0、前言
生物質(zhì)成型
顆粒燃料已經(jīng)受到社會(huì)各界的高度重視，在拓展其應(yīng)用范圍過(guò)程中，不斷降低燃料的生產(chǎn)成本是研究人員的主要任務(wù)。在成型燃料成本構(gòu)成中，當(dāng)成型原理確定之后，降低其加工成本的潛力有限，因此，降低原料成本就成為降低成型燃料成本的關(guān)鍵。生物質(zhì)原料的分散性特點(diǎn)決定了運(yùn)輸成本高于原料自身價(jià)格，開(kāi)發(fā)高度集成的可移動(dòng)成型設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)在原料產(chǎn)地生產(chǎn)成型燃料，節(jié)省原料運(yùn)輸成本，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。我們?cè)诠潭ㄊ匠尚驮O(shè)備基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)單元的優(yōu)化集成，研制出可移動(dòng)的生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備。本文探討了設(shè)備集成原理，研究了不同原料的成型條件，測(cè)試了設(shè)備的技術(shù)性能，分析了成型燃料的成本。
1、工藝流程的確定
根據(jù)設(shè)備可以隨時(shí)移動(dòng)的要求，整套系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu)緊湊，且整體設(shè)備體積不能過(guò)大，并要求操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證確定工藝流程如圖1。
原料經(jīng)
粉碎機(jī)粉碎（或直接投入粉料）后，經(jīng)可調(diào)速的螺旋輸送機(jī)輸送到
顆粒機(jī)的攪拌輸送系統(tǒng)，然后進(jìn)入顆粒機(jī)主機(jī)，在顆粒機(jī)主機(jī)環(huán)模和壓輥的擠壓下形成顆粒，經(jīng)切刀切斷后通過(guò)顆粒輸送機(jī)、旋風(fēng)分離器把制成的顆粒輸送到冷卻系統(tǒng)，顆粒在冷卻系統(tǒng)中經(jīng)過(guò)冷卻后通過(guò)成品篩后由人工裝袋包裝。
2、主要設(shè)備的選擇及系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1成型設(shè)備的選擇
目前，顆粒機(jī)的結(jié)構(gòu)主要有2種，一種為平模結(jié)構(gòu)．另一種為環(huán)模結(jié)構(gòu)。無(wú)論是平模顆粒機(jī)還是環(huán)模顆粒機(jī)，都是由壓輥將粉碎好的原料擠過(guò)壓模孔來(lái)完成制粒的。環(huán)模顆粒機(jī)（圖2）在動(dòng)力帶動(dòng)下，壓模旋轉(zhuǎn)，由壓料入孔的正壓力所產(chǎn)生的摩擦力帶動(dòng)壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)。因?yàn)榄h(huán)模與壓輥均是圓柱形的，所以環(huán)模內(nèi)壁上各點(diǎn)線(xiàn)速度都一樣，為vl=WiR，輥柱面上各點(diǎn)的線(xiàn)速度也一樣，在足夠摩擦力作用下，其線(xiàn)速度V2=Vl，即Wi=WiR，保證了模輥間的純滾動(dòng)，二者之間的相互作用力比較均勻。平模顆粒機(jī)（圖3）在輥?zhàn)愚D(zhuǎn)速一定的情況下，其孔帶區(qū)各點(diǎn)線(xiàn)速度y=WiR隨著R的增大而增大，但圓柱壓輥柱面上的線(xiàn)速度必須是一致的，這樣在模輥之間除了產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦之外，還產(chǎn)生了滑動(dòng)摩擦，這必將損失更多的功率，產(chǎn)生更多的熱量。由于模輥的磨損加劇，其壽命也相應(yīng)地縮短。
另外，通過(guò)理論計(jì)算，在同樣壓輥半徑的情況下，環(huán)模的壓實(shí)層比平模的壓實(shí)層厚，壓實(shí)區(qū)域大，這使環(huán)模的擠壓力對(duì)各種不同的原料具有更大的適應(yīng)力，壓制出的顆粒質(zhì)量也會(huì)更好。因此，為了使移動(dòng)式顆粒燃料設(shè)備系統(tǒng)能夠高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)又能滿(mǎn)足生產(chǎn)不同生物質(zhì)顆粒燃料的需要，本系統(tǒng)采用環(huán)模顆粒機(jī)作為制粒主機(jī)。
