引言
生物質(zhì)
顆粒燃料作為一種優(yōu)質(zhì)的可再生能源，既能作為農(nóng)村炊事爐具、采暖爐或工業(yè)鍋爐等的良好燃料，又可為電廠提供清潔燃料；不僅有效解決了農(nóng)村用能問題，而且也有利于改善農(nóng)村環(huán)境，目前在我國(guó)正全面推廣。生物質(zhì)成型主要分為模輥式、螺旋式、柱塞式等方式。由于生物質(zhì)模輥式成型機(jī)具有生產(chǎn)率高、成型好（成型率大于95%），可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，與螺旋式、柱塞式成型機(jī)相比，工作狀態(tài)更加穩(wěn)定，對(duì)物料的適應(yīng)性好，并且其加工方法滿足燃煤電廠對(duì)生物質(zhì)成型燃料均勻要求，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)的自動(dòng)上料，是目前發(fā)展的重點(diǎn)。但該類機(jī)具還存在著能耗高等問題。
木屑顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料。
目前，國(guó)內(nèi)外模輥式成型機(jī)研究?jī)H針對(duì)原料的種類、粒度及含水率等工藝參數(shù)。對(duì)于以玉米秸稈為原料的模輥式成型機(jī)的主要參數(shù)對(duì)成型的影響等研究較少。機(jī)具參數(shù)的研究主要集中在螺旋式或柱塞式成型機(jī)原理上，模輥式成型機(jī)的成型原理與螺旋式、柱塞式差別較大，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)不同，上述研究并不適用于模輥式成型機(jī)。
本文以玉米秸稈為原料，對(duì)生物質(zhì)模輥式成型機(jī)的t要參數(shù)（模孔直徑、主軸轉(zhuǎn)速、模輥間隙等）進(jìn)行試驗(yàn)，研究其對(duì)成型機(jī)的生產(chǎn)率、噸燃料能耗、顆粒燃料的成型率、機(jī)械耐久性和顆粒密度等指標(biāo)的影響規(guī)律，為模輥式成型機(jī)的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。
1、材料與方法
1.1試驗(yàn)設(shè)備與原料
北方地區(qū)玉米秸稈原料極為豐富，因此本試驗(yàn)選擇北京市大興區(qū)禮賢鎮(zhèn)生產(chǎn)的玉米秸稈為原料。采用模輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)，其主要工作部件是水平圓盤壓模和與其相配的壓輥，如圖l所示（D為模孔直徑，x為模輥間隙）。工作時(shí)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓模轉(zhuǎn)動(dòng)，通過模輥與物料間的摩擦力使壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)，將物料鉗人、擠壓，最后成圓柱狀從模孔中被連續(xù)擠出，再由安裝在出料口處的固定切刀切成一定長(zhǎng)度的顆粒燃料。在該機(jī)工作過程中，由于壓輥與壓模之間存在相對(duì)滑動(dòng)，可起到磨碎原料的作用，所以允許使用粒徑稍大些的原料。其中，模輥間隙、主軸轉(zhuǎn)速等可調(diào)，且可更換不同孔徑的壓模板。試驗(yàn)用顆粒燃料成型機(jī)額定生產(chǎn)率80 kg/h；主軸電動(dòng)機(jī)功率11kW；主軸最大轉(zhuǎn)速200 r/min；調(diào)頻器50Hz。
其他試驗(yàn)設(shè)備與儀器有粉碎機(jī)（篩孔徑8mm）、秒表、臺(tái)秤（精度5g）、二分器、101 -IA型電熱鼓風(fēng)干燥箱、PL2002/01型電子天平（精度0.01 g）、BSA223S - CW型分析天平（精度0.1 mg）、KER -2400型轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)、SZII -4型標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)振篩機(jī)、MH - 200E型電子比重計(jì)（精度0.001g／cIT13）等。
1.2試驗(yàn)方法
1. 2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備
首先將玉米秸稈粉碎，粒度小于8 mm的放入振動(dòng)篩進(jìn)行篩選，振動(dòng)30 s后，測(cè)其粒度。試驗(yàn)原料分三批粉碎，分別用于6、8、10mm模孔直徑試驗(yàn)使用，如表l所示。可以得出：不同批次原料粒度基本一致。原料粉碎后，大于6 mm原料占總量不到10%，粒度在3~6 mm之間的約占20%，小于3 mm粒度大于70%，能夠滿足成型要求。將粉碎后的秸稈原料自然風(fēng)干或調(diào)濕處理，達(dá)到適宜成型的含水率，裝入密封袋備用。試驗(yàn)原料含水率控制在20%左右。而6 mm孔徑在原料含水率20%試驗(yàn)時(shí)，極易堵模，因此原料含水率略高。
