0、引言
環(huán)境與能源問題早已成為世界關(guān)注的熱點，石油和煤炭等傳統(tǒng)能源的大量開發(fā)與使用，對生態(tài)環(huán)境造成了極大的影響與破壞。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求與日俱增，作為一個煤炭大國，過度的開采造成煤炭資源量越來越少，且不斷引發(fā)礦區(qū)沉降與污染等各種破壞生態(tài)環(huán)境的人為災(zāi)害。由于我國石油儲量不足，需要進(jìn)行大量進(jìn)口，在紛繁復(fù)雜的國際形式下，容易受制于人，引發(fā)我國的能源危機(jī)。尋找并開發(fā)可再生能源進(jìn)行能源補充是緩解矛盾的有效途徑之一。目前，我國每年秸稈的產(chǎn)量約為8億t，除一部分作為畜牧飼料、肥料還田、造紙原料及農(nóng)村取暖燃料外，大約有4億t秸稈可以作為生物質(zhì)顆粒的原材料使用，折合約3億t標(biāo)準(zhǔn)煤。林業(yè)廢料及樹木枝丫每年產(chǎn)量約為9億t，大約有3億t可以作為生物質(zhì)顆粒的原材料使用，折合約2億t標(biāo)準(zhǔn)煤。由于生物質(zhì)原材料分布廣闊而且分散，運輸和儲存成本較高，生物質(zhì)顆粒成型機(jī)的關(guān)鍵部件一環(huán)模在制粒過程中受到物料磨損與壓輥的交變壓力作用，導(dǎo)致其壽命短、成本高、經(jīng)濟(jì)效益差，使生物質(zhì)能不能很快地成為商品能源。但是，利用生物質(zhì)固體成型技術(shù)將這些廢棄物轉(zhuǎn)化成高效的燃料，依舊是利用生物質(zhì)能源的有效途徑之一，需要不斷去研究和探索，富通新能源專業(yè)生產(chǎn)銷售銷售
木屑顆粒機(jī)、
秸稈顆粒機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時我們也有大量的楊木木屑顆粒燃料出售，生物質(zhì)顆粒燃料如下所示：
1、生物質(zhì)顆粒成型機(jī)理
1.1生物質(zhì)組成成分
生物質(zhì)原材料主要成分有纖維素、半纖維素以及木質(zhì)素等，植物細(xì)胞壁的主要成分之一就是纖維素。纖維素是由葡萄糖構(gòu)成的線形高分子，在生物質(zhì)中的含量越高，植物的細(xì)胞組織就越發(fā)達(dá)，在生物質(zhì)顆粒壓制過程中就需要更大的成型壓力，即纖維素在生物質(zhì)中的含量高低決定了其在常溫條件下顆粒成型的難易程度。半纖維素是一種多糖聚合物，在植物細(xì)胞壁中起到使纖維素和木質(zhì)素相互貫穿的作用。木質(zhì)素可以增強(qiáng)植物自身的機(jī)械強(qiáng)度，它是一類復(fù)雜的芳香聚合物，是植物中纖維素的粘合劑，當(dāng)溫度升高到80～120℃時，它開始軟化，粘合力也隨之增強(qiáng)。生物質(zhì)顆粒成型不改變生物質(zhì)原材料的化學(xué)成分，依然保持生物質(zhì)本身能燃盡及易揮發(fā)的特點。
1.2顆粒成型過程
生物質(zhì)原料粒子在壓縮開始階段，松散堆積的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)開始改變。在成型壓力作用下，原料粒子進(jìn)入環(huán)境，并填滿粒子之間的空隙，粒子的相互位置在運動中不斷地發(fā)生著變換，將原料粒子之間的空氣擠出。較大的木質(zhì)纖維顆粒在巨大的成型壓力作用下開始破裂，同時發(fā)生塑性流動，原料粒子之間因互相嚙合變得十分緊密。在垂直于主應(yīng)力方向上，原料粒子不斷延展繼續(xù)填充空隙。壓輥的擠壓運動及原料粒子間的摩擦?xí)a(chǎn)生許多熱量，木質(zhì)素軟化且粘合力隨之增強(qiáng)，在與纖維素的共同作用下使生物質(zhì)逐漸成形。此時，在成型塊的內(nèi)部尚有殘余應(yīng)力存
在，在壓輥的擠壓作用下，成型塊進(jìn)入環(huán)模模孔的保型階段，在這一階段消除不利于保持形狀的殘余應(yīng)力，最終使生物質(zhì)顆粒定型。
1.3影響顆粒成型因素
1.3.1原料粒度的影響
在確定最佳成型環(huán)模壓縮比、最適宜成型水分范圍和模孔直徑為8mm的條件下，分別以4種粒度的玉米秸稈作為原料，測試這類農(nóng)作物最適宜成型粒度的范圍，結(jié)果如表1所示。
表1 原料在不同粒度范圍內(nèi)成型測試結(jié)果
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粒度范圍/mm |
密度 /t·m-3 |
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0～1 |
1.13 |
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1～5 |
