平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)燃料的工作特性分析 

生物質(zhì)能的利用技術(shù)主要有生物質(zhì)熱裂解氣化技術(shù)、生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)、沼氣技術(shù)、和生物質(zhì)固化成型技術(shù)等。其中，固化成型技術(shù)生產(chǎn)的生物質(zhì)燃料顆粒，可用于工業(yè)燃料、電廠發(fā)電和農(nóng)村居民做飯取暖等領(lǐng)域，在瑞典等歐洲國家已得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年，世界生物質(zhì)固體成型燃料的產(chǎn)量已突破420萬噸。我國對(duì)生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，在生物質(zhì)螺旋擠壓成型、活塞壓縮成型和制粒機(jī)擠壓成型等方面都有所突破。平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)顆粒是固化成型技術(shù)的一種，近幾年在生物質(zhì)制粒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，平模機(jī)以其堅(jiān)固耐用、原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸取得生產(chǎn)者的青睞，本文將就平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)顆粒的工作原理，生物質(zhì)原料的成型機(jī)理，平模機(jī)加工生物質(zhì)顆粒的工藝以及特點(diǎn)等方面進(jìn)行介紹和討論。

　　平模制粒機(jī)的工作過程與顆粒成型機(jī)理

1.電動(dòng)機(jī) 2.傳動(dòng)箱 3.主軸 4.喂料室5.壓輥
6.均料板 7.平模 8.切刀 9.掃料板 10.出料口
圖1 平模制粒機(jī)
Figure 1 Flat die pellet mill

　　按執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分，平模制粒機(jī)有動(dòng)輥式、動(dòng)模式、模輥雙動(dòng)式三種，后兩種常見于小型平模制粒機(jī)，較大機(jī)型一般用動(dòng)輥式。按磨輥的形狀分，又可以分為錐輥式和直輥式兩種。直輥動(dòng)輥式平模制粒機(jī)工作原理如圖1所示：電動(dòng)機(jī)通過減速箱驅(qū)動(dòng)主軸，主軸帶動(dòng)磨輥，磨輥繞主軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)也繞磨輥軸自轉(zhuǎn)。加工顆粒時(shí)，生物質(zhì)原料被送入平模機(jī)的喂料室，在分料器和刮板的共同作用下均勻地鋪在平模上，主軸帶動(dòng)的壓輥連續(xù)不斷地滾過料層，將物料擠壓進(jìn)入?？祝锪显谀？字薪?jīng)歷成型、保型等過程，一定時(shí)間后以圓柱狀態(tài)被擠出，旋轉(zhuǎn)的切刀將物料切斷，形成顆粒，由掃料板將顆粒送出。

圖2 顆粒成型機(jī)理示意圖
Figure 2 The process of pelletization

　　生物質(zhì)原料主要含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)，其平模機(jī)模輥間的成型機(jī)理如下（見圖2）：供料區(qū)內(nèi)的物料在重力作用下緊貼在平模上，當(dāng)壓輥向前滾動(dòng)，物料進(jìn)入變形壓緊區(qū)，這時(shí)因受到擠壓，原料粒子不斷進(jìn)入粒子間的空隙內(nèi)，間隙中的空氣被排出，粒子間的相互位置不斷更新，粒子間所有較大的空隙逐漸都被能進(jìn)入的粒子占據(jù)。隨著壓輥繼續(xù)滾動(dòng)，被壓實(shí)的原料進(jìn)入擠壓成型區(qū)，部分楔形區(qū)、?？椎腻F孔部分和前半部分都屬于擠壓成型區(qū)，該區(qū)內(nèi)，壓力繼續(xù)增加，粒子本身發(fā)生變形和塑性流動(dòng)，在垂直于最大主應(yīng)力的方向被延展，并繼續(xù)充填周圍較小的空隙，由于壓輥和物料間的摩擦作用加劇而產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致原料中含有的木質(zhì)素軟化，粘合力增加，軟化的木質(zhì)素和生物質(zhì)中固有的纖維素聯(lián)合作用，使生物質(zhì)逐漸成形塑料工業(yè)網(wǎng)，這時(shí)部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，粒子結(jié)合牢固但不甚穩(wěn)定。成型塊在擠壓作用下進(jìn)入模孔的保型段，在該段不利于形狀保持的殘余應(yīng)力被消除，顆粒被定型。

　　工藝過程與試驗(yàn)