通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，確定顆粒機(jī)主要由主電機(jī)、齒輪箱減速裝置、主軸、驅(qū)動(dòng)軸、環(huán)模、壓輥、強(qiáng)制喂料器、切刀組件及機(jī)身和門(mén)等組成。經(jīng)上料絞龍輸送來(lái)的物料，由喂料器和前板上2個(gè)偏轉(zhuǎn)刮刀均勻地送入2個(gè)壓輥與環(huán)模組成的壓制區(qū)，通過(guò)環(huán)模和壓輥2個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)件對(duì)物料逐漸擠壓而擠入環(huán)模孔，在模孔中成型，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。
2.2系統(tǒng)內(nèi)其它主要單元的設(shè)計(jì)
根據(jù)我們研究固定式設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際生產(chǎn)的需要，本套系統(tǒng)還配置了粉碎機(jī)、輸送機(jī)、廂式冷卻器、布袋除塵器和通風(fēng)機(jī)等幾個(gè)主要設(shè)備。從結(jié)構(gòu)上看，與固定式設(shè)備有明顯區(qū)別的是顆粒輸送機(jī)和除塵設(shè)備系統(tǒng)，在原有的固定式設(shè)備上采用的結(jié)構(gòu)由于占用空間較大，不適合在小型設(shè)備上使用，下面詳細(xì)論述這2種設(shè)備的選擇。
2.2.1顆粒輸送設(shè)備的選擇
一般大中型固定式輸送設(shè)備往往采用斗提式輸送機(jī)，占地面積小，輸送量大，但需要一定的空間，不適于在可移動(dòng)設(shè)備上應(yīng)用。螺旋輸送機(jī)也是常用的輸料設(shè)備，但這種輸送方式不僅需要一定傾角，占用很大的空間，而且其內(nèi)部的螺旋片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)破壞顆粒，影響顆粒外觀質(zhì)量，所以也不能采用。皮帶輸送機(jī)需要傾角較小，但占地面積較大，也不適合采用。由于顆粒燃料密度相對(duì)較小，因此可以采用風(fēng)送的方式來(lái)解決這一問(wèn)題，即選用合適的風(fēng)機(jī)和管徑，利用風(fēng)的力量把主機(jī)生產(chǎn)出來(lái)的顆粒輸送到冷卻器中。這種氣力輸送系統(tǒng)占地面積小，可以比較任意地安排輸送線(xiàn)路，并且設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，非常適合在這種可移動(dòng)的設(shè)備上使用。具體參數(shù)計(jì)算如下。
(1)氣體速度的確定
從氣力輸送的角度考慮，氣體速度只要超過(guò)最大顆粒的沉降速度即可，為確保操作的順利進(jìn)行，在氣力輸送中，氣體速度往往取最大顆粒沉降速度的幾倍至幾十倍。
根據(jù)上述計(jì)算，我們確定濾袋過(guò)濾面積為10.4m2，濾袋袋數(shù)9個(gè)，單個(gè)濾袋直徑230mm，單個(gè)濾袋長(zhǎng)度1 600 mm，濾袋間距為260 mm。
2.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)可以隨時(shí)移動(dòng)的要求．我們把上述設(shè)備按照工藝流程合理地固定在一個(gè)共同的底座上，采用槽鋼和鋼板焊接而成，有可靠的牢固性，并且根據(jù)重心要求設(shè)有4個(gè)吊點(diǎn)，使整個(gè)系統(tǒng)能夠方便地吊裝和運(yùn)輸。共同底座的大小根據(jù)目前載重貨車(chē)的車(chē)廂尺寸要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終確定底座尺寸為4 200mmx2 150 mm。
由于本系統(tǒng)采用風(fēng)送的方式進(jìn)行物料的輸送，管路很多，而且設(shè)備總體排布后有一定高度，最高處將達(dá)到4.3 m．如果采用汽運(yùn)將超過(guò)交通部門(mén)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)高度，因此，我們采取管路現(xiàn)場(chǎng)安裝的方式進(jìn)行解決，各管路連接處采用標(biāo)準(zhǔn)法蘭連接，簡(jiǎn)單方便。運(yùn)輸?shù)臅r(shí)候把高出的管路拆下來(lái)，單獨(dú)存放，待設(shè)備固定下來(lái)后，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單安裝就可以進(jìn)行生產(chǎn)。
