鎮(zhèn)青陽村進(jìn)行，試驗用秸稈為當(dāng)年收小麥秸稈，用世達(dá)爾打擁機(jī)撿拾打捆后堆放在倉庫里。秸稈分別用生產(chǎn)的9RC-50型秸稈揉搓機(jī)和山東生產(chǎn)的3FS-500秸稈粉碎機(jī)進(jìn)行揉搓和粉碎處理。揉搓機(jī)加工后秸稈較長，一般為10 cm以上，最長達(dá)到25 cm左右。粉碎機(jī)加工后秸稈成顆粒狀，麥稈莖、節(jié)均打碎，長度10 mm左右，寬3 mm左右。對兩種處理制塊試驗后分析，揉搓機(jī)加工料制塊時工效低，且噴水后不能攪拌均勻，易出現(xiàn)堵塞情況；粉碎機(jī)加T料制塊效率高，且噴水拌料較均勻，便于掌握，因此采用粉碎料測定。在大堆料中多點取樣，按GB5262-85《農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗條件中測定方法的一般規(guī)定》中莖稈含水率測定方法測出秸稈平均含水率，測得試驗用麥秸平均含水率為17.13%。根據(jù)試驗要求，我們確定了從含水率26%開始試驗，每次試驗降低1%，直至堵模。每次試驗秸稈用量20kg，均勻堆放在塑料布上，用生產(chǎn)的3WBJ-16DZ型多功能靜電噴霧器噴水，事前測定了噴霧器單位時間的噴水量(14.176gts)，并根據(jù)原秸稈含水率、試驗物料總質(zhì)量、需要達(dá)到的物料含水率和單位時間的噴水量確定噴水時間，用秒表控制時間對物料均勻噴霧均勻攪拌后即用。在物料含水率處理時機(jī)器不停。
2.3試驗測定方法
試驗主要測定該機(jī)在不同含水率麥秸條件下制塊的成型率、密度、含水率和粒度。由于目前國家對秸稈塊成型標(biāo)準(zhǔn)尚無明確的規(guī)定，本測定引用北京市地方標(biāo)準(zhǔn)DBll/t541-2008《生物質(zhì)成型燃料》中長度大于三倍直徑為合格的標(biāo)準(zhǔn)，計算出產(chǎn)品的成型率。秸稈塊的密度測定方法參照上法中量筒測定生物質(zhì)燃料密度的方法測定。秸稈塊的含水率測定方法，是在物料出模達(dá)到規(guī)定長度時折斷并迅速封入小樣塑料袋，測定其質(zhì)量，粉碎到一定粒度后用秸稈含水率測定方法測定，計算出出模時秸稈塊的含水率。粒度測定方法為將秸稈塊浸泡在水中自然溶化，用細(xì)紗布濾去水分，按秸稈含水率測定方法烘干，用60目、30目和16目分級篩篩分，測定出各級所占比例。由于該機(jī)設(shè)有溫顯裝置，機(jī)具溫度對制塊作業(yè)質(zhì)量的影響主要靠觀察分析。
3、試驗結(jié)果及分析
3.1 含水率對成型率的影響
麥秸含水率與制塊成型率的關(guān)系如表1。試驗表明：“當(dāng)原料水分過高時，加熱過程中產(chǎn)生的蒸氣不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴(yán)重時產(chǎn)生爆鳴。但含水率太低，成型也很困難，這是因為微量水分對木素的軟化、塑化有促進(jìn)作用。”根據(jù)粒子微觀結(jié)合模型分析認(rèn)為：在垂直于最大主應(yīng)力的方向上，粒子向四周延展，粒子間以相瓦嚙合的形式結(jié)合；在沿著最大主應(yīng)力的方向上，粒子變薄，成為薄片狀，粒子層之間以相互貼合的形式結(jié)合。當(dāng)植物材料中的含水量過低時，粒子得不到充分延展．與四周的粒子結(jié)合不夠緊密，所以不能成型；當(dāng)含水率過高時，粒子盡管在垂直于最大主應(yīng)力方向上充分延展，粒子問能夠嚙合，但由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型。從力學(xué)角度分析：物料在壓力作用下發(fā)生擠壓變形，在含水率過低時，相互之間和對模壁摩擦力較大，需要較大的擠壓力將秸稈塊從模孔中擠出，由于輥輪與模端間隙一定即壓力一定，所以當(dāng)摩擦力大于擠壓力時即發(fā)生堵模現(xiàn)象；當(dāng)物料含水率過高時，物料相互之間和對模壁摩擦力較小，所需擠壓力小，粒子層間貼合力小，出模后貼合面內(nèi)蒸氣對四周的壓力大于貼合力而爆散，物料不能成型。因此，秸稈料的含水率直接影響粒子的軟化延展、粒子間表面的粘結(jié)力、成型所需的擠壓力和塊對模壁的摩擦力，是影響秸稈成型率的主要因素，富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)成型燃料。
