0、引言
我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源十分豐富。目前我國農(nóng)作物秸稈年總產(chǎn)量約7億噸，是豐富的生物質(zhì)能資源，但由于技術(shù)和意識的缺乏，大量農(nóng)作物秸稈未能充分 利用，有的露天燃燒，有的直接排入自然環(huán)境，不僅造成了巨大的資源浪費，而且導(dǎo)致了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)平衡的破壞。利用各種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)將其轉(zhuǎn) 化成高效、潔凈、高品位的能源及其他有益的資源，不僅可以提高我國的能源儲備，有利于我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，還可以減少環(huán)境污染，因此具有重要戰(zhàn)略意義。
生物質(zhì)作為能源利用已有相當長的歷史，而顆粒燃料始于20世紀70年代的美國和加拿大，90年代初發(fā)展于歐洲。尤其是瑞典、丹麥和奧地利對生物質(zhì)能的開發(fā) 利用最普遍。1996年瑞典議會通過議案逐步淘汰核電，而以生物質(zhì)顆粒燃料發(fā)電替代，其2001年生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)值達7000萬歐元。現(xiàn)在很多國家致力于生物質(zhì)能的開發(fā)利用，歐洲各國都在商討如何加大力度利用生物質(zhì)顆粒燃料，顆粒燃料是一種最具潛力的替代固體燃料用于供暖 和發(fā)電的新興能源，秸稈秸稈壓塊機，立式環(huán)模秸稈顆粒機壓制的玉米秸稈顆粒燃料和小麥秸稈顆粒燃料如下所示：1、原料此次試驗采用玉米秸稈為原料，因為玉米秸稈在我國產(chǎn)量大、分布廣，具有普遍性。玉米秸稈的生物質(zhì)成分見表1。玉米秸稈發(fā)熱量是15.55kj/g。
2、原理
2.1顆粒燃料成型機理
構(gòu)成生物質(zhì)的主要物質(zhì)形態(tài)為不同粒徑的粒子，粒子在壓縮過程中表現(xiàn)出的充填特性、流動特性和壓縮特性對生物質(zhì)的壓縮成型有很大的影響。通常生物質(zhì)壓縮成型 分為兩個階段。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)開始改變，生物質(zhì)內(nèi)部空隙率減少。第二階段，當壓 力逐漸增大時，生物質(zhì)大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細小的粒子，并發(fā)生變形或塑性流動，粒子開始充填空隙，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。壓力、含水率及粒徑是影響粒子在壓縮過程中發(fā)生變化的主要因素。
2.2秸稈壓塊機，立式環(huán)模秸稈顆粒機工作機理
秸稈壓塊機，立式環(huán)模秸稈顆粒機是用來生產(chǎn)顆粒燃料的主要設(shè)備，靠壓輥和環(huán)模對原料進行擠壓來生產(chǎn)顆粒燃料。電動機帶動環(huán)模旋轉(zhuǎn)，由進入環(huán)模上的物料帶動壓輥轉(zhuǎn)動，當物料被強制喂 料器送人工作區(qū)內(nèi)時，隨著模和輥的轉(zhuǎn)動，壓輥前的物料被擠入壓縮區(qū)。物料在壓縮區(qū)被擠壓，物料之間的空隙急速縮小，物料內(nèi)部壓力及密度增大，物料的彈性變 形轉(zhuǎn)為塑性變形，達到一定密度的物料被壓入模孔，經(jīng)過一定時間保壓，擠出模孔外，形成顆粒。
3、工藝流程與設(shè)備
3.1試驗設(shè)備
