利用生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)，開發(fā)和利用秸稈能源，對改變我國未來能源消費(fèi)方式有很重要的現(xiàn)實意義。但由于秸稈產(chǎn)物具有分布廣，占用空間大等諸多弊端，所以在大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化推廣中存在難度。秸稈固化成型技術(shù)將松散的秸稈原料壓縮成高密度的塊狀燃料，便可解決這一難題，但相關(guān)成型設(shè)備生產(chǎn)性能不高。該文提出一項較合理的優(yōu)化調(diào)整方案，以達(dá)到提高秸稈成型率，降低噸料能耗的目標(biāo)，為秸稈成型技術(shù)的優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)，富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售
秸稈顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒出售。
1.1環(huán)模秸稈成型顆粒機(jī)工作原理成型顆粒機(jī)工作原理：運(yùn)料機(jī)構(gòu)將處理后的秸稈物料送人成型腔內(nèi)，環(huán)模帶動壓輥運(yùn)動將秸稈壓人間隙之中。在高速壓縮過程中的摩擦生熱軟化木質(zhì)素，使纖維分子互相緊密纏繞結(jié)合，秸稈體積顯著減小，在模孔中逐漸形成成型塊。在長度超過環(huán)模厚度時，被切刀切斷，得到秸稈成型燃料。
1.2固化成型過程分析首先，依據(jù)成型過程中物料在環(huán)模孔內(nèi)的狀態(tài)，將環(huán)模內(nèi)劃分3個區(qū)域，分別為供料區(qū)、壓縮區(qū)和保形區(qū)。
(1)供料區(qū)。此區(qū)域內(nèi)秸稈顆粒為松散狀態(tài)，密度較低。并未受到摩擦力影響。
(2)壓縮區(qū)。秸稈顆粒在此區(qū)間產(chǎn)生彈性形變，間隙逐漸縮小，帶來密度的增大，由于擠壓力不足所以尚未進(jìn)入模孔內(nèi)。
(3)保形區(qū)。秸稈克服模孔壁摩擦力而被壓進(jìn)環(huán)模孔內(nèi)。秸稈內(nèi)部發(fā)生了彈性和塑性形變，粘性增強(qiáng)，不斷進(jìn)入模孔的物料生成最終的成型塊。
在開始成型作業(yè)后，根據(jù)秸稈受力情況和所處位置，可將成型過程劃分3個階段：松散階段，壓緊階段和壓實階段。
(a)松散階段。在初始階段時，秸稈顆粒間有較大空隙。所以伴隨壓力的增加，物料壓縮量增長很快，兩者呈線性關(guān)系。
(b)壓緊階段。在此階段內(nèi)，物料形變量增幅減弱，開始轉(zhuǎn)為填補(bǔ)內(nèi)部粒子間隙的塑性形變階段，與壓力呈指數(shù)關(guān)系。
(c)壓實階段。此階段物料內(nèi)部間隙也已被克服和占據(jù)，成型塊已經(jīng)壓實，密度穩(wěn)定，達(dá)到一定長度后排出模孔。
2、成型顆粒機(jī)能耗影響因素和模具失效現(xiàn)象
2.1環(huán)模成型顆粒機(jī)能量消耗形式在衡量秸稈成型顆粒機(jī)的工藝和能耗時，比能耗是重要的性能參考指標(biāo)。比能耗的定義為：一定單位時間內(nèi)，生產(chǎn)單位質(zhì)量的成型物所消耗的能量，與產(chǎn)物質(zhì)量間的比值。其數(shù)學(xué)表達(dá)如下：
E=E
1/M
1
式中：E→比能耗，kWh/t；E
1→單位時間內(nèi)總能耗，kWh；M
1→生成成型塊總重，t。
通過分析環(huán)模內(nèi)不同分區(qū)工作過程可知，壓輥在模腔內(nèi)持續(xù)勻速旋轉(zhuǎn)，但因為秸稈物料的層疊．壓縮過程受到的是間歇性載荷，并通過壓輥直接作用于主軸懸臂。由此帶來的振動和磨損消耗能量并逐漸導(dǎo)致構(gòu)件疲勞，縮短成型顆粒機(jī)壽命。
由此可見，成型顆粒機(jī)成型過程中的能耗主要由2部分組成，即克服秸稈物料形變所需的能量，以及物料與成型各部件間的各種作用力所消耗的能量。其中物料與設(shè)備間的能量消耗包括原料秸稈進(jìn)入模孔和成型塊出模的阻力。該部分阻力同時受設(shè)備結(jié)構(gòu)運(yùn)行參數(shù)和物料性質(zhì)等2方面的影響。所以，需要從這2方面共同分析和研究，找到影響能耗的關(guān)鍵因素，并加以調(diào)控。