從試驗得出，機(jī)具制塊的適宜秸稈含水率為24%，成型率好，能正常工作；秸稈含水率高于25%，秸稈塊出模時部分或全部散開，不能正常作業(yè)；秸稈含水率低于23%，短期內(nèi)能正常出模，成型率高，但隨時間推移則出現(xiàn)模孔堵塞現(xiàn)象而不能丁作。從表l看出，該機(jī)制塊作業(yè)時麥秸含水率與成型率的關(guān)系為反比關(guān)系，即成型率隨物料含水率的增加而降低，達(dá)到正常制塊作業(yè)且不堵模的平衡點在24%。從試驗情況看，該機(jī)能進(jìn)行麥秸制塊作業(yè)，但適宜含水率范圍太窄，人工較難控制。
3.2含水率對密度的影響
麥秸含水率與制塊密度的關(guān)系見表2。從表2看出，該機(jī)制塊作業(yè)時麥秸含水率與制塊密度的關(guān)系亦為反比關(guān)系，即密度隨含水率的增加而降低。經(jīng)分析其原因是，物料含水率較高時，所需擠壓力小，粒子未得到充分延展，其內(nèi)部和相互間的空隙較大，加之部分蒸氣的存在，所以秸稈塊密度小；物料含水率較低時，所需擠壓力大，粒子得到了充分延展，其內(nèi)部和相互間的空隙較小，蒸氣少，所以秸稈塊密度大。試驗證明了對于麥秸稈類高纖維素含量的生物質(zhì)原料，成型難度較大，成型過程中對粒度、含水率等因素的適應(yīng)范圍較窄，需要的成型壓力也較大，成型率較低。通過試驗，該機(jī)麥秸稈制塊的塊密度適宜值約為l.2g/cm3，成型率高，超過1.3 g/cm3就有可能堵模，低于1.1 g/cm3則麥秸不易成塊。
3.3制塊過程中水分的揮發(fā)
了解物料在制塊過程中的水分揮發(fā)情況，對確定制塊物料的最佳含水率具有重要意義。不同含水率麥秸稈制塊過程中的水分揮發(fā)率見表3。從表3中看出，原料的含水率與制塊時的水分揮發(fā)率成反比，即水分揮發(fā)率隨原料含水率的提高而降低。這是因為在制塊過程中輥輪對物料的碾壓和物料對模孔的摩擦發(fā)熱，在模盤和料斗內(nèi)產(chǎn)生較高的溫度，物料的水分在制塊過程中被蒸發(fā)而致。制塊時原料水分揮發(fā)率與制塊密度和制塊時間有直接關(guān)系，當(dāng)原料含水率較高時，制塊密度小，所需擠壓力小，出模速度快，水分揮發(fā)少；原料含水率較低時，制塊密度大，所需壓力大，出模速度慢，水分揮發(fā)多。麥秸稈塊出模時含水率15.7%、水分揮發(fā)率350/0左右為適宜，此時秸稈塊密度達(dá)1.2，成型率可達(dá)98%以上。
3.4秸稈塊中各級粒度比例
原料的粒度是影響制塊作業(yè)的另一大因素。多數(shù)農(nóng)作物秸稈在較低的壓力壓縮下，秸稈破裂，由于秸稈斷裂程度不同，形成規(guī)則和大小不一的大顆粒，在成型塊內(nèi)部產(chǎn)生了架橋現(xiàn)象，所以成型塊的松馳密度和耐久性都較低。粉碎的秸稈或鋸末，在壓力作用下，細(xì)小的顆粒互相之間容易發(fā)生緊密充填，其成型塊的密度和強(qiáng)度顯著提高。構(gòu)成成型塊的粒子越小，粒子間的充填程度就越高，接觸越緊密；當(dāng)粒子的粒度小到一定程度（幾百至幾微米）后，成型塊內(nèi)部的結(jié)合力方式和主次甚至也會發(fā)生變化，粒子間的分子引力、靜電應(yīng)力和液相附著力（毛細(xì)管力）開始上升為主導(dǎo)地位。據(jù)河南省科學(xué)院能源研究所試驗，在麥秸稈含水率同為25%的情況下，用環(huán)模顆粒機(jī)成型，粒度2 mm的成型率為90.2%，而粒度8 mm的成型率僅為36.8%。
