摘要對(duì)環(huán)模生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)影響成型的各主要因素進(jìn)行了分析及試驗(yàn)研究，給出不同生物質(zhì)原料、粒度、含水率、環(huán)模孔長(zhǎng)徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關(guān)系，找出生物質(zhì)顆粒燃料的最佳成型條件。

　　0引言

　　近年來(lái)，石油、煤炭?jī)r(jià)格大幅上漲，能源短缺十分嚴(yán)重，能源形勢(shì)日益緊張，開(kāi)發(fā)出適用的可再生能源產(chǎn)品已成了當(dāng)務(wù)之急。生物質(zhì)能源是唯一的可以儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)目稍偕茉?，是替代化石燃料的首選川。但生物質(zhì)具有堆積密度小、能量密度低、運(yùn)輸、儲(chǔ)存使用空間大、成本高等特點(diǎn)，其嚴(yán)重制約了生物質(zhì)能的大規(guī)模應(yīng)用川。因此，開(kāi)發(fā)生物質(zhì)冷態(tài)致密成型顆粒加工技術(shù)及設(shè)備，是有效利用生物質(zhì)的必不可少的重要環(huán)節(jié)。生物質(zhì)經(jīng)過(guò)致密成型后不但可作為燃料取代煤炭直接燃燒利用，同時(shí)也可通過(guò)干餾炭化技術(shù)、液化技術(shù)、氣化技術(shù)等進(jìn)行深加工利用，從而解決生物質(zhì)利用的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)能源規(guī)?；瘧?yīng)用。

　　本文利用我們研制的，型生物質(zhì)顆粒燃料成型樣機(jī)，通過(guò)對(duì)玉米秸稈和麥秸稈進(jìn)行大量成型試驗(yàn)研究，研究不同生物質(zhì)原料、粒度、含水率、成型機(jī)環(huán)?？组L(zhǎng)徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關(guān)系，找出生物質(zhì)顆粒燃料的最佳成型條件，為生物質(zhì)顆粒成型機(jī)的成型工藝改進(jìn)及設(shè)備優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)依據(jù)，進(jìn)而為生物質(zhì)資源化利用的預(yù)處理技術(shù)提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

　　1試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

　　1.1試驗(yàn)裝置

　　本試驗(yàn)采用的skr-25型生物質(zhì)顆粒燃料成型樣機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示。

　　生物質(zhì)原料粉碎后從加料口經(jīng)進(jìn)料絞龍進(jìn)人成型室，在成型室內(nèi)，主軸帶動(dòng)環(huán)模旋轉(zhuǎn)，在磨擦力作用下，壓輥與環(huán)模同時(shí)旋轉(zhuǎn)，原料經(jīng)進(jìn)料刮板被卷人環(huán)模和壓輥之間，兩者相對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)原料逐漸擠壓，并擠人環(huán)?？祝诃h(huán)模中成型，并不斷向孔外擠出，再由切刀按所需長(zhǎng)度切斷成型顆粒，壓粒過(guò)程中物料是在壓模與壓輥強(qiáng)烈擠壓作用下強(qiáng)制通過(guò)均布于環(huán)形壓模的小孔而壓實(shí)成型的。

　　1.2試驗(yàn)方法

　　生物質(zhì)原料在成型過(guò)程中，成型機(jī)結(jié)構(gòu)、環(huán)?？捉Y(jié)構(gòu)以及成型工藝是相關(guān)聯(lián)的，在確定了成型機(jī)結(jié)構(gòu)和環(huán)?？捉Y(jié)構(gòu)后，成型工藝成了技術(shù)關(guān)鍵，不同原料、不同成型工藝的試驗(yàn)表明原料粒度、含水率、成型壓力是影響冷成型燃料生產(chǎn)的主要因素囚。在充分分析生物質(zhì)冷成型機(jī)理及影響成型的各主要因素的基礎(chǔ)上，我們選擇兩種來(lái)源廣泛、具有一定代表性的生物質(zhì)原料玉米秸稈和麥秸稈進(jìn)行冷成型試驗(yàn)研究一測(cè)定原料在不同粉碎粒度、含水率下的成型率和噸料電耗。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整成型機(jī)的關(guān)鍵部件環(huán)模的厚度測(cè)定不同環(huán)模孔長(zhǎng)徑比的顆粒成型率及電耗，從而得出玉米秸稈和麥秸稈的成型條件范圍及最佳成型工藝條件。

