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(chǎng)發(fā)電和農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用。據統計，2005年，世界生物質(zhì)固體成型燃料的產(chǎn)量已突破420萬(wàn)噸。我國對生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究始于20世紀80年代，在生物質(zhì)螺旋擠壓成型、活塞壓縮成型和制粒機擠壓成型等方面都有所突破。平模制粒機加工生物質(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(guò)程中，平模機以其堅固耐用、原料適應性強等優(yōu)點(diǎn)逐漸取得生產(chǎn)者的青睞，本文將就平模制粒機加工生物質(zhì)顆粒的工作原理，生物質(zhì)原料的成型機理，平模機加工生物質(zhì)顆粒的工藝以及特點(diǎn)等方面進(jìn)行介紹和討論。

　　平模制粒機的工作過(guò)程與顆粒成型機理

1.電動(dòng)機 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
Figure 1 Flat die pellet mill

　　按執行部件的運動(dòng)狀態(tài)分，平模制粒機有動(dòng)輥式、動(dòng)模式、模輥雙動(dòng)式三種，后兩種常見(jiàn)于小型平模制粒機，較大機型一般用動(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)輥式平模制粒機工作原理如圖1所示：電動(dòng)機通過(guò)減速箱驅動(dòng)主軸，主軸帶動(dòng)磨輥，磨輥繞主軸公轉的同時(shí)也繞磨輥軸自轉。加工顆粒時(shí)，生物質(zhì)原料被送入平模機的喂料室，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)的壓輥連續不斷地滾過(guò)料層，將物料擠壓進(jìn)入?？?，物料在?？字薪?jīng)歷成型、保型等過(guò)程，一定時(shí)間后以圓柱狀態(tài)被擠出，旋轉的切刀將物料切斷，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)，其平模機模輥間的成型機理如下（見(jiàn)圖2）：供料區內的物料在重力作用下緊貼在平模上，當壓輥向前滾動(dòng)，物料進(jìn)入變形壓緊區，這時(shí)因受到擠壓，原料粒子不斷進(jìn)入粒子間的空隙內，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。隨著(zhù)壓輥繼續滾動(dòng)，被壓實(shí)的原料進(jìn)入擠壓成型區，部分楔形區、?？椎腻F孔部分和前半部分都屬于擠壓成型區，該區內，壓力繼續增加，粒子本身發(fā)生變形和塑性流動(dòng)，在垂直于最大主應力的方向被延展，并繼續充填周?chē)^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)部分殘余應力貯存于成型塊內部，粒子結合牢固但不甚穩定。成型塊在擠壓作用下進(jìn)入?？椎谋Ｐ投?，在該段不利于形狀保持的殘余應力被消除，顆粒被定型。

　　工藝過(guò)程與試驗

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

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(lèi)似，然而由于原料的物性不同、成型機的工作原理不同，具體的工藝過(guò)程還是有所區別，對平模機制粒的關(guān)鍵工藝步驟具體介紹如下：

　　粉碎環(huán)節,平模機制粒時(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，制成顆粒的抗滲水性和硬度等指標也越高，然而一味追求粒徑的減小會(huì )使粉碎環(huán)節的能耗驟升，因此應當在滿(mǎn)足平模制粒機加工要求的前提下，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的優(yōu)勢之一，一般對作物秸稈等原料，其最大顆粒外形尺寸要求小于2×2×30mm，而對于木質(zhì)原料，則要求更嚴格一些。

　　干燥環(huán)節,干燥的主要目的是調節原料的含水率，使其穩定均一，適合制粒機加工，在制粒成型過(guò)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(guò)大時(shí)，水分容易在顆粒之間形成隔離層，使得層間無(wú)法緊密結合，擠出的顆粒容易膨脹散開(kāi)，不能成型，因此控制合適的原料含水率在加工過(guò)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，高的能達到55%，平模制粒機加工生物質(zhì)原料時(shí)，要求原料的水分在10-14%之間，當加工玉米秸稈一類(lèi)含糖較多的原料時(shí)含水量可允許稍高。常規的干燥工藝一般用帶式干燥器、滾筒干燥器、廂式干燥器等設備進(jìn)行，然而不得不承認這一環(huán)節會(huì )耗費掉可觀(guān)的能量。筆者認為，如今太陽(yáng)能干燥技術(shù)已較為成熟，完全可以用太陽(yáng)能溫室配備以翻拋設備對生物質(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(yáng)能利用領(lǐng)域中的低溫利用相適應，與傳統干燥工藝相比，可以大量節省常規能源，降低固定投資，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。

