生物质固化成型设备及其成型影响因素分析

生物质固化成型设备及其成型影响因素分析
宁廷州;刘鹏;侯书林
【摘要】为深入研究生物质固化成型设备及其成型影响因素,有效促进生物质固化成型技术的发展,从生物质固化成型设备的工作原理、生产率、磨损、能耗4个方面对3种形式的生物质固化成型设备进行了比较,揭示了各类型成型设备的特点,指出了未来生物质固化成型设备的发展方向.针对生物质原料的多样性、压缩方式和压缩条件的不同,将生物质固化成型影响因素进行了归类,系统阐述了生物质固化成型影响因素对其成型结果的影响.文章为生物质固化成型设备的进一步研究提供了借鉴和参考.%To study the biomass curing equipment and its forming influence factors,and promote the development of the biomass curing technology,three kinds of biomass curing equipments were firstly compared from four aspects (the working principle,the productivity,the wear and the energy consumption),which revealed the features of different kinds of biomass curing equipments,and pointed out the development direction of the biomass curing equipment.Secondly,the forming influence factors were classified,and the results of these factors to the formation were systematically elaborated according to the diversity of the biomass materials,the differences of compression ways and compression condition.This provides reference for further research of the biomass curing equipment.
【期刊名称】《可再生能源》
【年(卷),期】2017(035)001
【总页数】6页(P135-140)
【关键词】生物质;生物质固化成型设备;影响因素
【作者】宁廷州;刘鹏;侯书林
【作者单位】中国农业大学工学院,北京100083;山东华宇工学院机械工程学院,山东德州253034;塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300;中国农业大学工学院,北京100083;塔里木大学机械电气化工程学院,新疆阿拉尔843300【正文语种】中文
【中图分类】TK6;S216.2
生物质固化成型技术能够将粉碎后的农作物秸秆等生物质原料，在一定的外力、温度和湿度的情况下压缩成具有一定长度和密度的块状、棒状和颗粒状的燃料[1]，[2]。

生物质燃料具有储运方便，燃烧热值高、无污染等优点[3]，[4]。

生物质固化成型设备主要有3种形式，即螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和模辊式成型机，其中模辊式成型机又可分为环模式成型机、平模式成型机和对辊式成型机[5]，[6]。

为深入研究生物质固化成型设备及其成型影响因素，有效促进生物质固化成型技术的发展，本文首先介绍了生物质固化成型设备的工作原理，其次从生产率、磨损、能耗3个方面对生物质固化成型设备进行了比较分析，最后将生物质固化成型影响因素进行了归类，系统阐述了生物质固化成型影响因素对其成型结果的影响。

最早开发应用的成型设备为螺旋挤压式成型机，主要依靠外部对成型模具加热，使其温度维持在 150～300 ℃[5]，[7]，[8]。

由于一定的成型温度可使生物质物料中的木质素与纤维素软化，通过螺杆对生物质物料的推进与挤压，可将生物质物料压缩成块状生物质燃料。

螺旋挤压式成型机的工作原理如图1所示。

与螺旋挤压式成型机相比，活塞冲压式成型机通常不需要外部加热，主要是依靠活塞的来回运动实现生物质物料的压缩成型。

该成型机主要用于生产实心的块状或棒状燃料。

活塞冲压式成型机的工作原理如图2所示。

根据驱动力类型不同，活塞冲压式成型机又可以划分为机械式与液压式两种。

机械式主要是通过飞轮储存的能量，利用曲柄连杆机构来推动活塞对生物质物料压缩成型；液压式则主要通过液压缸提供动力，带动活塞使生物质物料冲压成型[9]。

模辊式成型机主要由环模（或平模）和压辊两大关键部分组成[10]。

压辊绕自身的轴线转动，在它的外表面上加工有齿或槽，既便于物料的压入，同时又可以防止打滑；环模（或平模）的外表面上加工有一定数量的成型孔。

当生物质物料进入到压辊和环模（或平模）之间时，由于两者的相对运动，使得生物质物料不断地被压入环模（或平模）的成型孔内并被挤出。

在出料口处设置有切断装置，在其作用下生物质燃料被切成一定长度的颗粒。

3种结构形式的模辊式成型机的工作原理如图3所示。

螺旋挤压式成型机需要在加工之前对生物质物料进行加温预热，从而增加了挤压成型过程的耗电量。

因此，该类型设备存在能耗过高的问题。

此外，该类型设备的产量并不高，不能满足实际生产的需要；螺旋挤压式成型机的主要工作部件为螺杆，其使用寿命最多不超过500 h[11]。

活塞冲压式成型机只对成型孔内的生物质物料挤压，因其挤压能耗大部分为有效能耗，所以活塞冲压式成型机具有能耗相对较低的优点。

但是，由于其每次只能实现1次生物质物料的挤压成型，故又存在生产率较低的问题。

同时，活塞冲压式成型机成型模腔容易磨损，一般100 h要修一次，如果所用的生物质材料SiO2含量少，可维持300 h[11]。

与前两种成型机不同的是，模辊式成型机在环模内表面或外表面上均设置了很多成型孔，压辊可以同时对多个成型孔里面的生物质物料进行挤压，因此，生产率较前
两种成型机有较大提升。

