0、引言
麥秸是我國的主要農作物秸稈，也是一種可再生生物資源，每年生產量約1.1億t，占秸稈總量的15%左右。江蘇省每年產麥秸約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境。近年來，江蘇省引進了一批平模和環模型
秸稈壓塊機，為使秸稈制塊后方便運輸及存放，從而擴大秸稈在燃料、肥料、飼料和工業原料方面的應用，提高秸稈的價值和農民收集積極性。但從實踐來看，引進機型對麥秸制塊連續作業的效果不太理想，容易出現松散與堵模現象。因此，必須開展麥秸制塊的研究，分析影響制塊作業的主要因素，為機具的改進和技術的完善提供依據。2009年，鎮江市農業機械技術推廣站引進了河南省富民生物燃料成型設備有限公司生產的JMX-5型生物質成型機，開展了平模機麥秸制塊應用型試驗研究，進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，只有在調整好各影響因素的情況下才能連續制塊。
1、影響平模機，我們對引進的制塊機配套生產的9RC-50型揉搓機，進行了多次麥秸制塊試驗和觀察，包括與生產廠領導、技術人員共同進行試驗，作業均不穩定。主要表現為：當麥秸含水率較高時不易成型，當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。查閱有關研究表明：“生物質原料具有流動性差、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，并對成型過程和產品質量有很大的影響。”根據生物質致密成型技術原理，我們對引進樣機生產情況進行初步分析認為，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制塊的首要因素，當水分過高時，秸稈塊出模時容易松散；但含水率太低，成型也很困難，容易出現堵模或散料從模孔中漏出現象，因此，該機麥秸稈制塊的物料適宜含水率需進行試驗研究。其次，生物質制粒“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，究竟原料的粒度細到什么程度，怎樣分級，各級粒度所占比例應為多少等問題，國內少有研究。再者，模內溫度低于75℃時，秸稈不易壓制成塊，高于100℃后，物料的水分揮發較快，當進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情況，確定制塊物料的最佳含水率。
2平模機麥秸制塊的試驗
2.1試驗樣機的主要技術參數
試驗機具為生產的JMX-5型生物質成型機（平模機），說明書介紹：成品密度0.9—1.4g/cm3，生產率0.5~lt/h，電動機功率30 kW，制塊原料適宜含水率10%．30%。實測模盤高90 mm，模孔數30，模孔小徑33mm，大徑34 mm，輥輪為槽輪型，直徑170 mm，數量2個，輥輪與模口間隙1~1.5 mm可調，試驗時調整為1mm。模盤外配置一個電熱圈，功率2 kW，可對模盤進行預加熱，試驗時預加熱至75℃，機具正常工作時模盤溫度達125℃。
2.2試驗用麥秸稈處理
試驗在丹陽市云陽鎮青陽村進行，試驗用秸稈為當年收小麥秸稈，用世達爾打擁機撿拾打捆后堆放在倉庫里。秸稈分別用生產的9RC-50型秸稈揉搓機和山東生產的3FS-500秸稈粉碎機進行揉搓和粉碎處理。揉搓機加工后秸稈較長，一般為10 cm以上，最長達到25 cm左右。粉碎機加工后秸稈成顆粒狀，麥稈莖、節均打碎，長度10 mm左右，寬3 mm左右。對兩種處理制塊試驗后分析，揉搓機加工料制塊時工效低，且噴水后不能攪拌均勻，易出現堵塞情況；粉碎機加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《農業機械試驗條件中測定方法的一般規定》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)，并根據原秸稈含水率、試驗物料總質量、需要達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器不停。
2.3試驗測定方法
試驗主要測定該機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準尚無明確的規定，本測定引用北京市地方標準DBll/t541-2008《生物質成型燃料》中長度大于三倍直徑為合格的標準，計算出產品的成型率。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，是在物料出模達到規定長度時折斷并迅速封入小樣塑料袋，測定其質量，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。由于該機設有溫顯裝置，機具溫度對制塊作業質量的影響主要靠觀察分析。
3、試驗結果及分析
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系如表1。試驗表明：“當原料水分過高時，加熱過程中產生的蒸氣不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴重時產生爆鳴。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、塑化有促進作用。”根據粒子微觀結合模型分析認為：在垂直于最大主應力的方向上，粒子向四周延展，粒子間以相瓦嚙合的形式結合；在沿著最大主應力的方向上，粒子變薄，成為薄片狀，粒子層之間以相互貼合的形式結合。當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。從力學角度分析：物料在壓力作用下發生擠壓變形，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，所以當摩擦力大于擠壓力時即發生堵模現象；當物料含水率過高時，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，富通新能源生產銷售的秸稈顆粒機、秸稈壓塊機專業壓制生物質成型燃料。
