|
孫啟新1，陳書法1，董玉平2
（1.222005江蘇省連云港市淮海工學院機械工程學院；2.250061山東省濟南市山東大學高效潔凈機械制造教育部重點實驗室）
[摘要]：生物質固化成型是解決其收集、運輸和儲藏的關鍵技術。平模碾壓是常用的生物質顆粒生產方式，通過碾壓產生的熱量可使木質素軟化，為生物質固化提供內部粘結力。試驗發現布料厚度對生物質成型率和能耗有很大影響。通過響應曲面法和多目標優化設計獲得最優物料厚度及成型條件。在此基礎上設計了精準式布料裝置，該裝置采用氣壓輸送實現上料布料，通過對氣壓進行調整，便可對上料速度進行控制，實現了均勻布料，保證物料在平模上被充分碾壓。該裝置所設布料管可隨碾壓輥一起旋轉，實現邊布料邊碾壓。通過試驗與普通上料裝置比較，該裝置可進一步提高生物質成型率4%左右，降低能耗6%左右。減小壓輥的徑向受力的波動，提高設備使用壽命。
0引言
生物質在地球上分布廣泛，取之不盡，用之不竭。我國農作物秸稈年產量約7.2億t，這是一筆巨大的能源儲備，但其有效利用率卻不足30%。生物質作為能源，存在能量密度小，形態各異，運輸不便，使用過程不能方便、潔凈地實現能量轉換，儲存和使用占用空間大等缺點，成為制約生物質規模化利用的“瓶頸”。生物質成型技術是解決這一“瓶頸”的有效方法。生物質成型就是將松散的生物質加工成具有一定密度、形狀的顆粒[1]。成型顆粒可替代石化能源，用于日常生活和工業生產中。
目前國內外生物質固化成型技術及設備的研究發展主要有[2]：日本開發的螺旋擠壓方式生產的棒狀成型技術、歐洲各國開發的活塞式擠壓條狀成型技術、美國研發的內壓滾筒顆粒狀成型技術。螺旋擠壓式和曲柄活塞沖壓成型物密度稍低，容易松散，且不能連續生產，上述兩種設備能耗大，主件易磨損，壽命較低，平均壽命60～80h，大大增加了生物質固化成型的成本。
我國多采用環模輥碾壓和平模碾壓生產方法。此兩種方法連續性擠壓成型，生效率較高。但現有設備上料靠人工，布料量難以精確控制。隨意布料造成原料的厚度不均勻，無法對生物質進行充分碾壓，同時嚴重影響碾壓輥運動平穩性，造成設備損壞。人工上料，一次會上很多的料到成型內，而物料成型在生產過程中是作旋轉運動的，這又加劇了能源的損耗。所以傳統顆粒成型機的產品制造成本較高、生產率低。
本文針對生物質微粒布料問題，設計一種適用于平模式生物質顆粒成型機的精確上料布料裝置，確保原料均勻平鋪在平模上，使生物質被充分碾壓，顆粒成型更均勻。同時進一步提高生產效率，降低能耗。
1物料厚度對成型性能的影響
生物質主要組成成分為纖維素、半纖維素和木質素，其中秸稈類生物質中纖維素占70%左右，木質素占17％～25%[3-4]。纖維被粉碎后形成顆粒狀，在壓縮成型過程中，顆粒進一步破裂成微小顆粒，同時顆粒發生剪切流動對顆粒間的間隙進行填充，剪切填充進一步引起顆粒的破裂，而破裂進一步引起剪切填充流，直到整體致密。微小顆粒的剪切和填充運動會產生大量的摩擦力，從而產生大量的熱量。這些熱量和填充壓力給了木質素活化的能量，促使木質素軟化和塑化，此時木質素具有較好的粘結性，木質素的這一變化為纖維顆粒的團聚提供了粘結力，隨著材料的硬化，小顆粒永久地粘結在一起。對木質素進行充分摩擦碾壓，激活木質素的活化性能，是提高生物質顆粒成型率的關鍵因素。
1.1物料厚度成型性能的影響
平模式碾壓可實現生物質在碾壓輥和平模之間的碾壓和摩擦。圖1所示為平模式碾壓原理圖。模輥間隙δ是顆粒成型的關鍵。間隙過大時，碾壓輥對原料的擠壓力變小，原料無法從成型孔流出，使原料堆積在成型室內，最終導致成型機被堵死。間隙過小，喂入原料量少，生產率低，能耗高[5-6]。
根據不同的模輥間隙δ，物料在輥道上的平鋪厚度h也會嚴重影響生物質成型。h過小造成生產率低，過大同樣也會造成堵模死機。
研究物料厚度對生物質成型過程的影響，本文選取玉米秸稈、小麥秸稈、花生殼和油菜秸稈進行實驗。模輥間隙為0.3mm，主軸轉速為120r/min，平模上成型孔直徑為8mm[7-8]。將物料厚度與每噸顆粒能耗、成型率的關系繪成圖2和圖3的曲線。
圖2顯示，能耗隨物料厚度增加而減小，到達一定值后又向相反方向變化。每一種物料各有一個與能耗最小值對應的物料厚度。相同厚度的各種物料能耗相比較，油菜秸稈的最大，花生殼的最小。其原因是花生殼的木質素含量最大，而油菜秸稈的木質素含量最小。