　　2試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　2.1原料粒度對(duì)成型效率的影響

　　由于生物質(zhì)經(jīng)粉碎機(jī)粉碎后的粒度并非完全一致，為了吏直觀地反映粒度對(duì)成型過(guò)程的影響，我們采用粉碎機(jī)的篩網(wǎng)孔徑來(lái)表征成型原料的粒度，初步試驗(yàn)后，決定采用孔徑分別為8、6、4、2mm的4種篩網(wǎng)粉碎后的原料分別進(jìn)行成型試驗(yàn)(原料含水率25%、環(huán)?？组L(zhǎng)徑比5:1)，研究粒度與成型效率的關(guān)系，結(jié)果見(jiàn)表1。

　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，顆粒的成型率及噸料電耗與原料粒度呈反比關(guān)系，粒度越小，成型效率越高。但是，對(duì)整個(gè)顆粒成型系統(tǒng)而言，并不是粒度越小越好，因?yàn)殡S著篩網(wǎng)孔徑的減小，原料的粉碎效率急劇下降，粉碎電耗上升，系統(tǒng)效率隨之下降。因此，綜合考慮應(yīng)在保證成型機(jī)合理成型效率的基礎(chǔ)上選擇較大的篩網(wǎng)孔徑，使系統(tǒng)綜合電耗達(dá)到最佳值。

　　從成型效率與原料粒度關(guān)系圖上圖2、圖3可看出，成型率及噸料電耗與原料粒度并非線性關(guān)系，當(dāng)粒度增大到一定量值以上，成型率出現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，噸料電耗也同步快速上升一，曲線圖上形成一個(gè)拐點(diǎn)，該點(diǎn)即可作為我們選擇最佳篩網(wǎng)孔徑的主要參考點(diǎn)。對(duì)于不同的物料，因其成分含量不同，成型難易也不同，拐點(diǎn)的位置也不同，從圖2、圖3可看出，對(duì)玉米秸稈其最佳篩網(wǎng)孔徑為6mm，而對(duì)麥秸稈其最佳篩網(wǎng)孔徑為4mm，顯然麥秸稈在成型過(guò)程中對(duì)原料粒度要求較高，比玉米秸稈更難成型。

　　2.2原料含水率對(duì)成型效率的影響

　　原料含水率對(duì)顆粒成型率影響很大，含水率過(guò)低或過(guò)高，生物質(zhì)顆粒均無(wú)法正常成型圖。水分過(guò)低，生物質(zhì)粉料在壓縮過(guò)程中缺少必要的軟化劑和潤(rùn)滑劑而無(wú)法成型水分過(guò)高，成型條件變壞，成型室內(nèi)原料被擠成餅狀，無(wú)法順利從成型孔壓出，會(huì)造成機(jī)器卡死，成型壓力大幅度上升，主電機(jī)超載，防護(hù)成型機(jī)安全的安全銷斷裂。初步試驗(yàn)表

明，成型時(shí)原料含水率控制在10%-40%才能有效成型，含水率在10%以下時(shí)，成型率大幅降低。因此，我們選擇4種含水率分別為巧15%、20%、25%、30%時(shí)進(jìn)行成型試驗(yàn)(原料粒度篩網(wǎng)孔徑為4mm、環(huán)模長(zhǎng)徑比5:1)，研究其對(duì)成型效率的影響，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

　　試驗(yàn)結(jié)果表明，原料含水率對(duì)成型率的影響相當(dāng)大，只有將含水率控制在一定范圍內(nèi)，成型過(guò)程才能正常進(jìn)行。當(dāng)含水率超過(guò)30%以后，成型機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)卡死的幾率大大上升，當(dāng)含水率降低到一定數(shù)值以下時(shí)，成型率將急速下降。從圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈成型對(duì)原料含水率的適應(yīng)范圍較寬，當(dāng)含水率在20%-30%之間時(shí)，其成型率及噸料電耗均保持在一個(gè)相對(duì)合理、穩(wěn)定的水平，最佳含水率在25%左右。而麥秸稈的含水率使用范圍為25%-30%，含水率大于30%后，機(jī)器卡死幾率也大于玉米秸稈，并且其成型率及噸料電耗指標(biāo)也大大高于玉米秸稈，成型工藝條件較難控制。