　　制粒環(huán)節，干燥好的物料進(jìn)入制粒環(huán)節，可以不用調質(zhì)處理，直接加工。有條件的生產(chǎn)廠(chǎng)家可選配自動(dòng)控制系統和模輥自動(dòng)調隙裝置。自動(dòng)控制系統根據主機電流的變化調節喂料電機的變頻器，從而實(shí)時(shí)調節喂料量，這能有效的避免堵機現象的發(fā)生。模輥自動(dòng)調隙裝置能采集模輥間隙數據，通過(guò)反饋、對比來(lái)控制液壓系統，使間隙與設定值相一致，并能在生產(chǎn)過(guò)程中隨時(shí)變化。一般而言，啟動(dòng)階段，磨輥間隙應當盡量小些，這可以減小啟動(dòng)力矩，降低電機負荷。進(jìn)入穩態(tài)工作后，磨輥間隙應當稍大，這可以增大壓縮行程，得到堅硬光滑的顆粒?？梢詫㈤g隙隨時(shí)間變化的設置輸入控制系統，啟動(dòng)后，機器可以自動(dòng)調節模輥間隙。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(cháng)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，我們對中國農業(yè)機械化科學(xué)研究院畜禽機械研究所研制的550型平模制粒機進(jìn)行了性能考核試驗。其中部分試驗數據如下：

表1 550型平模制粒機加工生物質(zhì)顆粒試驗數據
Table 1 Experimental data of 550 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

　　由試驗結果知，550型平模制粒機適合加工鋸末、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(guò)程中，我們發(fā)現，平模制粒機的各工作部件表現出以下特性：

　　1 喂料特性

　　物料進(jìn)入平模機的第一個(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(zhuān)門(mén)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(shù)枝、樹(shù)杈粉碎料和秸稈粉末這一類(lèi)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，增強對粗纖維物料的攫取能力。據測算，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，這就對喂料空間提出了較高的要求。平模機具有寬敞的喂料室，以550平模機為例，其有效喂料容積約120dm3，單次喂料可達24kg，完全能滿(mǎn)足機器需求。

　　其次，物料喂入的過(guò)程是在重力作用下自然下落的過(guò)程。不需要強制喂入，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，環(huán)模機工作時(shí)，對應不同的物料都需要探索相應的導料板參數，物料性質(zhì)稍有改變，導料板就得改變，這就限制了環(huán)模機對原料的適應性。

　　2 平模特性

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

　　作為制粒機的核心工作部件，平模的結構參數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，應當配備不同的模板。模板的開(kāi)孔面積，?？壮叽?，?？着挪挤绞降纫囟际菦Q定制粒性能的重要因素。?？组L(cháng)徑比越小，產(chǎn)量越大，但是顆粒密度越小、質(zhì)量也越差。長(cháng)徑比過(guò)大，則容易堵機。從實(shí)踐經(jīng)驗看，用同一種原料生產(chǎn)相同規格的產(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)勢在于結構簡(jiǎn)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，平模結構的對稱(chēng)性決定了模板雙面可用，一面磨損量過(guò)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，平模機壓輥的特點(diǎn)是轉速較低、直徑大，與某些型號的環(huán)模機相比，其轉速甚至不到環(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物料有較強的攫取力，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，壓輥的里側與外側都會(huì )發(fā)生滑動(dòng)，這種滑動(dòng)作用是平模機的工作原理決定的，并不因物料的改變而改變。筆者認為，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(guān)上卻增強了制粒機的擠壓性能，使平模制粒機在加工含粗纖維較多的生物質(zhì)原料方面成為佼佼者。下面將從運動(dòng)分析和受力分析方面對滑動(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)針旋轉的壓輥為例，平模制粒機工作時(shí)，壓輥上必定存在一條純滾動(dòng)的圓周線(xiàn)H，在純滾動(dòng)線(xiàn)H內側，壓輥發(fā)生超前性滑動(dòng)，稱(chēng)之為滑轉滾動(dòng)；在純滾動(dòng)線(xiàn)外側，壓輥發(fā)生滯后性滑動(dòng)，稱(chēng)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(xiàn)方向，但指向有待討論。