　　平模機(jī)加工生物質(zhì)顆?；竟に囘^程如圖3所示，生物質(zhì)原料經(jīng)過破碎和粉碎后進(jìn)入干燥環(huán)節(jié)。水分合適的物料經(jīng)混合調(diào)質(zhì)后進(jìn)入平模機(jī)制粒。從制粒機(jī)出來的顆粒經(jīng)過冷卻和篩分，得到成品，然后包裝或者散裝出廠。

圖3 生物質(zhì)燃料制粒工藝
Figure 3 the manufacturing processes of biomass fuel pellets

　　生物質(zhì)制粒的基本工藝步驟大體類似，然而由于原料的物性不同、成型機(jī)的工作原理不同，具體的工藝過程還是有所區(qū)別，對(duì)平模機(jī)制粒的關(guān)鍵工藝步驟具體介紹如下：

　　粉碎環(huán)節(jié),平模機(jī)制粒時(shí)，原料粒徑越小，粒子之間越容易互相充填、嵌合，因此制粒機(jī)的單位產(chǎn)量平均能耗就越小，平模和壓輥等易損件的磨損速度也較慢，制成顆粒的抗?jié)B水性和硬度等指標(biāo)也越高，然而一味追求粒徑的減小會(huì)使粉碎環(huán)節(jié)的能耗驟升，因此應(yīng)當(dāng)在滿足平模制粒機(jī)加工要求的前提下，使粒徑盡量大些。事實(shí)上，能夠壓制大粒徑的原料是平模機(jī)的優(yōu)勢(shì)之一，一般對(duì)作物秸稈等原料，其最大顆粒外形尺寸要求小于2×2×30mm，而對(duì)于木質(zhì)原料，則要求更嚴(yán)格一些。

　　干燥環(huán)節(jié),干燥的主要目的是調(diào)節(jié)原料的含水率，使其穩(wěn)定均一，適合制粒機(jī)加工，在制粒成型過程中，合適的水分一方面能夠傳遞壓輥的壓力，另一方面能起到潤滑劑的作用，輔助粒子互相填充，從而促進(jìn)原料成型。但是含水率過大時(shí)，水分容易在顆粒之間形成隔離層，使得層間無法緊密結(jié)合，擠出的顆粒容易膨脹散開，不能成型，因此控制合適的原料含水率在加工過程中尤為重要。一般從自然界中收集的生物質(zhì)原料含水率大部分分布在20-40%之間，高的能達(dá)到55%，平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)原料時(shí)，要求原料的水分在10-14%之間，當(dāng)加工玉米秸稈一類含糖較多的原料時(shí)含水量可允許稍高。常規(guī)的干燥工藝一般用帶式干燥器、滾筒干燥器、廂式干燥器等設(shè)備進(jìn)行，然而不得不承認(rèn)這一環(huán)節(jié)會(huì)耗費(fèi)掉可觀的能量。筆者認(rèn)為，如今太陽能干燥技術(shù)已較為成熟，完全可以用太陽能溫室配備以翻拋設(shè)備對(duì)生物質(zhì)原料進(jìn)行除濕，一般生物質(zhì)原料的干燥，要求溫度水平較低，大約在40－70℃之間，這正好與太陽能利用領(lǐng)域中的低溫利用相適應(yīng)，與傳統(tǒng)干燥工藝相比，可以大量節(jié)省常規(guī)能源，降低固定投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

　　制粒環(huán)節(jié)，干燥好的物料進(jìn)入制粒環(huán)節(jié)，可以不用調(diào)質(zhì)處理，直接加工。有條件的生產(chǎn)廠家可選配自動(dòng)控制系統(tǒng)和模輥?zhàn)詣?dòng)調(diào)隙裝置。自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)電流的變化調(diào)節(jié)喂料電機(jī)的變頻器，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)喂料量，這能有效的避免堵機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。模輥?zhàn)詣?dòng)調(diào)隙裝置能采集模輥間隙數(shù)據(jù)，通過反饋、對(duì)比來控制液壓系統(tǒng)，使間隙與設(shè)定值相一致，并能在生產(chǎn)過程中隨時(shí)變化。一般而言，啟動(dòng)階段，磨輥間隙應(yīng)當(dāng)盡量小些，這可以減小啟動(dòng)力矩，降低電機(jī)負(fù)荷。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，磨輥間隙應(yīng)當(dāng)稍大，這可以增大壓縮行程，得到堅(jiān)硬光滑的顆粒?？梢詫㈤g隙隨時(shí)間變化的設(shè)置輸入控制系統(tǒng)，啟動(dòng)后，機(jī)器可以自動(dòng)調(diào)節(jié)模輥間隙。壓輥和平模都是易磨損件，需要定期更換，壓輥的服役期可以稍長一點(diǎn)，但最好能夠和平模一起更換。一般，平?？梢怨ぷ?/span>800-2000小時(shí)不等，這要視零件的材質(zhì)和加工工藝而定。