圖3顯示，成型率隨物料厚度的增加先增大后減小。由于模輥間隙是固定的，當物料較少時碾壓力會很小，不利于物料從平模底部成型孔中流出。隨著物料量的增加，碾壓力增大，成型率上升。物料增加到一定量時，處于厚度中間部位的物料無法得到充分碾壓，所以成型率出現了下降。由于花生殼的木質素含量最大，在碾壓過程中，花生殼木質素軟化后提供的內部粘結力會大一些，成型相對會容易一些，其成型率相對較高。
從圖2、圖3得出，充分發揮木質素的粘結性是提高生物質成型性能的關鍵。要促使木質素活化，必須對物料進行充分碾壓。物料厚度過小或過大都不利于生物質的成型。
2.2物料厚度優化
以噸能耗Q/kW和成型率η/%為優化目標，以物料厚度h/mm、模輥間隙δ/mm、模輥轉速n/（r／min）和木質素含量準/%為設計變量，設X=（x1，x2，x3，x4，)=(h，δ，n，h)。優化目標與設計變量之間關系模糊，至今沒有明確的函數公式來表達。優化目標函數采用如下形式：
根據生物質成型特點，設計安排了三因素四水平的正交試驗，試驗因素與水平見表1所示。運用正交試驗獲得實驗數據如表2所示
3變量式布料裝置
為精確控制布料厚度，本文設計的一種新型料布料裝置，結構如圖4所示。
連接座2通過螺紋連接固定在成型機旋轉座上，隨壓輥一起旋轉，其內部設計為錐形，便于物料從其內部流出。布料管1末端做成鴨嘴狀，隨連接座做圓周旋轉，在旋轉過程中將物料均勻地平鋪在滾壓道上。靜止接頭5通過軸承6與連接座連接，當連接座旋轉時，靜止接頭固定不動，這樣可與上料管可靠連接，完成原料輸送。靜止接頭5通過輸料管與氣動物料輸送泵相連接。為保護固定軸承，上方加一上蓋4，下部加一陶瓷密封3，同時防止物料泄露。
該布料裝置在平面內布置如圖5所示。兩根布料管交錯間隔設置在碾壓輥的正前方。物料平鋪到輥道上，碾壓輥和二次碾壓輥隨后順序對生物質進行碾壓成型。在生產過程中可根據碾壓情況隨時調整布料厚度和速度。
與現有技術相比，本裝置設計合理，其優點：實現物料均勻地平鋪在平模輥道上，便于生物質的充分碾壓；實現即時上料，減少平模上方及頂部料斗內的物料，節省能源消耗；物料均勻布置，保證碾壓輥所受徑向力和摩擦力的均勻，防止旋轉軸剪切折斷，提高設備使用壽命；采用氣動物料輸送泵，減小設備頂部的料倉，輸送泵放置在地上完成地面物料的輸送，減少了設備的整體高度；通過操控閥控制物料輸送速度、出口壓力和輸送量，可實現間歇式或連續式送料。
以玉米秸稈為例，在普通平模碾壓成型機加上該布料裝置后進行噸能耗和成型率試驗。圖6是每噸生物質成型顆粒所產生的能耗，從圖6中看到，不論碾壓輥轉速為多少，使用精準均勻布料方式噸能耗下降了5%～6%。圖7為顆粒成型率，使用可控式均勻布料方式成型率提高了3%～4%。
4結論
生物質成型過程是填隙流和剪切流的混合，會產生大量熱量，而木質素在這一溫度變化過程中被軟化，木質素的軟化為生物質微粒的團聚提供了粘結力，充分激活木質素的活化性是提高顆粒成型率的一個關鍵。對物料進行充分的碾壓可產生大量熱能，進一步提高木質素的粘結性。
本文研究設計的精準布料裝置通過氣壓輸送和布料管的旋轉運動，可實現均勻精準布料，保證了物料被充分碾壓。可進一步提高生物質成型率4%左右，降低能耗6%左右。同時減小壓輥的徑向受力的波動，提高設備使用壽命。
參考文獻
[1]盛奎川，吳杰.生物質成型燃料的物理品質和成型機理的研究進展[J].農業工程學報，2004，20(2):242-245.
[2]汪建文.可再生能源[M].北京：機械工業出版社，2011.
[3]陳立祥，章懷云.木質素生物降解及其應用研究進展[J].中南林學院學報，2003，23(1):79-85.
[4]路瑤，魏賢勇，宗志敏，等.木質素的結構研究與應用[J].化學進展，2013，25（5）：838-858.
[5]羅娟，侯書林，趙立欣，等.生物質顆粒燃料燃燒設備的研究進展[J].可再生能源，2009(12):90－95.
[6]霍麗麗，田宜水，孟海波，等.模輥式生物質顆粒燃料成型機性能試驗[J].農業機械學報，，2010，41（12）：121-125.
[7]杜紅光，董玉平，王慧，等.生物質冷壓成型模具摩擦熱分析[J].農業工程學報，2011，27(9):58-62.
[8]孫清，白紅春，谷士艷，等.水稻稈顆粒冷壓成型工藝條件優化[J].農業機械學報，2009，40(8):100-104.
[9]李汝莘，耿愛軍，趙何，等.碎玉米秸稈卷壓過程的流變行為試驗[J].農業工程學報，2012，28（18）：30-35.
[10]王剛，萬敏，劉虎，等.粒子群優化模糊系統的銑削力建模方法[J].機械工程學報，2011，47(3)：121-130 |