　　當機器進(jìn)入穩態(tài)時(shí)，壓輥處于平衡狀態(tài)，建立如圖所示的柱坐標系，以磨輥軸心為Z軸，磨輥最外截面圓心為Z軸0點(diǎn)，以豎直方向半徑為角坐標0點(diǎn)。因平模壓輥的自轉是從動(dòng)的，不存在驅動(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
假設純滾動(dòng)線(xiàn)H的Z坐標為 ，則①式可寫(xiě)作：　　　　　 ③

　　顯然，③式右側表示滑轉滾動(dòng)區的合力矩，左側表示滑移滾動(dòng)區合力矩,兩個(gè)合力矩等大反向。在滑轉滾動(dòng)區，磨輥因轉速較快，相對于物料產(chǎn)生滑動(dòng)，因此力F沿切線(xiàn)指向上，合力矩方向為逆時(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)區所受合力矩必定為順時(shí)針?lè )较?，因此該區內的大部受力點(diǎn)所受摩擦力F應沿切線(xiàn)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)區任一截面：
④
⑤

純滾動(dòng)線(xiàn)所在截面：
⑥
⑦

滑轉滾動(dòng)區任一截面：
⑧
⑨

　　從上述的壓輥運動(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比可以看出，產(chǎn)生滑轉滾動(dòng)和滑移滾動(dòng)的時(shí)漢陽(yáng)科技版權所有，與純滾動(dòng)相比，相當于在豎直方向和水平方向對作用力進(jìn)行了重新分配。從式④可以看出，在滑移滾動(dòng)區，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。從式⑨可以看出,在滑轉滾動(dòng)區，物料在豎直方向上受力增加，豎直方向的擠壓作用增強。兩種滑動(dòng)作用的效果并不是消極的。

　?。?/span>2）由運動(dòng)分析知，在滑轉滾動(dòng)區，壓輥產(chǎn)生超前性滑動(dòng)，因此對平模徑向上單位長(cháng)度的物料而言，在壓輥上的擠壓行程增加，這相當于在豎直方向增長(cháng)了物料的預壓縮行程。在滑移滾動(dòng)區，壓輥產(chǎn)生滯后性滑動(dòng)，對于平模徑向上單位長(cháng)度的物料，在平模上的擠壓行程增加，相當于在水平方向上增長(cháng)了預壓縮行程。這就能解釋為什么環(huán)模制粒機和平模制粒機加工相同原料、相同規格的產(chǎn)品時(shí)，平模機的模板厚度遠薄于環(huán)模厚度：盡管二者都是模板擠壓制粒，但平模機的兩種滑動(dòng)作用相當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?；D滾動(dòng)區的超前性滑動(dòng)使磨輥在豎直方向對物料產(chǎn)生了較強的剪切作用，這種剪切作用越靠近模板中心越明顯?；茲L動(dòng)區的滯后性滑動(dòng)使磨輥在水平方向對物料產(chǎn)生了較強的剪切作用，這種剪切作用越遠離模板中心越明顯。

　　試驗時(shí)從出料口往里觀(guān)察，我們發(fā)現平模的中間幾圈?？壮隽峡?，越是里圈和外圈的?？?，出料越慢。如果卸掉切刀觀(guān)察，中間幾圈的物料被擠出較短的長(cháng)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(cháng)至200mm以上才脫離模板。這是因為，由于兩種剪切作用的存在，模板內側和外側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，成型顆粒質(zhì)地越密實(shí)，出料越緩慢。平模機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，也正是因為這兩種較強的剪切作用對物料進(jìn)行了充分的預處理。

　?。?/span>4）滑移滾動(dòng)和滑轉滾動(dòng)的存在會(huì )導致壓輥平模等零件的磨損程度增加，但在設計時(shí)可將平模設計成對稱(chēng)結構，能夠正反使用用，這將有效降低易損件成本。

　　4 結語(yǔ)

　　隨著(zhù)人們環(huán)保意識的增強以及國家環(huán)保工作力度的增加，社會(huì )對清潔的替代能源的需求越來(lái)越迫切;今年中央1號文件明確規定“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(kāi)發(fā)”;發(fā)展生物質(zhì)顆粒燃料符合國策，順應民意。性能優(yōu)異穩定的成型機在生物質(zhì)燃料顆粒成型過(guò)程中扮演著(zhù)重要的角色。結合太陽(yáng)能干燥工藝，利用550型平模制粒機加工鋸末、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。從試驗結果和理論分析來(lái)看，平模制粒機是加工生物質(zhì)顆粒燃料的理想機型

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