采用模輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，按照CEN/TS 14778-1 2005固體生物質(zhì)顆粒燃料取樣方法取樣，測(cè)量并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
1.2.2試驗(yàn)指標(biāo)及測(cè)定方法
(1)生產(chǎn)率。正常生產(chǎn)過程中，在成型機(jī)出口處每隔5 min接取顆粒一次，然后稱量。考慮到原料含水率不同，計(jì)算中增加含水率系數(shù)。計(jì)算式為
(2)顆粒密度。一般要求成型燃料顆粒密度大于1.0 g/cm3。根據(jù)阿基米德排水法原理，利用電子比重計(jì)直接測(cè)量得出數(shù)值。
生產(chǎn)出的顆粒燃料在實(shí)驗(yàn)室平鋪放置2～3h，待完全冷卻后取樣：測(cè)量成型率、含水率、機(jī)械耐久性和顆粒密度等。
1.2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)
生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的性能參數(shù)主要包括主軸轉(zhuǎn)速、模孔直徑與模輥間隙等。為考核成型機(jī)性能和顆粒燃料質(zhì)量，將主軸轉(zhuǎn)速、模孔直徑、模輥間隙作為試驗(yàn)因素，考察其對(duì)生產(chǎn)率、噸燃料能耗、成型率、顆粒燃料的機(jī)械耐久性及顆粒密度的影響規(guī)律。選擇主軸轉(zhuǎn)速0—200 r/min，間隔20 r/min；模輥間隙0～1.5 mm，間隔0.1 mm；選擇6、8、10 mm模孔直徑的壓模分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。首先進(jìn)行模輥間隙試驗(yàn)，分析模輥間隙對(duì)所選指標(biāo)的影響規(guī)律，然后選用最佳值進(jìn)行不同主軸轉(zhuǎn)速與模孔直徑試驗(yàn)。
2、結(jié)果與討論
2.1模輥間隙的影響
模孔直徑8 mm、主軸轉(zhuǎn)速160 r/min時(shí)，模輥間隙對(duì)生產(chǎn)率、噸燃料能耗、機(jī)械耐久性、成型率的影響如圖2所示。隨著模輥間隙的增加，生產(chǎn)率下降，噸燃料能耗增加，當(dāng)模輥間隙大于1.5mm時(shí)，模孔已不出料，無法成型。其中，模輥問隙為0.2 mm時(shí)，生產(chǎn)率最高，噸燃料能耗最低，為72 kW - h/t。間隙過大時(shí)，壓輥對(duì)秸稈原料的擠壓力變小，使攫取能力變小，壓輥無法將料壓進(jìn)模孔內(nèi)，使原料在成型室內(nèi)越積越多，最終導(dǎo)致堵模死機(jī)。間隙過小時(shí)，喂入原料量少，生產(chǎn)率低，摩擦力大，導(dǎo)致噸燃料能耗高。若安裝不當(dāng)，模輥之間可能有直接接觸表面，將加速模輥磨損，降低壽命。成型率均大于95%，壓縮成型的生物質(zhì)顆粒燃料表面光滑，不易松散；在0.4～1.Omm之間，成型率逐漸下降，生物質(zhì)顆粒燃料表面偶有裂紋，成型率在90%～95%之間；大于l mm時(shí)，成型燃料表面變粗糙，裂紋增多，且壓縮后成型率小于90%．已不符合成型率要求。
模輥間隙對(duì)機(jī)械耐久性和顆粒密度影響不大，均能滿足機(jī)械耐久性大于95%和顆粒密度大于等于1.0g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)要求。
綜上所述，模輥間隙的最佳范圍為0～0.4 mm，其中0.2 mm時(shí)最優(yōu)。
2.2主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑的影響試驗(yàn)
2.2.1生產(chǎn)率
模輥間隙為0.2 mm時(shí)，生產(chǎn)率與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。在模孔直徑相同時(shí)，隨主軸轉(zhuǎn)速的增加，生產(chǎn)率增大。低轉(zhuǎn)速時(shí)，生產(chǎn)率增加較快；大于160r/min后生產(chǎn)率增加變得緩慢，其值為80～100kg;/h。這是由于轉(zhuǎn)速過快時(shí)，壓輥對(duì)原料的擠壓力一定，一些原料無法快速擠入相應(yīng)模孔內(nèi)，而從壓輥齒兩側(cè)擠出，使生產(chǎn)率增加緩慢。
同一轉(zhuǎn)速下，模孔直徑越大，生產(chǎn)率越高，在轉(zhuǎn)速160r/min時(shí)，模孔直徑10mm的生產(chǎn)率比直徑6 mm的提高了25%，這是由于孔徑大，被壓進(jìn)模孔的原料多，生產(chǎn)率相對(duì)較高。