2.2模孔失效現(xiàn)象環(huán)模是秸稈成型顆粒機(jī)中磨損和消耗最嚴(yán)重的部件。正常使用時，磨損程度會不斷增大，當(dāng)產(chǎn)物的成型率不足75%左右時，便不能滿足成型燃料基本品性要求，主要表現(xiàn)為成型物密度下降必須更換環(huán)模。環(huán)模的受力和摩擦主要發(fā)生在模孔，主要表現(xiàn)為以下幾種現(xiàn)象：
(1)經(jīng)過長時間壓縮成型后，模孔內(nèi)壁由于受物料的摩擦而產(chǎn)生磨損，孔壁厚度下降，造成環(huán)模強(qiáng)度下降，且孔徑增大，于是環(huán)模疲勞失效。
(2)模孔內(nèi)壁受物料持續(xù)磨損后凹凸不平，致使成型塊出模受阻，生產(chǎn)率下降導(dǎo)致環(huán)模失效。
(3)環(huán)模孔邊緣倒角錐面受磨損，導(dǎo)致傾角減小，進(jìn)料量減少，模孔內(nèi)擠壓力降低導(dǎo)致成型物擠出量下降，模孔失效。
(4)模孔由于受循環(huán)應(yīng)力和摩擦力的影響，在出現(xiàn)如(1)中所述的孔徑增大失效現(xiàn)象前，應(yīng)力集中部位先產(chǎn)生疲勞損傷性裂紋，并不斷延伸擴(kuò)大，導(dǎo)致突然性斷裂，發(fā)生疲勞破壞失效。
以上幾種失效現(xiàn)象的產(chǎn)生原因，首先是模具磨損，約占75%；其次是疲勞破壞，約占25%。所以減小磨損帶來的環(huán)模失效現(xiàn)象，是提高生產(chǎn)率和設(shè)備性能的關(guān)鍵。對磨損的研究不僅涉及原料的本質(zhì)特性，且與設(shè)備具體工況有直接關(guān)系。所以，研究磨損規(guī)律，通過改良設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和原料性狀來控制和避免有害磨損，具有重要意義。
3、秸稈成型能耗優(yōu)化試驗
通過分析已知，在成型產(chǎn)物方面，密度是衡量其各方面品質(zhì)的重要指標(biāo)。在參考了壓塊類燃料的標(biāo)準(zhǔn)要求，和大量實際燃燒應(yīng)用后，發(fā)現(xiàn)當(dāng)成型塊密度在1.1～1.2g/cm3時，就能滿足成型塊本體的耐久性和致密性，保證較高的成型率和燃燒效率。所以試驗從含水率、壓縮比和環(huán)模轉(zhuǎn)速3個方面進(jìn)行考察，研究最優(yōu)的密度和能耗的多因子控制參數(shù)。
3.1試驗方法試驗所采用的生物質(zhì)原料為東北地區(qū)常見的玉米秸稈。選取適量的去根成熟秸稈，自然放置進(jìn)行干燥處理。選出粒度范圍為3 -7 mm的秸稈顆粒，烘干，調(diào)制成6種含水率在12%～22%間的秸稈原料。選取模孔壓縮比在3.5 -6.5之間的環(huán)模作為模具。
3.2含水率對成型塊密度及比能耗的影響含水率為秸稈原料重要物理參數(shù)。不同含水率的物料對產(chǎn)物密度和比能耗的影響顯著（表1）。
表1 玉米秸稈不同含水率對產(chǎn)物成型密度及比能耗的影響
|
含水率/% |
密度/g/m3 |
比能耗/kwh/t |
|
12 |
0.92 |
69.35 |
|
14 |
1.05 |
60.72 |
|
16 |
1.08 |
52.83 |
|
18 |
1.19 |
49.23 |
|
20 |
1.15 |
54.41 |
|
22 |
1.06 |
64.80 |
由表1可以看出，隨秸稈含水率的增大，成型燃料密度也不斷升高。當(dāng)?shù)竭_(dá)18%左右含水率時，密度達(dá)到最大，同時比能耗降為最低。含水率繼續(xù)加大時，密度開始下降，比能耗則升高。
水分在成型過程中起到潤滑和減小摩擦的作用。含水率較低時，物料間缺乏潤滑，秸稈內(nèi)部粒子粘結(jié)作用減弱，所需擠壓力增大，且成型物密度較低。同時，各環(huán)節(jié)機(jī)械摩擦增大，對環(huán)模尤其是模孔壁的損傷嚴(yán)重，加速模具失效，且能源消耗大；當(dāng)含水率較高時，受壓力作用被擠出的水分仍分布于粒子層之間，使得結(jié)合仍不緊密，密度下降，產(chǎn)物成型率不高，比能耗隨之增大。當(dāng)物料在18%含水率時，成型比能耗相比減少6.81%～29.02%，密度和能耗均最優(yōu)，故含水率18%為最優(yōu)控制參數(shù)。
