0、引言
食用菌生產主要利用農林廢棄物及牲畜糞便，通過生物轉化成為人類所需的優質蛋白質源一食用菌。近年來，伴隨食用菌工廠化生產規模的不斷擴大，工廠內栽培過后的培養料隨意丟棄，如何處理大量的菌渣廢料也顯得越來越重要，富通新能源生產銷售
顆粒機、
秸稈顆粒機、
木屑顆粒機等生物質顆粒燃料成型機械設備。
食用菌菌渣( Edible Fungi Residue，EFR)是食用菌栽培過程中收獲產品后剩下的培養基廢料，又被稱作菌糠、菌渣、下腳料、廢菌筒等，含有豐富的蛋白質及其他營養成分。目前，大多數企業將菌渣作為滅菌用的燃料自身消化，或出售給有機肥生產企業制作有機肥料：而有些企業，由于利用效率不高，將大量的菌渣臨時或長時間堆放在菇場周圍，導致滋生大量螨蟲、霉菌等，污染栽培環境，危害食用菌生產，造成嚴重減產甚至絕收。傳統的丟棄或燃料處理辦法，顯然已不合適宜，也不符合低碳循環經濟理念。因此，如何高效利用菌渣資源，提高菌渣資源利用的經濟效益，變廢為寶，已成為我國食用菌工廠化生產發展中面臨的一大問題。
固化成型機是指把能源密度低的作物秸稈、農林廢棄物壓縮制成能源密度高、質地堅硬的棒狀或顆粒狀燃料，以便于儲存和運輸，達到提高利用效率，降低直燃造成的環境污染。
依據中國食用菌協會統計數據，2011年全國食用菌總產量達到2 571.7萬t。按食用菌產量與菌渣比1：(1.0～1.1)計，則全國年產生菌渣量超過2 800萬t。如果基于生物質成型技術固化為顆粒狀的生物質能源，不但能實現菌渣資源化、商品化，變廢為寶，化害為利，還能夠提高菌渣循環綜合生產能力，增加菇農收入、減少污染，加快建設資源節約型、環境友好型社會。目前，雖然國內固化成型燃料技術已經取得了階段性成果，但主要應用于木質類、秸稈類等廢棄物等原料，而以食用菌栽培過后的培養料為原料的固化成型機尚未有報道。
針對菌渣粒度小、易結塊的難點，采用棍模碾壓成型原理，成型室內強制通風降溫機構，設計了菌渣顆粒固體成型機，分析了其關鍵部件的結構參數：通過試驗進行了驗證，為菌渣固化成型能源化的推廣應用提供理論依據與技術支持。
1、茵渣致密成型機的構造與工作原理
1.1整體機構
根據生物質固體成型顆粒燃料要求，以及研究提出棍模碾切擠壓原理，確定了菌渣顆粒成型機機構示意圖。其主要由送料口、喂料調質裝置、除鐵裝置、強制輸送裝置、棍模碾壓裝置、出料口、變速箱、電機、帶輪和機架等組成。
整機主要技術參數：
外形尺寸/mm：3 298x8lOx2 543
整機質量/kg：2.8
產量／t．h-1：0.8～1.5
主機功率/kW：90
環模內徑/mm：420
環模厚度／mm：62
環模寬度/mm：90
模孔長度/mm：50
模孔直徑/mm：8
壓輥個數：2
壓輥外徑/mm：210
環模轉速/r·rmn-1：160
環模開孔率1%：37.6
顆粒成型率1%：95
1.2工作原理
將晾曬后含水率在15%～20%的菌渣通過輸送提升機構送人到橫向的喂料調質裝置中，調質完成后的菌渣通過強制螺旋喂人裝置將菌渣強制送人到成型機構內。電機的動力通過變速箱驅動環模轉動。環模轉動把菌渣送人壓輥和環模之間，在壓輥不斷的轉動碾切下，使菌渣與菌渣，環模與菌渣，壓輥與菌渣之間相互產生摩擦：當擠壓力增大到足以克服模孔內物料與內壁的摩擦力時，具有一定密度和粘結力的物料就被擠壓進環模孔內。由于模輥的不斷旋轉，物料不斷被擠壓進環模孔，因此環模孔內的物料經成形后被連續擠壓出環模孔。通過調整切刀的長短來控制成型后的菌渣顆粒長度，最終得到一定長度的壓縮成型顆粒。
2、關鍵部件的設計
環模與壓輥為菌渣顆粒燃料固化成型機的核心部件，其材料、基本參數及力學特性直接影響著菌渣成型燃料的質量、產量，因此有必要分析研究其特性，設計合理的環模和壓輥結構參數。
2.1環模結構設計
2.1.1材料選擇
由于環模工作時的環境是在高溫、高壓下，且金針菇培養料因添加石灰、石膏等腐蝕性物質而導致環模與壓輥在工作中極易遭受腐蝕，要求環模的材料具有耐高壓、高溫和耐腐蝕性。因此，本設計環模采用材料為合金結構鋼42CrMo，并在通孔后對其進行真空淬火處理，以保證模孔的光滑度，有利于物料擠出成型，其彈性模量930MPa，泊松比為0.3。
2.1.2環模孔型結構
為減少菌渣人孔阻力，方便進入模孔，進料孑L口直徑應大于模孔直徑，形成錐形擴大孔口。本設計環模模孔采用釋放式階梯孔，進料錐形度a為900實現大孔預壓、小孔成形擠壓、減壓出料的過程，確保制粒的質量。同時，減壓出料口采用直孔，出料孔徑d：稍大于擠壓孔直接d，其結構圖如圖3所示。