遼寧省能源研究所研制的生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備系統(tǒng)，由上料部分、制粒部分、冷卻部分、成品包裝和除塵部分組成。結(jié)構(gòu)合理，運行穩(wěn)定。
4、結(jié)果與分析
4.1玉米秸稈在不同壓縮比環(huán)模中成型分析
玉米秸稈的成型隨著環(huán)模壓縮比的加大，顆粒密度增大，能耗增加，產(chǎn)量提高，當達到一定壓縮比時，成型顆粒的密度增加較小，能耗相應(yīng)增加，而產(chǎn)量卻有所下降。
表2 玉米秸稈在不同環(huán)模壓縮比中成型的測試及計算結(jié)果
這些結(jié)果均符合壓縮過程中壓力與密度的指數(shù)關(guān)系形式，即：P =Aeu式中：A、6均為經(jīng)驗常數(shù)；P為壓力，MPa;r為密度，kg·m-3。
同一種原料在不同壓縮比環(huán)模中成型，顆粒燃料的密度隨壓縮比增大而逐漸增大，并在一定壓縮比范圍內(nèi)密度保持相對穩(wěn)定，當壓縮比增大到一定程度時，原料會因為壓力過大造成出料不暢而不能成型。
根據(jù)這一理論依據(jù)，對于同一種物料，為獲得較大的顆粒密度，應(yīng)設(shè)計采用較大的環(huán)模壓縮比。
因而用玉米秸稈作原料進行顆粒燃料的生產(chǎn)，采用壓縮比為4.5的環(huán)模即可滿足顆粒燃料的質(zhì)量要求，同時保證設(shè)備系統(tǒng)能耗相對較低。
4.2玉米秸稈在相同環(huán)模中不同粒度成型分析
由表3可看出，隨著玉米秸稈原料粒度的增大，成型顆粒密度逐漸減小，當原料粒度大于10mm時成型效果極差，甚至不成型，但原料粒度太小也會影響顆粒密度。
這是因為生物質(zhì)原料壓縮成型時粒子以相互嚙合的形式結(jié)合，粒子層之間以相互貼合的形式結(jié)合。構(gòu)成成型塊的粒子越細小，粒子間充填程度就越高，接觸越緊密； 當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、靜電引力和液相附著力（毛細管力）開始 上升為主導(dǎo)地位。
因而，玉米秸稈這一類生物質(zhì)作原料進行顆粒燃料的生產(chǎn)，粒度范圍保持在0～5mm較為適宜，最佳為1～5mm。
4.3不同水分玉米秸稈在相同環(huán)模中成型情況
選擇壓縮比4.5的環(huán)模研究原料含水率與顆粒密度的關(guān)系，可看出隨著原料含水率的增加，成型顆粒燃料的密度隨之增大，當達到一定的適宜含水率范圍內(nèi)時，顆 粒燃料的密度達到最大并保持相對穩(wěn)定，當原料的含水率增加到一定程度后，顆料燃料的密度開始下降，最終導(dǎo)致不成型。
在生物機體內(nèi)存在的適量結(jié)合水和自由水是一種潤滑劑，使粒子間的內(nèi)摩擦變小，流動性增強，從而促進粒子在壓力作用下滑動而嵌合。當生物質(zhì)原料的含水量過低 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。
因此，玉米秸稈這類生物質(zhì)作原料進行顆粒燃料的生產(chǎn)，原料的含水率范圍保持在12%～18%的范圍內(nèi)較為適宜，最佳含水率為15%。
4、結(jié)論
研究結(jié)果表明，利用玉米秸稈擠出生物質(zhì)顆粒燃料是可行的，在壓縮比為4.5的環(huán)模，玉米秸稈粒度范圍保持在1～5mm，含水率保持在12%～18%的范圍 內(nèi)時效果最好，這時顆粒密度、產(chǎn)量最大且能耗較小。同時，對玉米秸稈擠出生物質(zhì)顆粒燃料的成型機理也進行了研究，確定了合適的設(shè)備系統(tǒng)，并研究了生物質(zhì)顆粒燃料成型的變化規(guī)律，為下一步大規(guī)模利用玉米秸稈生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料奠定了基礎(chǔ)。
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