3.3壓縮比對成型塊密度及比能耗的影響環(huán)模壓縮比是用來反映和調(diào)節(jié)成型顆粒機(jī)擠壓強(qiáng)度的參數(shù)。由表2可以看出，壓縮比較小時，產(chǎn)物密度不高，僅能滿足壓塊燃料基本要求，且比能耗偏高；隨著壓縮比的增大，密度升高，同時能耗降低，達(dá)到較好狀態(tài)；繼續(xù)增加壓縮比不會帶來密度的提升，而能耗則顯著增加。
表2 玉米秸稈不同壓縮比對產(chǎn)物成型密度及比能耗的影響
|
壓縮比 |
密度/g/m3 |
比能耗/kwh/t |
|
3.5 |
0.94 |
55.35 |
|
4.0 |
1.05 |
53.66 |
|
4.5 |
1.13 |
50.86 |
|
5.0 |
1.18 |
47.55 |
|
5.5 |
1.20 |
51.30 |
|
6.0 |
1.19 |
59.85 |
|
6.5 |
1.20 |
68.52 |
從密度角度分析，壓縮比較低時，產(chǎn)物保型時間較短，雖能耗不高，但產(chǎn)物結(jié)構(gòu)松散，成型率低，品質(zhì)一般；隨壓縮比的增大，保型時間增長，成型物致密且硬度提升，品質(zhì)和產(chǎn)量提高，降低了比能耗；但壓縮比過高時，產(chǎn)物密度不再增加，較大的磨損導(dǎo)致比能耗顯著升高和環(huán)模提前失效。所以適中的壓縮比有助于保持產(chǎn)物密度和降低能耗。當(dāng)壓縮比為5.0時，成型比能耗相比減少6.51%～30.60%，密度和比能耗均較優(yōu)。
3.4環(huán)模轉(zhuǎn)速對成型塊密度及比能耗的影響環(huán)模轉(zhuǎn)速直接影響成型顆粒機(jī)能耗和產(chǎn)物出機(jī)速度。
表3 不同環(huán)模轉(zhuǎn)速對成型密度及比能耗的影響
|
轉(zhuǎn)速/r/min |
密度/g/m3 |
比能耗/kwh/t |
|
120 |
0.95 |
62.23 |
|
140 |
1.10 |
54.56 |
|
160 |
1.17 |
51.62 |
|
180 |
1.20 |
56.87 |
|
200 |
1.18 |
66.46 |
由表3可以看出，環(huán)模轉(zhuǎn)速對成型過程的能耗有直接影響。當(dāng)環(huán)模轉(zhuǎn)速較低時，成型密度不高，能耗則較大，這是由于低速旋轉(zhuǎn)時，秸稈原料堆積現(xiàn)象較明顯，擠壓高度較高，所需的壓力增大所以能耗偏高；隨著轉(zhuǎn)速提升，原料均勻布滿環(huán)模，模孔瞬時壓入量小，壓力較小，所以能耗降低。然而當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時，電機(jī)能耗偏大，且離心力較強(qiáng)，對環(huán)模各結(jié)構(gòu)損耗較大；同時成型物出機(jī)速度較快，甩出過程易碎，降低了成型率。綜合幾組數(shù)據(jù)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為160r/min時，成型比能耗相比減少了5.39%～22.33%，成型燃料的密度和生產(chǎn)比能耗均較優(yōu)。
4、結(jié)束語
試驗以玉米秸稈為原料，主要研究了原料含水率、環(huán)模壓縮比和轉(zhuǎn)速3個因素對成型產(chǎn)物密度和成型能耗的影響。從延長環(huán)模失效時間，節(jié)能降耗和提高產(chǎn)物質(zhì)量的角度，對相關(guān)設(shè)備參數(shù)和原料性質(zhì)進(jìn)行了試驗分析，找到了成型顆粒機(jī)的最優(yōu)能耗多因子控制關(guān)鍵參數(shù)。得出在壓縮比為5.0，含水率為18%，環(huán)模轉(zhuǎn)速160r/min時，成型燃料在產(chǎn)物質(zhì)量和致密能耗上均可達(dá)到較優(yōu)水平。該研究為固化成型理論的優(yōu)化和改進(jìn)提供了合理的手段和方向，為規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
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