1.25 |
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5～10 |
1.01 |
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＞10 |
0.79 |
由表1的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物質(zhì)原料粒度超過10mm時，擠壓出的顆粒密度較低，甚至于成型困難；而當(dāng)原料粒度過小時，也會降低顆粒的密度。因此，當(dāng)以玉米秸稈作為原料進(jìn)行生產(chǎn)時，應(yīng)保持90%以上的粉碎粒度小于環(huán)模孔徑。
1.3.2原料中水分的影響
一定量的結(jié)合水和自由水存在于生物質(zhì)原料機(jī)體內(nèi)部，在壓制顆粒成型過程中起著重要的作用。由于水分的影響，降低了摩擦力，起到潤滑的作用，促進(jìn)流動性的提高，在擠壓過程中使粒子能夠不斷地滑動與嚙合。當(dāng)原料中的含水量過低時，原料粒子之間的摩擦力較大，限制了粒子的滑動與延展，使粒子之間的結(jié)合不夠緊密，成型不牢固甚至難以成型；當(dāng)原料中的含水量過高時，雖然原料粒子的流動性好，能夠得到充分的延展，并相互嚙合，但多余的水分會從原料中擠壓出來，分布在粒子之間，原料粒子間難以緊密貼合，也會引起成型不牢固甚至難以成型。所以，在制粒時要掌握好水分含量。通過實驗發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈的含水率在13%～16%時成型密度最理想。
1.3.3制粒溫度的影響
在100℃以下，隨著溫度的不斷升高，植物體中的木質(zhì)素開始軟化，粒子的二向平均徑增加，能夠起到粘結(jié)的作用。當(dāng)溫度超過木質(zhì)素的軟化溫度時，生物質(zhì)原料粒子接近于流體的性質(zhì)，所測粒子二向平均徑反而變小，垂直于最大主應(yīng)力方向上的變形受到阻礙。因此，在生物質(zhì)顆粒成型過程中需要掌握好合適的溫度。
1.3.4纖維成分含量的影響
生物質(zhì)原料含有不同數(shù)量的纖維成分，對于不同的生物質(zhì)原料，加工出同等數(shù)量的顆粒所消耗的能量也存在較大差異，因此需要根據(jù)不同生物質(zhì)原料來選擇壓縮比。通過對玉米秸稈成型實驗發(fā)現(xiàn)（見表2），在壓縮比為4.5時，能夠保證顆粒質(zhì)量，且能耗較低。
表2 玉米秸稈在不同壓縮比環(huán)模中成型測試結(jié)果
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壓縮比 |
密度 /t·m-3 |
生產(chǎn)率/kg·h-1 |
能耗/Kw·h·t-1 |
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3.5 |
0.91 |
500 |
64.00 |
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4.0 |
1.05 |
780 |
46.21 |
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4.5 |
1.21 |
900 |
46.78 |
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5.0 |
1.23 |
800 |
54.23 |
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5.5 |
1.22 |
650 |
71.32 |
2、顆粒機(jī)環(huán)模性能研究
2.1環(huán)模工作原理
把生物質(zhì)原料粉碎到合適的粒度，調(diào)質(zhì)后經(jīng)輸送機(jī)構(gòu)進(jìn)入轉(zhuǎn)動著的環(huán)模腔內(nèi)，物料在離心力的作用下，在環(huán)模的內(nèi)壁上形成物料層，環(huán)模和壓輥相對旋轉(zhuǎn)，在巨大的壓力作用下，將物料從環(huán)模孔中擠出，由切刀切斷成所需要的長度。
2.2環(huán)模直徑與寬度
目前，環(huán)模的直徑與寬度還沒國家標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)市面相關(guān)的制粒設(shè)備參數(shù)，選擇環(huán)模直徑可參考系為250 ,300 ,350 ,400 ,420 ,500 ,550, 660 ,750mm等，對應(yīng)功率為15，22，37，75，90，132，180，220，280kW；根據(jù)15～22cm2/kW等有效壓制面積比值確定環(huán)模有效寬度，也就是環(huán)模與壓輥接觸部分。