在由粉碎機(jī)到上料輸送機(jī)的管路系統(tǒng)中，由于粉碎機(jī)的風(fēng)量很難控制，如果直接連接到料斗上，容易使部分風(fēng)量直接進(jìn)入成型機(jī)主機(jī)中，對(duì)顆粒的成型產(chǎn)生影響，顆粒出料口處也會(huì)因?yàn)轱L(fēng)量過(guò)大，吹出很多灰塵．影響環(huán)境衛(wèi)生。為此我們?cè)谳斔蜋C(jī)料斗的人口處增加1臺(tái)關(guān)風(fēng)機(jī)來(lái)解決這一問(wèn)題。關(guān)風(fēng)機(jī)的作用是物料能順利通過(guò)而風(fēng)量會(huì)被里面的葉片阻擋，不會(huì)進(jìn)入主機(jī)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，效果很好。
原料在擠壓過(guò)程中，會(huì)有很少一部分原料（約5%左右）沒(méi)有成型就被吸到冷卻器中，和制成的顆粒混在一起，為了能把這些粉料、碎料分開(kāi)，我們?cè)诶鋮s器的下面安裝了震動(dòng)篩裝置，放料裝袋時(shí)啟動(dòng)震動(dòng)器，在震動(dòng)器和篩子的作用下，能有效地把成品顆粒與粉末、碎料分離，提高了顆粒的整體外觀質(zhì)量。
最終的設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，由圖5可以看出，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便操作，集成化程度高。
3、成型條件的研究
3.1設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)
我們以玉米秸稈、蘆葦、鋸末、豆稈4種物料為原料，對(duì)系統(tǒng)能耗及成型顆粒產(chǎn)品的密度進(jìn)行測(cè)試。
測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。
3.2不同含水率物料的成型條件
圖6，7是以秸稈和蘆葦為原料的成型燃料密度與含水率的關(guān)系。由圖6，7可見(jiàn)，玉米秸稈含水率低于12%時(shí)，成型燃料密度隨含水率增加而迅速增加，含水率為12%～18%時(shí)，燃料密度變化不大，含水率超過(guò)18%時(shí)，燃料密度迅速下降。以蘆葦為原料的測(cè)試結(jié)果有所不同，原料含水率為15%時(shí)燃料密度達(dá)到最大，但含水率為12%~20%時(shí)，可以獲得密度很高的成型燃料。
上述結(jié)果表明，燃料含水率對(duì)環(huán)模成型起著關(guān)鍵的作用。生物質(zhì)壓縮成型分為2個(gè)階段：第一階段，在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質(zhì)顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)開(kāi)始改變，生物質(zhì)內(nèi)部空隙率減少；第二階段，當(dāng)壓力逐漸增大時(shí)，生物質(zhì)大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細(xì)小的粒子，并發(fā)生變形或塑性流動(dòng)，粒子開(kāi)始充填空隙，粒子間更加緊密地接觸而互相嚙合，一部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，使粒子間結(jié)合更牢固。在這2個(gè)階段中，生物質(zhì)機(jī)體內(nèi)存在的適量的結(jié)合水和自由水作為潤(rùn)滑劑，會(huì)使粒子間的內(nèi)摩擦變小，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而促進(jìn)粒子在壓力作用下滑動(dòng)而嵌合。當(dāng)生物質(zhì)原料的含水量過(guò)低時(shí)，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(guò)高時(shí)，盡管粒子在垂直于最大主應(yīng)力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合：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。
4、與固定式顆粒燃料設(shè)備的比較