　　利用以上工藝，2007年6月-8月，我們對(duì)中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院畜禽機(jī)械研究所研制的PM60型平模制粒機(jī)進(jìn)行了性能考核試驗(yàn)。其中部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：

表1 PM60型平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)顆粒試驗(yàn)數(shù)據(jù)
Table 1 Experimental data of PM60 flat die pellet mill

原料	顆粒直徑(mm)	生產(chǎn)率（kg/h）	噸料電耗(kw·h/t)	顆粒密度(kg/m3)	成型率（%）
紅松	10	916	49.1	1.21	93
白松	10	823	54.7	1.29	94.5
鋸末秸稈混合料	10	850	52.9	1.26	95.3

　　由試驗(yàn)結(jié)果知，PM60型平模制粒機(jī)適合加工鋸末、鋸末秸稈混合料等生物質(zhì)原料，成型率在93%以上，噸電耗在55千瓦時(shí)以下，小時(shí)生產(chǎn)能力在800kg-900kg左右。

　　平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)燃料顆粒的特性探討

　　在加工生物質(zhì)燃料顆粒的過程中，我們發(fā)現(xiàn)，平模制粒機(jī)的各工作部件表現(xiàn)出以下特性：

　　1 喂料特性

　　物料進(jìn)入平模機(jī)的第一個(gè)工位是喂料室，喂料室起到緩存物料和喂料的作用，完成物料向磨輥楔形攫取角的喂入。喂料室有兩個(gè)特點(diǎn)，一是喂料空間廣闊，為專門擠壓生物質(zhì)原料的大直徑壓輥提供了空間，也為蓬松的生物質(zhì)原料提供了喂料空間；二是靠重力作用直接喂料的原理高效實(shí)用。

　　像如鋸末、樹枝、樹杈粉碎料和秸稈粉末這一類生物質(zhì)原料,粗纖維含量高，質(zhì)輕而蓬松，不易喂入。寬敞的喂料室，首先能為物料提供廣闊的喂料空間。其次能允許配備大直徑壓輥，從而增大攫取角，增強(qiáng)對(duì)粗纖維物料的攫取能力。據(jù)測(cè)算ipi.sooq.cn版權(quán)所有，鋸末原料容重約為200kg/m3,孔隙率為75%左右，物料本身輕而蓬松，制成顆粒時(shí)壓縮比在6以上，這就對(duì)喂料空間提出了較高的要求。平模機(jī)具有寬敞的喂料室，以PM60平模機(jī)為例，其有效喂料容積約120dm3，單次喂料可達(dá)24kg，完全能滿足機(jī)器需求。

　　其次，物料喂入的過程是在重力作用下自然下落的過程。不需要強(qiáng)制喂入，原料便可直接落到適合擠壓的工位上。這種喂料方式明顯優(yōu)于環(huán)模制粒機(jī)，環(huán)模機(jī)工作時(shí)，對(duì)應(yīng)不同的物料都需要探索相應(yīng)的導(dǎo)料板參數(shù)，物料性質(zhì)稍有改變，導(dǎo)料板就得改變，這就限制了環(huán)模機(jī)對(duì)原料的適應(yīng)性。

　　2 平模特性

　　在動(dòng)輥式平模制粒機(jī)中，平模被固定在機(jī)座上，物料從靜止的?？字袛D出，被切刀切斷后形成顆粒。而環(huán)模制粒機(jī)中，環(huán)模是旋轉(zhuǎn)的，旋轉(zhuǎn)的環(huán)模常常把顆粒甩在機(jī)殼上，部分顆粒被摔碎，成型率下降。因此平模制粒機(jī)中平模靜止的工作方式有利于顆粒成型率的提高。

　　作為制粒機(jī)的核心工作部件，平模的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合適直接決定了顆粒質(zhì)量的優(yōu)劣。加工不同的物料，應(yīng)當(dāng)配備不同的模板。模板的開孔面積，模孔尺寸，?？着挪挤绞降纫囟际菦Q定制粒性能的重要因素。?？组L徑比越小，產(chǎn)量越大，但是顆粒密度越小、質(zhì)量也越差。長徑比過大，則容易堵機(jī)。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，用同一種原料生產(chǎn)相同規(guī)格的產(chǎn)品，平模厚度要比環(huán)模的小許多。