但模孔直徑不易過大或過小，高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，孔徑過小則原料難擠入模孔內(nèi)，在成型室被摩擦的時(shí)間過長(zhǎng)而產(chǎn)生熱量，原料水分蒸發(fā)較快，壓輥無法將原料順利壓出，導(dǎo)致模孔堵塞，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生放炮、顆粒炭化等現(xiàn)象。孔徑過大，在壓模厚度不改變情況下，成型率難以保證，且壓出的顆粒燃料易松散。
2.2.2噸燃料能耗
試驗(yàn)測(cè)得噸燃料能耗與主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑的關(guān)系如圖4所示，噸燃料能耗隨轉(zhuǎn)速增大而減小。轉(zhuǎn)速大于等于160 r/min，生產(chǎn)率增加趨于緩慢，噸燃料能耗變化不大，同一模孔直徑下，噸燃料能耗變化量不超過10 kW·h/t。低轉(zhuǎn)速時(shí)，單位時(shí)間擠出顆粒燃料質(zhì)量少，所需的電能較多，隨著轉(zhuǎn)速增大，生產(chǎn)率提高，燃料的出料速度加快，克服彈性變形的能量減小，噸燃料能耗逐漸減小。當(dāng)孔徑為10 mm，主軸轉(zhuǎn)速為180 r/min時(shí)，噸燃料能耗達(dá)最低值為71.4 kW．h/t。
同一轉(zhuǎn)速下，模孔直徑越大，噸燃料能耗越低。轉(zhuǎn)速在160 r/min時(shí)，模孔直徑10 mm的噸燃料能耗比直徑6 mm的減小了42 kW．h/t。這是由于模孔直徑小，單位時(shí)問內(nèi)的進(jìn)料量少，擠壓困難，克服秸稈原料彈性變形所需噸燃料能耗較大。
2.2.3顆粒燃料成型率
模孔直徑和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)成型率的影響如圖5所示。可以看出，主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑對(duì)成型率影響不大，成型率在95%～99%之間，滿足大于95%的要求。
2.2.4顆粒燃料機(jī)械耐久性
主軸轉(zhuǎn)速、模孔直徑對(duì)顆粒燃料的機(jī)械耐久性影響如圖6所示。主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑對(duì)顆粒耐久性影響并不顯著，顆粒燃料機(jī)械耐久性較好，均大于96%，符合顆粒燃料要求。主軸轉(zhuǎn)速180 r/min，模孔直徑8 mm時(shí)，顆粒燃料機(jī)械耐久性最好，最佳值為98. 3%。
2.2.5顆粒密度
主軸轉(zhuǎn)速、模孔直徑對(duì)顆粒燃料密度的影響如圖7所示。顆粒密度變化范圍為1.1～1.2g/cm3，均符合顆粒燃料的要求。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，顆粒密度略有下降。模孔直徑小，則顆粒密度大。這是由于轉(zhuǎn)速增大，模孔直徑大時(shí)，出料速度快，原料在模孔內(nèi)的擠壓時(shí)間短，擠出顆粒較松散，致使顆粒密度小。反之，主軸轉(zhuǎn)速小，模孔直徑小，出料慢，被擠壓時(shí)間久，壓輥與原料間摩擦作用加劇而產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致原料中所含木質(zhì)素軟化，粘合力增大，粒子易被壓縮成型，顆粒較密實(shí)。
3、結(jié)論
(1)模輥間隙對(duì)成型率有顯著影響，對(duì)其他指標(biāo)的影響不顯著。間隙越大，成型率越低。間隙最佳取值范圍0～0.4 mm，最優(yōu)值為0.2mm。
(2)主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑對(duì)生產(chǎn)率、噸燃料能耗影響較大。隨著轉(zhuǎn)速增大，生產(chǎn)率增大，噸燃料能耗減小；模孔直徑大，生產(chǎn)率高，噸燃料能耗低。為保證生產(chǎn)率，轉(zhuǎn)速取值應(yīng)大于等于160r/min。為使噸燃料能耗較低，模孔直徑應(yīng)取較大值10 mm。
(3)各因素對(duì)顆粒燃料機(jī)械耐久性影響不顯著，均符合顆粒燃料的標(biāo)準(zhǔn)要求。
(4)主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑對(duì)顆粒密度均有一定影響，但影響不大，顆粒密度均大于1.1g/cm3。若對(duì)顆粒密度要求較高，則主軸轉(zhuǎn)速值應(yīng)取較小值，選模孔直徑較小的壓模。若對(duì)顆粒燃料僅為一般要求，則盡可能增加主軸轉(zhuǎn)速，選取模孔直徑較大的壓模。
富通新能源生產(chǎn)銷售的木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)專業(yè)壓制生物質(zhì)顆粒燃料。