本次試驗表明，平模機(jī)對物料的碾碎功能較強(qiáng)，物料粒度較小，小于60目、30~60目、16。30目和大于16目的比例分別為26,66%、40.75%、21.02%和11.57%。物料粒度與含水率關(guān)系不大。本試驗一方面說明“粒度小的原料容易成型，粒度大的較難壓縮”；從另一方面說明，麥秸的制塊較困難的問題，是麥秸難以粉碎，粒子彈性系數(shù)較高而不易被木質(zhì)素粘結(jié)的原因所致。
3.5溫度對麥秸制塊的影響
根據(jù)試驗觀察，制塊時機(jī)具溫度對作業(yè)質(zhì)量有很大關(guān)系。在常溫時，秸稈粒子中的木質(zhì)素未被軟化，粒子相互間的貼合力很小，不易壓制成塊。當(dāng)溫度達(dá)到75℃后，秸稈粒子中的木質(zhì)素被軟化，粘性加大，在受到一定的擠壓力后，粒子相互間的粘結(jié)力較大，容易壓制成塊。而當(dāng)高于100℃后，物料的水分揮發(fā)較快，可達(dá)到30%~40%，當(dāng)進(jìn)料含水率較低時會造成堵模；同時，由于模內(nèi)溫度較高，秸稈塊內(nèi)水分產(chǎn)生蒸氣高壓，含水率較高的物料在出模瞬間產(chǎn)生氣爆而破壞秸稈塊，使成形率下降。
4、結(jié)論
4.1秸稈料的含水率直接影響粒子的軟化延展、粒子間表面的粘結(jié)力、成型所需的擠壓力和秸稈塊對模壁的摩擦力，是影響秸稈成型率的主要因素。該機(jī)能進(jìn)行麥秸制塊作業(yè)，成型率隨物料含水率的增加而降低，適宜含水率為24%，范圍太窄，人工較難控制。
4.2該機(jī)麥秸制塊的密度隨含水率的增加而降低，原因是物料含水率較高時，所需擠壓力小，粒子未得到充分延展，其內(nèi)部和相互間的空隙較大，加之部分蒸氣的存在，所以秸稈塊密度小；物料含水率較低時，所需擠壓力大，粒子得到了充分延展，其內(nèi)部和相互間的空隙較小，蒸氣少，所以秸稈塊密度大。該機(jī)麥秸稈制塊的塊密度適宜值約為l.2g，cm3，成型率高，超過1.3g/cm3就有可能堵模，低于1.1g/cm3則麥秸不易成塊。
4.3水分揮發(fā)率隨原料含水率的提高而降低，與制塊密度和制塊時間有直接關(guān)系，該機(jī)麥秸稈塊出模時含水率15.7%、水分揮發(fā)率35qo左有為適宜。
4.4原料的粒度是影響制塊作業(yè)的另一大因素，試驗表明，平模機(jī)對物料的碾碎功能較強(qiáng)，物料粒度較小，能實現(xiàn)麥秸制塊作業(yè)，原料的粒度要小于10 mm，細(xì)碎后的粒子粒度小于16目的要占80%以上。
4.5 -定的溫度是保證麥秸中木質(zhì)素軟化黏度變高的必要條件，但由于機(jī)具摩擦發(fā)熱速度很快，當(dāng)溫度超過100℃后，秸稈中的水分產(chǎn)生蒸氣，影響粒子的貼合而出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。因此，應(yīng)將模具的溫度控制在100℃以內(nèi)，減少制塊時的水分蒸發(fā)，可適當(dāng)提高麥秸稈制塊的物料適宜含水率范圍。
4.6壓塊機(jī)能進(jìn)行麥秸制塊作業(yè)，但對秸稈料要求高，制造廠應(yīng)重視配套設(shè)備的研究，針對麥秸稈的特殊情況，增設(shè)符合平模制塊機(jī)粒度要求的粉碎機(jī)、秸稈含水率測定儀和噴水?dāng)嚢杵鞯龋纬烧咨a(chǎn)線，制訂作業(yè)技術(shù)規(guī)范，方便用戶使用和推廣。在制塊機(jī)改進(jìn)方面，要研究增設(shè)壓力可調(diào)裝置，對適宜含水率下限可有所突破；增設(shè)溫度調(diào)控裝置，可對適宜含水率上限有所突破。