目前，大中型固定式顆粒燃料生產(chǎn)設(shè)備（技術(shù)）已經(jīng)比較成熟，事實(shí)證明，在原料充足且比較集中的地區(qū)進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)能夠獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。但是在原料比較分散的地區(qū)，采用這種工廠化的設(shè)備生產(chǎn)顆粒燃料就會(huì)有很多不足之處，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。相比之下，可移動(dòng)式設(shè)備就有很大的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面。
①原料運(yùn)輸費(fèi)用上的優(yōu)勢(shì)。使用固定式工廠化的設(shè)備生產(chǎn)時(shí)，由于這類(lèi)設(shè)備一般產(chǎn)量較大，每天需要8～10 t的原料才能滿(mǎn)足設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。農(nóng)村地區(qū)一般以村為單位，相臨的村落相距通常2～5 km．為滿(mǎn)足原料供應(yīng)，經(jīng)過(guò)初步測(cè)算，需要收集半徑為50 km區(qū)域內(nèi)的秸稈原料，其運(yùn)輸量之大可想而知，相應(yīng)的運(yùn)費(fèi)也會(huì)增加很多。如果使用這種可移動(dòng)的設(shè)備，就可以根據(jù)原料情況隨時(shí)移動(dòng)，雖然需要一定的吊裝和運(yùn)輸費(fèi)用，但和運(yùn)輸大量的原料比起來(lái)，成本會(huì)減少很多。
②投資上的優(yōu)勢(shì)。大型的設(shè)備往往需要很大的投資，不僅體現(xiàn)在設(shè)備本身的價(jià)格很高，而且其配套設(shè)施的費(fèi)用也很多，比如，需要占用較大的廠房和配備專(zhuān)門(mén)的變壓器等。采用這種小型可移動(dòng)的設(shè)備就不需要這些設(shè)施，只需要一個(gè)臨時(shí)的場(chǎng)地就可以生產(chǎn)了，往往不需要專(zhuān)用的供電設(shè)備。另外，設(shè)備本身的價(jià)格也不是很高，投資人很容易接受，投入的成本半年左右就能全部收回。因此，會(huì)節(jié)省很多費(fèi)用，管理起來(lái)也很方便。
5、結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)成型設(shè)備及相關(guān)附屬設(shè)備的優(yōu)化集成研究．設(shè)計(jì)加工出可移動(dòng)的生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
①對(duì)成型設(shè)備及相關(guān)附屬設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化集成設(shè)計(jì)，減小了設(shè)備體積，滿(mǎn)足了可移動(dòng)的要求。
②顆粒的輸送方式首次選擇了風(fēng)力輸送的方式，新穎獨(dú)特，簡(jiǎn)單實(shí)用。
③連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)踐表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，協(xié)調(diào)性好，各設(shè)備之間的匹配能力相當(dāng)。
④對(duì)各種生物質(zhì)原料的成型試驗(yàn)表明，只要原料粒度、含水率等條件滿(mǎn)足要求，這些原料都能很好地成型，而且顆粒密度大(≥1.1g/cm3)，系統(tǒng)能耗小(≤100 kWh/t)。
通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行試驗(yàn)和用戶(hù)試用，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)了該設(shè)備的綜合性能，結(jié)果表明該設(shè)備系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、易于維護(hù)、自動(dòng)化程度高、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，可移動(dòng)設(shè)備大幅度降低了生物質(zhì)成型燃料的成本，特別適合于在生物質(zhì)原料相對(duì)分散的農(nóng)村地區(qū)使用。