但由于传统的模辊式成型机均是利用环模和压辊的外曲面进行挤压，因此，环模未开孔处的生物质物料也受到不必要的挤压，从而产生额外的能耗损失，使模辊式成型机能耗增加。

各种类型的生物质固化成型设备的特点如表1 所示[12]。

影响生物质固化成型的因素主要有原料因素、模辊因素和其他因素。

其中，原料因素包括原料的种类、原料的含水率和原料的颗粒度；模辊因素包括模辊间隙、模辊直径比、成型模具的结构尺寸和内表面粗糙度；其他因素包括转速和成型压力。

不同种类原料的微观结构、纤维素和木质素的含量均不相同，从而导致其压缩成型的特性也存在很大差异。

原料种类不仅对成型燃料的品质，如成型燃料的密度、机械耐久性、燃烧效果等有一定影响，而且还不同程度地影响着成型机的产量、成型机的能耗以及成型机的使用寿命。

不同的生物质原料，木质素含量越高，越容易压缩成型。

水稻秸秆和小麦秸秆之所以难压缩成型，主要是由于其内部含有大量的纤维素，在常温条件下，较难压缩成型。

在加热的情况下，原料中的木质素可以软化，起到粘结剂的作用，从而更加易于成型。

所以，压缩生物质燃料时，应合理选择原料种类以及成型方式。

当原料中的木质素含量较低时，可以考虑在原料中添加少量的粘结剂或采取加热成型的方式，而木质素含量相对较高的原料可以常温成型[13]。

水分在压缩成型的过程中起到了润滑剂、粘结剂的作用[14]。

原料中的水分是一种非常重要的自由基，它流动在原料的颗粒之间，在外力的作用下，其与糖分或果胶质混合形成胶体，从而起到粘结剂的作用[15]。

与此同时，原料中适量的自由水和结合水的存在，使得粒子相互之间的内摩擦力缩小，流动性显著增强，进而促进了粒子在外力作用下的滑动和嵌合。

因此，水分又起到了润滑剂的作用[16]。

原料的含水率过低，粒子将得不到充分的延展，导致粒子间不能够紧密结合，从而不利于成型。

相对来说，含水率过低的原料生产出来的生物质成型燃料更加容易吸收周围环境中的水分，使生物质成型燃料发生松弛、胀裂和变形。

原料的含水率较
高时，在垂直于最大主应力方向上，尽管粒子能够得到充分的延展，粒子之间能够相互嵌合，但是当较多的水分被挤出后，这些水分将分布在粒子层间，导致粒子层和粒子层之间不能够紧密贴合，因此不能成型[17]。

当温度较高时，较多的水蒸气会导致分子间的距离增大，从而影响热量的传导，使得粘结力下降[18]。

原料颗粒度的大小也对成型机的能耗和成型燃料的品质存在一定的影响。

通常情况下，原料颗粒度越小，粒子间的延伸率就会越大，从而更加容易压缩成型；同时，在压缩成型过程中，原料颗粒度越小，粒子的流变特性和填充特性就越好，这也能较好地促进原料的压缩成型。

原料颗粒度过大，不仅会降低成型燃料的质量，而且会对成型机的产量和能耗产生很大影响。

不同的成型方式，对原料颗粒度的要求也不尽相同，通常情况下，原料颗粒度应该小于成型模具的最小截面尺寸。

针对不同成型方式，应该选取合理尺寸的原料颗粒度，从而有效促进原料的成型以及提高成型燃料的品质[19]。

环模与压辊间的间隙过大，会导致挤压成型区物料层的厚度过大，由此将导致压缩成型过程中的挤压力和能耗增加；环模与压辊所受到的转动阻力也会随之增大，从而导致物料发生“打滑”现象；同时使得成型机的振动幅度变大，产生较大的噪声，情况严重时可能会出现“挤不出”的现象。

环模与压辊间的间隙太小时，两者很容易发生直接接触，由此导致磨损增加，环模模孔进料口处变形严重，由此将会阻碍进料或导致物料的分布不均匀，从而使得成型机的产量显著下降，情况极为严重时，会导致成型机报废[20]。