2.1.3環模厚度、有效長度、模孔帶寬度、模孔直徑與長徑比
環模厚度是菌渣制粒質量和產量的一個重要參數。對釋放式階梯孔，模孔的有效長度是指環模的總厚度減去釋放孔的長度。
模孔的長徑比為模孔有效長度L與模孔直徑d之比，是一重要結構參數。通常針對不同的生物質原料類型，長徑比不同，一般取值范圍在5 -13之間。
因此，本設計環模厚度、有效長度等參數為：厚度T=62mm；有效長度L=50；模孔帶寬度B=90mm；環模內徑D =420mm;模孔直徑d=8mm;長徑比//d為6. 25。
2.1.4環模的排列與開孔率
模孔的排列方式通常按沿周向排列。為了使物料能相對均勻地進入模孔，可以進行錯位排列，本設計環模為等邊三角形布孔。則環模開孔率為
2.2環模的轉速
環模的線速會影響制粒效率、能耗及顆粒的堅實度，在一定范圍內，直接影響物料在輥模擠壓區的厚度大小和在模孔停留時間的長短，進而影響整機的產能與顆粒質量。在實際應用中，國內外廠商選用的環模線速均在3.5 -8.5m/s[12]，根據環模線速求得環模轉速為
將環模內徑D代人式(2)中得，環模轉速為159r／min，因此本機環模轉速取整為160r/min。
2.3壓輥結構設計
2.3.1材料選擇
制粒機工作時，平模與壓輥的線速度基本相同，但是壓輥的直徑較小，所以壓輥的磨損率比環模大。因此本設計選用高碳合金鋼制造的壓輥，經熱處理后壓輥的硬度高于環模5HRC -6HRC，同時壓輥表面加工成與軸線平行的齒形槽，以增加摩擦和抓住粉料，防止壓輥打滑。
2. 3.2壓輥形式、直徑確定
為了使壓輥在安裝形式上較易達到平衡，產生在環模上的作用力相互抵消，本壓輥設計數量為2只。通過查閱資料可知，二輥式顆粒壓制機的輥模徑比為0. 43 -0. 55。因菌渣粒度相比其它生物質而言，粒度要細得多。因此，選取壓輥外徑與環模內徑比為0.5，則壓輥直徑d=2lOmm。
2.4整機生產率的計算
菌渣燃料成型機中的生產率與物料攫取層厚度相關，而攫取層厚度又與壓輥、環模與物料的夾角B有關，根據被壓入的物料的高度^計算公式，即
3、性能試驗分析
3.1試驗條件
試驗選用栽培過后的金針菇培養料，因菌渣含水率較高（一般達到60%左右），為利于成型，需要對菌渣進行晾曬，使其含水率控制在15%～25%之間，此時成型率為最好。通過試驗前的晾曬，菌渣平均含水率在13. 55，菌渣的原始密度為0.20g/cm3。
對菌渣成型機進行試驗驗證時，顆粒燃料要求平鋪放置3 -5 h，待冷卻后取樣，按照測量的時間、電耗、產量等參數進行生產率、噸燃料能耗、成型率、機械耐久性、顆粒密度和顆粒含水率等指標的計算與測量。
3.2試驗指標及測定方法
采用模輥式生物質顆粒燃料成型機進行壓縮試驗，按照CEN /TS14778 -12005固體生物質顆粒燃料取樣方法取樣測量并記錄相關試驗數據。
3.2生產率
在正常生產過程中，每隔10min接取1次成品，接取時間不少于3min，共接取3次。分別稱量接取的樣品質量。考慮到原料含水率不同，計算中增加含水率系數。其計算公式為
3.3試驗結果與分析
經3次重復試驗取樣，菌渣固體成型機性能試驗結果如表1所示。試驗結果表明：樣機平均生產率為945. 5kg/h;噸燃料能耗為71.43kW·h/t;樣機平均成型率為96.4%：顆粒機械耐久性達到97.2%，樣機平均顆粒質量密度為1. 24g/cm3。上述指標均能夠滿足顆粒燃料的國家標準要求。同時，通過對樣機6個不同方位的噪聲測試，噪聲均小于90dB，符合國家標準要求。該菌渣成型機的性能滿足設計要求。在試驗過程中基本連續穩定運行。
4、結論
1)結合菌渣粒度小、易結塊等特點設計了菌渣顆粒固體成型機，整機采用棍模碾切擠壓與模孔成型相結合，能夠完成菌渣強制喂料、成型腔通風降溫等作業工序。工作時噪聲均小于90dB，符合國家標準要求。
2)菌渣固體成型機性能試驗表明：樣機生產率為945.5kg/h，顆粒燃料的成型率為96.4%，顆粒機械耐久性為97.2%，顆粒密度為1.24g/cm3，顆粒含水率為10. 91%，滿足生物質顆粒燃料成型生產要求。
3)通過試驗表明，該機能夠滿足設計生產要求，能實現規模化、連續穩定生產，為我國菌渣能源化利用提供了技術支撐和裝備保障。
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