從試驗得出，機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；秸稈含水率低于23%，短期內能正常出模，成型率高，但隨時間推移則出現模孔堵塞現象而不能丁作。從表l看出，該機制塊作業時麥秸含水率與成型率的關系為反比關系，即成型率隨物料含水率的增加而降低，達到正常制塊作業且不堵模的平衡點在24%。從試驗情況看，該機能進行麥秸制塊作業，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系見表2。從表2看出，該機制塊作業時麥秸含水率與制塊密度的關系亦為反比關系，即密度隨含水率的增加而降低。經分析其原因是，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
了解物料在制塊過程中的水分揮發情況，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率成反比，即水分揮發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熱，在模盤和料斗內產生較高的溫度，物料的水分在制塊過程中被蒸發而致。制塊時原料水分揮發率與制塊密度和制塊時間有直接關系，當原料含水率較高時，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，水分揮發多。麥秸稈塊出模時含水率15.7%、水分揮發率350/0左右為適宜，此時秸稈塊密度達1.2，成型率可達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的另一大因素。多數農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，形成規則和大小不一的大顆粒，在成型塊內部產生了架橋現象，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，細小的顆粒互相之間容易發生緊密充填，其成型塊的密度和強度顯著提高。構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；當粒子的粒度小到一定程度（幾百至幾微米）后，成型塊內部的結合力方式和主次甚至也會發生變化，粒子間的分子引力、靜電應力和液相附著力（毛細管力）開始上升為主導地位。據河南省科學院能源研究所試驗，在麥秸稈含水率同為25%的情況下，用環模顆粒機成型，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，平模機對物料的碾碎功能較強，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，粒子彈性系數較高而不易被木質素粘結的原因所致。
3.5溫度對麥秸制塊的影響
根據試驗觀察，制塊時機具溫度對作業質量有很大關系。在常溫時，秸稈粒子中的木質素未被軟化，粒子相互間的貼合力很小，不易壓制成塊。當溫度達到75℃后，秸稈粒子中的木質素被軟化，粘性加大，在受到一定的擠壓力后，粒子相互間的粘結力較大，容易壓制成塊。而當高于100℃后，物料的水分揮發較快，可達到30%~40%，當進料含水率較低時會造成堵模；同時，由于模內溫度較高，秸稈塊內水分產生蒸氣高壓，含水率較高的物料在出模瞬間產生氣爆而破壞秸稈塊，使成形率下降。
4、結論
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。該機能進行麥秸制塊作業，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，其內部和相互間的空隙較小，蒸氣少，所以秸稈塊密度大。該機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系，該機麥秸稈塊出模時含水率15.7%、水分揮發率35qo左有為適宜。
4.4原料的粒度是影響制塊作業的另一大因素，試驗表明，平模機對物料的碾碎功能較強，物料粒度較小，能實現麥秸制塊作業，原料的粒度要小于10 mm，細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素軟化黏度變高的必要條件，但由于機具摩擦發熱速度很快，當溫度超過100℃后，秸稈中的水分產生蒸氣，影響粒子的貼合而出現爆裂現象。因此，應將模具的溫度控制在100℃以內，減少制塊時的水分蒸發，可適當提高麥秸稈制塊的物料適宜含水率范圍。
4.6壓塊機能進行麥秸制塊作業，但對秸稈料要求高，制造廠應重視配套設備的研究，針對麥秸稈的特殊情況，增設符合平模制塊機粒度要求的粉碎機、秸稈含水率測定儀和噴水攪拌器等，形成整套生產線，制訂作業技術規范，方便用戶使用和推廣。在制塊機改進方面，要研究增設壓力可調裝置，對適宜含水率下限可有所突破；增設溫度調控裝置，可對適宜含水率上限有所突破。