模辊直径比越大，原料高度就越大，但两者之间并不是线性关系。

模辊直径比增加的速度越快，原料高度增加的速度也越快。

因此，在一定的范围内应尽可能地提高模辊直径比，从而增加成型机生产率。

但当模辊直径比达到一定数值后，即使模辊直径比再增加，成型机生产率也不会提高。

所以，模辊式成型机开发过程中，模辊直径比不能超越该临界值[21]。

（1）开口锥度
原料的攫取与成型均受到成型模具开口锥度的影响[19]。

研究表明：成型模具开口锥度过大，作用在其锥面上的压力也将变大，从而导致原料与成型模具间摩擦力的增加，使得原料的挤出过程较为困难。

成型模具开口锥度过小，原料与其锥面间的摩擦力虽然减小，但是在压力的作用下，原料很容易被堵塞在成型模具锥口，只能通过增加压力使原料向下移动，从而导致成型机能耗的增加[22]。

（2）长径比
成型模具的长径比被定义为成型模具孔的直径与其有效长度的比值。

成型模具长径比同生物质颗粒燃料的品质密切相关。

成型模具长径比越大，挤压过程中的阻力也就越大，生产的生物质成型颗粒密度也越大，其表面硬度随之增加，但此时的成型能耗变大，产量变小；当成型模具长径比太大时，挤压过程容易发生“堵机”现象。

当原料进入成型模具之后，原料在成型模具孔内须要经过弹塑性变形后才能够被挤压成型，因此，在成型颗粒内部会有部分应力的残留。

所以，原料必须在成型模具内滞留一定的时间，从而得以保型。

通常来说，成型模具的长径比的取值为
1∶4～1∶10[23]。

（3）内表面粗糙度
同样的成型模具长径比，成型模具内表面越粗糙，成型燃料挤压过程中的阻力也就越大，出料变得越困难。

根据国家标准，成型模具内表面的粗糙度应不大于1.6。

通常来说，抛光工艺为成型模具加工的最后一道工艺。

针对内表面粗糙度不同的成型模具，各大厂家所采取的处理工艺也不尽相同，主要有合金钻头抛光砂棒、铰刀研磨、含砂油料研磨等。

其中，铰刀研磨和合金钻头抛光砂棒所需要的设备比较简单，能够得到较为光滑的成型模具孔内表面，因此得到了广泛应用。

通常来说，成型模具内表面的粗糙度与其长径比是相对的，长径比越大，成型模具内表面加工就越为困难，成型模具出料也会变得愈加困难[24]。

压辊转速对于压辊相对于原料的攫取和压缩以及通过成型模具的成型时间有重要影响，从而影响成型颗粒的质量和产量。

随着压辊转速升高，在原料进料量较为恒定的情况下，单次攫取的原料量将增加，与此同时，原料在成型模具中所受到的挤压时间缩短，由此导致成型颗粒的保型时间变短，成型燃料在挤出成型模具时密度变小，甚至发生严重的回弹现象。

反之，成型燃料的保压时间变长，成型燃料质量虽然显著提高，但是相应的产量也会较低[13]。

只有保证一定的成型压力，生物质原料才能被压缩成型，因此，成型压力是生物质原料能够压缩成型的最基本条件。

成型压力可为生物质原料在成型模具中的有效成型提供必不可少的动力，在成型压力的作用下，松散的生物质原料变得致密匀实，从而提高了成型燃料的强度。

相关试验表明：成型压力较低时，不仅不能保证原料的压紧压实，还会由于其不足以克服原料与成型模具内表面的摩擦力，导致成型过程无法进行。

通常来说，成型压力和成型模具的结构、尺寸、形状有着密切的关系。

生物质原料从成型模具的一端压入，之后从其另一端挤出（出料口的直径小于进
料口的直径），此时，生物质原料的成型压力与其所受到的摩擦阻力相平衡。

当成型压力较小时，成型燃料的密度随着成型压力的增加而显著增大，但是当成型压力增大到一定数值以后，成型燃料密度的增加则会变得较为缓慢。

一般来说，不同的生物质原料致密成型过程中所需要的成型压力各不相同，故成型模具结构尺寸中的开口锥度与锥长也将各不相同；当成型模具的锥角或锥长增加时，成型燃料的密度也将增大，并且这对成型过程中设备的能耗和生物质原料喂入前后的体积比存在一定的影响[25]。

由于各类型生物质固化成型设备的工作原理不同，都存在不同的优缺点，如何克服各类型生物质固化成型设备的不足将成为未来亟待解决的问题。

发展一种低能耗、高生产率、关键零部件耐久性较强的生物质固化成型设备将成为未来的发展方向和目标。

生物质固化成型影响因素的选择对生物质固化成型过程影响显著。

较高的木质素含量，适宜的原料含水率，较小的原料颗粒度，适宜的模辊间隙和模辊直径比以及合理的成型模具结构尺寸、压辊转速、成型压力，均能够有效促进生物质的固化成型。

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