　　2.3環(huán)?？组L(zhǎng)徑比對(duì)成型效率的影響

　　環(huán)模孔長(zhǎng)徑比是顆粒成型設(shè)備直接決定原料成型條件的重要因素圖，它決定了原料的成型壓力和壓縮比，當(dāng)長(zhǎng)徑比較小時(shí)，成型壓力較低，成型率也較低，成型顆粒密度較小長(zhǎng)徑比越大，原料成型過(guò)程中受到的壓力越大，成型過(guò)程也越長(zhǎng)，此時(shí)，成型率提高，顆粒密度加大，耗電量也大幅提高，顆粒產(chǎn)量下降。因此，找出環(huán)?？组L(zhǎng)徑比與成型效率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)優(yōu)化環(huán)模設(shè)計(jì)、提高成型設(shè)備整機(jī)效率十分重要。本試驗(yàn)我們采用8mm孔徑的環(huán)模，通過(guò)改變孔長(zhǎng)的方法，測(cè)試環(huán)?？组L(zhǎng)徑比對(duì)成型效率的影響，測(cè)試長(zhǎng)徑比分別為4:1、5:1、6:1、7:14種形式，試驗(yàn)原料粒度取4mm篩孔直徑及25%含水率。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

　　從圖6、圖7可以看出當(dāng)環(huán)?？组L(zhǎng)徑比低于5:1時(shí)，成型率迅速下降，同時(shí)導(dǎo)致噸料電耗也隨著迅速上升當(dāng)環(huán)模長(zhǎng)徑比高于5:1時(shí)，成型率基本上是呈線性增加趨勢(shì)，而噸料電耗的變化因原料的不同則呈現(xiàn)出不同趨勢(shì)，玉米秸稈的最佳噸料電耗出現(xiàn)在長(zhǎng)徑比5:1處，麥秸稈的最佳值為長(zhǎng)徑比6:1，其主要原因是麥秸稈纖維素含量高，較難壓縮成型，需要較高的成型壓力才能保證有效成型率。圖8給出了成型顆粒密度隨環(huán)?？组L(zhǎng)徑比的變化關(guān)系，基本呈同步增長(zhǎng)趨勢(shì)。

　　3結(jié)論

　　1）適當(dāng)?shù)姆鬯榱６取⒃虾始碍h(huán)?？组L(zhǎng)徑比是生物質(zhì)冷壓成型的基本工藝條件。當(dāng)篩網(wǎng)孔徑不大于6mm，原料含水率在20%-30%之間，環(huán)?？组L(zhǎng)徑比為5:1時(shí)，玉米秸稈的成型率較高，成型過(guò)程運(yùn)行穩(wěn)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，篩網(wǎng)孔徑為6mm、原料含水率為25%、環(huán)?？组L(zhǎng)徑比為5:1時(shí)其綜合電耗達(dá)到最佳值，冷成型顆粒噸料電耗低于100KW·H；

　　2）高纖維素含量的麥秸稈也可以冷壓成型，但成型條件較苛刻，要求粉碎機(jī)篩網(wǎng)孔徑不大于4mm、原料水份含量在25%-30%之間、環(huán)?？组L(zhǎng)徑比不小于6:1。麥秸稈的最佳成型條件為篩網(wǎng)孔徑4mm、原料含水率25%、環(huán)?？组L(zhǎng)徑比6:1；

　　3）不同生物質(zhì)原料，對(duì)成型條件要求有所不同，對(duì)于玉米秸稈類的普通生物質(zhì)秸稈，其冷成型工藝較容易控制，成型率較高，噸料電耗能夠保持在較合理水平，已具備實(shí)際應(yīng)用條件。而對(duì)于麥秸稈類高纖維素含量的生物質(zhì)原料，成型難度較大，成型過(guò)程中對(duì)粒度、含水率等因素的適應(yīng)范圍較窄，需要的成型壓力也較大，成型率較低，其噸料電耗也大大高于玉米秸稈，經(jīng)濟(jì)性較差，還需從設(shè)備及工藝上進(jìn)一步改進(jìn)提高。