2.3環(huán)模轉(zhuǎn)速的確定
環(huán)模轉(zhuǎn)速與機(jī)器壓輥數(shù)量及模孔的直徑等有關(guān)。對于采用兩個壓輥的環(huán)模，經(jīng)實驗驗證，以環(huán)模內(nèi)徑處線速度4～8m/s較為合適，速度高低會影響到擠壓區(qū)內(nèi)物料層的厚度和物料通過模孔的時間，從而影響顆粒機(jī)的產(chǎn)量和顆粒的質(zhì)量。當(dāng)線速度過高時，在相同產(chǎn)量條件下，環(huán)模每轉(zhuǎn)產(chǎn)出的顆粒少，擠壓區(qū)內(nèi)物料層較薄，導(dǎo)致壓輥軸向物料層分布不均勻，甚至將擠壓區(qū)內(nèi)物料出現(xiàn)斷層，制粒過程不連續(xù)，制出的顆粒也比較松軟，顆粒長度不勻且粉料多；對于含水量高的物料容易打滑，甚至無法制粒；當(dāng)環(huán)模線速度較低時，雖然制出的顆粒質(zhì)量好，但對生產(chǎn)效率的影響較大。
2.4壓輥直徑的確定
生物質(zhì)顆粒成型機(jī)的成型原理如圖1所示。通過環(huán)模和壓輥之間的相對運動及所產(chǎn)生的擠壓力，克服物料通過模孔的阻力，從而對物料進(jìn)行壓縮，達(dá)到制粒的目的。在相同規(guī)格環(huán)模條件下，壓輥與環(huán)模之間形成的三角擠壓區(qū)隨著壓輥直徑的增加而增大，從而越有利于擠壓作用。對于采用雙壓輥結(jié)構(gòu)的顆粒機(jī)，壓輥之間的擠壓力在主軸頭上平衡，環(huán)模上產(chǎn)生的反作用力能夠相互抵消，從而使顆粒機(jī)的主軸和軸承等零件受力較小，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是實際中使用最多的機(jī)型。根據(jù)經(jīng)驗，確定壓輥外徑與壓模內(nèi)徑比為0.475時比較合適。對用于秸稈等生物質(zhì)作為物料的制粒機(jī)，由于受力波動大，壓輥及環(huán)模上的不平衡力需要通過主軸和主軸軸承來抵消，所以主軸、主軸軸承、環(huán)模、壓輥和壓輥軸的結(jié)構(gòu)都需要加強(qiáng)。
2.5環(huán)模模孔結(jié)構(gòu)
環(huán)模模孔主要有直孔、外錐形孔、內(nèi)錐形孔和帶減壓孔等。根據(jù)生物質(zhì)原料的不同，采用不同種類的模孔形式。
壓縮比是反映顆粒擠壓強(qiáng)度的一個指標(biāo)，即環(huán)模有效厚度與模孔直徑的比值(l/d)，環(huán)模壓縮比小，壓模孔的有效長度短，物料在壓模孔中成型壓力小，容易擠出環(huán)模，雖然產(chǎn)量高但是制出的顆粒料松散，外觀不光滑；環(huán)模壓縮比高，模孔的有效長度長，物料在模孔中所受的壓力越大，相應(yīng)制出來的顆粒密度較高，顆粒光滑且質(zhì)量好，但顆粒機(jī)產(chǎn)量會下降，制料成本也會相應(yīng)增加。
導(dǎo)料錐孔的作用是便于物料進(jìn)入模孔，使用過程中導(dǎo)料錐孔容易磨損，必須對導(dǎo)料錐孔進(jìn)行及時修復(fù)。外錐孔環(huán)模主要用于秸桿、木屑等生物質(zhì)原料制粒中。當(dāng)模孔孔徑d經(jīng)磨損變大時，模孔的長度l也將變長，從而使壓縮比相對穩(wěn)定，保證顆粒的硬度。環(huán)模模孔按等邊三角形排列。環(huán)模開孔率為d2/4(d+6)2。其值越高，出料越多，但會降低環(huán)模的強(qiáng)度，容易開裂；其值越低，模孔間距離6越大，則環(huán)模強(qiáng)度越大，出料越少。所以，一定要根據(jù)強(qiáng)度確定開孔率大小。對于秸稈、木屑等物料，環(huán)模的開孔率要比飼料環(huán)模小一些，以保證環(huán)模擁有良好的強(qiáng)度，防止環(huán)模開裂。模孔粗糙度是影響顆粒成型的重要因素。在相同壓縮比條件下，模孔越粗糙顆粒越難擠出，過于粗糙也會影響顆粒表面質(zhì)量，合適的粗糙度值應(yīng)在0.8～1.6之間。采用表面硬化處理的合金鋼環(huán)模容易磨掉硬化層，導(dǎo)致使用壽命減少。現(xiàn)在環(huán)模生產(chǎn)制作中，一般在熱處理后加一精鉸工序，增加環(huán)模光潔度，以保證環(huán)模一次出料。
3、結(jié)語
綜上所述，在全球能源危機(jī)形式下，生物質(zhì)能源作為一種清潔可再生能源具有廣闊的發(fā)展前景。開發(fā)性能優(yōu)異、機(jī)構(gòu)簡單、便于維護(hù)的生物質(zhì)顆粒成型機(jī)，提高制粒效率與質(zhì)量，降低產(chǎn)品噸耗，對于開發(fā)生物質(zhì)能源以及滿足國家能源需求都具有積極的作用和意義。
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