　　與環(huán)模相比，平模的優(yōu)勢(shì)在于結(jié)構(gòu)簡潔，體積緊湊，能正反使用，成本低廉。模板是易磨損件，需要定期更換，平模結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性決定了模板雙面可用，一面磨損量過大后，可以將模板反裝，這大大提高了平模的使用壽命。易損件壽命的提高有助于降低生產(chǎn)成本。

　　3 壓輥特性

　　壓輥方面，平模機(jī)壓輥的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速較低、直徑大，與某些型號(hào)的環(huán)模機(jī)相比，其轉(zhuǎn)速甚至不到環(huán)模壓輥的一半，而較大的直徑可以增大壓輥的攫取角。這使工作中的壓輥對(duì)物料有較強(qiáng)的攫取力，并且降低了打滑的可能性。

　　但是工作中的壓輥并非整體在做純滾動(dòng)，從其軸向上看，壓輥的里側(cè)與外側(cè)都會(huì)發(fā)生滑動(dòng)，這種滑動(dòng)作用是平模機(jī)的工作原理決定的，并不因物料的改變而改變。筆者認(rèn)為，滑動(dòng)作用的存在，固然在一定程度上加快了壓輥的磨損，但是客觀上卻增強(qiáng)了制粒機(jī)的擠壓性能，使平模制粒機(jī)在加工含粗纖維較多的生物質(zhì)原料方面成為佼佼者。下面將從運(yùn)動(dòng)分析和受力分析方面對(duì)滑動(dòng)作用進(jìn)行討論。

圖4 壓輥的受力情況
Figure 4 Forces and moments exerted on the roller

　　以圖4所示的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的壓輥為例，平模制粒機(jī)工作時(shí)，壓輥上必定存在一條純滾動(dòng)的圓周線H，在純滾動(dòng)線H內(nèi)側(cè)，壓輥發(fā)生超前性滑動(dòng)，稱之為滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)；在純滾動(dòng)線外側(cè)，壓輥發(fā)生滯后性滑動(dòng)，稱之為滑移滾動(dòng)。

　　在壓輥與物料接觸的任意點(diǎn)A，其受力如圖4所示，因擠壓物料而收到物料施加給壓輥的反作用力N,N大小隨 變化而變化，但總是沿半徑指向圓心方向；壓輥與物料之間還可能存在摩擦力F，F必定沿切線方向，但指向有待討論。

　　當(dāng)機(jī)器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，壓輥處于平衡狀態(tài)，建立如圖所示的柱坐標(biāo)系，以磨輥軸心為Z軸，磨輥?zhàn)钔饨孛鎴A心為Z軸0點(diǎn)，以豎直方向半徑為角坐標(biāo)0點(diǎn)。因平模壓輥的自轉(zhuǎn)是從動(dòng)的，不存在驅(qū)動(dòng)力矩，故其自身力矩之和為零，可以得到其力矩平衡方程：
①
其中:②
假設(shè)純滾動(dòng)線H的Z坐標(biāo)為 ，則①式可寫作：　　　　　 ③

　　顯然，③式右側(cè)表示滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)的合力矩，左側(cè)表示滑移滾動(dòng)區(qū)合力矩,兩個(gè)合力矩等大反向。在滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)，磨輥因轉(zhuǎn)速較快，相對(duì)于物料產(chǎn)生滑動(dòng)，因此力F沿切線指向上，合力矩方向?yàn)槟鏁r(shí)針，則由力矩平衡關(guān)系可推得，③式左邊描述的滑移滾動(dòng)區(qū)所受合力矩必定為順時(shí)針方向，因此該區(qū)內(nèi)的大部受力點(diǎn)所受摩擦力F應(yīng)沿切線指向下方（如圖4所示）。

圖5 物料受力情況
Figure 5 Forces exerted on the material

　　明確了壓輥的受力情況，就可以分析物料受力，物料受力情況如圖5所示，在磨輥擠壓物料的任意一點(diǎn)B，物料受壓輥對(duì)其施加的力 與 ,分別為 和 的反作用力。在與平模接觸的平面，物料受到水平方向上的摩擦力S和鉛直方向上的支撐力T。則物料受力的平衡方程為：
滑移滾動(dòng)區(qū)任一截面：
④
⑤

純滾動(dòng)線所在截面：
⑥
⑦

滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)任一截面：
⑧
⑨

　　從上述的壓輥運(yùn)動(dòng)情況和物料受力情況我們可以作出以下分析：

　?。?/span>1）從上面三組平衡式的對(duì)比可以看出，產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)和滑移滾動(dòng)的時(shí)漢陽科技版權(quán)所有，與純滾動(dòng)相比，相當(dāng)于在豎直方向和水平方向?qū)ψ饔昧M(jìn)行了重新分配。從式④可以看出，在滑移滾動(dòng)區(qū)，物料在水平方向上受力增加，因此水平方向的擠壓作用增強(qiáng)。從式⑨可以看出,在滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)，物料在豎直方向上受力增加，豎直方向的擠壓作用增強(qiáng)。兩種滑動(dòng)作用的效果并不是消極的。

　?。?/span>2）由運(yùn)動(dòng)分析知，在滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)，壓輥產(chǎn)生超前性滑動(dòng)，因此對(duì)平模徑向上單位長度的物料而言，在壓輥上的擠壓行程增加，這相當(dāng)于在豎直方向增長了物料的預(yù)壓縮行程。在滑移滾動(dòng)區(qū)，壓輥產(chǎn)生滯后性滑動(dòng)，對(duì)于平模徑向上單位長度的物料，在平模上的擠壓行程增加，相當(dāng)于在水平方向上增長了預(yù)壓縮行程。這就能解釋為什么環(huán)模制粒機(jī)和平模制粒機(jī)加工相同原料、相同規(guī)格的產(chǎn)品時(shí)，平模機(jī)的模板厚度遠(yuǎn)薄于環(huán)模厚度：盡管二者都是模板擠壓制粒，但平模機(jī)的兩種滑動(dòng)作用相當(dāng)于增加了物料的壓縮行程。

　?。?/span>3）從式④、⑤和式⑧、⑨可以看出，兩種滑動(dòng)作用導(dǎo)致了摩擦力的產(chǎn)生，摩擦力F使壓輥和物料之間產(chǎn)生了兩種剪切作用。滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)區(qū)的超前性滑動(dòng)使磨輥在豎直方向?qū)ξ锪袭a(chǎn)生了較強(qiáng)的剪切作用，這種剪切作用越靠近模板中心越明顯?；茲L動(dòng)區(qū)的滯后性滑動(dòng)使磨輥在水平方向?qū)ξ锪袭a(chǎn)生了較強(qiáng)的剪切作用，這種剪切作用越遠(yuǎn)離模板中心越明顯。

　　試驗(yàn)時(shí)從出料口往里觀察，我們發(fā)現(xiàn)平模的中間幾圈?？壮隽峡?，越是里圈和外圈的?？?，出料越慢。如果卸掉切刀觀察，中間幾圈的物料被擠出較短的長度就會(huì)斷裂、墜落。而里圈和外圈的?？字袛D出的物料不易自動(dòng)斷裂和墜落，有許多甚至長至200mm以上才脫離模板。這是因?yàn)?，由于兩種剪切作用的存在，模板內(nèi)側(cè)和外側(cè)的物料受較大剪切力，物料粒子被充分地揉切、撕裂進(jìn)而充填、嵌合，所以越是兩側(cè)，成型顆粒質(zhì)地越密實(shí)，出料越緩慢。平模機(jī)之所以在加工粗纖維含量較多的物料時(shí)具有優(yōu)越的性能，也正是因?yàn)檫@兩種較強(qiáng)的剪切作用對(duì)物料進(jìn)行了充分的預(yù)處理。

　?。?/span>4）滑移滾動(dòng)和滑轉(zhuǎn)滾動(dòng)的存在會(huì)導(dǎo)致壓輥平模等零件的磨損程度增加，但在設(shè)計(jì)時(shí)可將平模設(shè)計(jì)成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，能夠正反使用用，這將有效降低易損件成本。

　　4 結(jié)語

　　隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及國家環(huán)保工作力度的增加，社會(huì)對(duì)清潔的替代能源的需求越來越迫切;今年中央1號(hào)文件明確規(guī)定“推進(jìn)以非糧油作物為主要原料的生物質(zhì)能源研究和開發(fā)”;發(fā)展生物質(zhì)顆粒燃料符合國策，順應(yīng)民意。性能優(yōu)異穩(wěn)定的成型機(jī)在生物質(zhì)燃料顆粒成型過程中扮演著重要的角色。結(jié)合太陽能干燥工藝，利用PM60型平模制粒機(jī)加工鋸末、鋸末秸稈混合料等生物質(zhì)燃料顆粒，成型率在93%以上，噸電耗在55千瓦時(shí)以下，小時(shí)生產(chǎn)能力在800kg-900kg左右。從試驗(yàn)結(jié)果和理論分析來看，平模制粒機(jī)是加工生物質(zhì)顆粒燃料的理想機(jī)型.