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郝玲，祖宇，董良杰
(吉林農業大學，吉林長春130118)
摘要：從模輥式生物質燃料成型技術的起源、設備類型與特點以及影響因素、成型機理、設備和關鍵部件的研究現狀等方面進行了總結，分析了模輥式生物質燃料成型技術與設備的發展潛力、遇到的問題及研究成果，并對今后研究方向及設備結構的優化提出了看法。
在全球的能源危機和生態環境不斷惡化的雙重壓力下，生物質能作為一種既清潔又可再生的能源受到了世界各國的關注，開發生物質能取代常規能源已刻不容緩。全球豐富的生物質資源是未來能源強有力的后盾，但據調查顯示每年光合作用產生的約1700億t生物質其利用量僅占總量的1%。因此，如何開發生物質能燃料并對其進行高效的轉換和利用已成為當今社會一個重要的研究課題[1]。
模輥式生物質燃料成型技術是生物質能的預處理技術——固化成型技術中的一種。模輥式生物質燃料成型技術利用壓模與壓輥之間的摩擦力與擠壓力在常溫下使粉碎后的生物質原料不斷的被壓緊，進入模孔后顆粒位置及其間隙重新排列并發生機械變形和塑性變形，經歷成型、保型等過程，最終被壓縮成為形狀規則、密度較大、燃燒值較高的塊狀或顆粒狀高密度成型燃料[2]。模輥擠壓成型技術以其產量高、能耗相對螺旋擠壓和活塞沖壓技術低等特點在生物質固化成型技術中脫穎而出[3]，成為了當前研究和開發的熱點[4]。模輥式成型設備加工工藝多屬冷壓成型加工工藝，與熱壓成型工藝相比減少了環境污染且效率高，其能夠適應的原料廣，設備的系統結構簡單、體積小、重量輕、可移動性強，顆粒成型能耗低、成本低，能夠得到較好的應用和推廣[5]，開展模輥式生物質燃料成型技術及設備的研究具有重大的現實意義。為此，筆者綜述了模輥式生物質燃料成型技術的起源、設備類型與特點以及影響因素、成型機理、設備和關鍵部件等方面的研究進展，并對今后的研究方向和設備結構的優化提出了建議。
1模輥式生物質燃料成型技術的起源
生物質顆粒燃料的模輥擠壓成型技術是在顆粒飼料生產技術基礎上發展起來的，但由于其壓縮的原材料性質和產品用途的不同，顆粒飼料生產技術中的研究一般不可應用到顆粒燃料的生產中[6]。國外生物質燃料成型技術發展非常早，從20世紀40年代已初具規模[5]。隨著技術的不斷發展，20世紀70年代初美國成功研發了環模擠壓式顆粒成型機，隨后瑞士、瑞典、西歐的比利時、法國、德國等國也都相繼開始重視壓縮成型燃料技術的研究，并研發模輥擠壓式顆粒成型機[7]。20世紀70年代后期在歐洲和東南亞國家使用較為廣泛的顆粒燃料成型機是由德國卡爾公司研發出的動輥式平模制粒機，其成品產量大、質量好、密度大且能耗低。20世紀80年代日本擁有了采用環模顆粒成型機加工木屑成型燃料的大型生產企業[3]，并進行了生物質壓縮過程的試驗研究，分析了工藝參數和結構參數對成型質量及動力消耗的影響，并通過改進使生物質壓縮成型技術更加的實用化[8]。與國外相比，我國對成型燃料的研究較晚，與發達國家有一定差距。從20世紀80年代開始，南京林業化工研究所才設立了對生物質致密成型機及生物質成型理論的研究課題[9]。
隨后國家林業局在1994～1998年期間實施“林業剩余物制造顆粒成型燃料技術研究”項目，以木屑和刨花為主要原料開發出了顆粒燃料成型機；農業部結合我國實際情況在2000年對引進的德國卡爾公司的38-780型大型平模制粒機進行了多處技術改進和創新，研制出了具有自主知識產權的SZLP-780型平模制粒機[3]；進入21世紀后，隨著農村經濟的發展和國家糧食補貼政策的實施，生物質成型技術和設備的研究得到了較好的支持與發展。總的來說，國外的技術及設備已成熟并形成產業化，具有工藝先進、專業化程度高、操作自動化程度高等優點，而我國真正壽命長、低能耗并適用于多種原料的成型設備非常缺乏[10]。
2模輥式生物質燃料成型設備的類型及特點
目前模輥式燃料成型設備有環模機和平模機2種，其中環模成型機多為臥式；平模成型機則一般為立式。環模成型機產量大、能耗低，但由于結構的限制，其壓力不可調，使得設備主要工作部件磨損嚴重，更換部件成本高。平模顆粒機由于轉速低，使其可壓制密度較大的顆粒燃料，簡單的結構使其壓力可調，壓輥的半徑不受模具的限制，加大了軸承承受力，提高了設備的壽命，壓力大，對原料的適應性廣[11]。
模輥擠壓成型設備主要結構有定平模式成型機、定環模式成型機和動環模式成型機3種，模孔形狀的不同則可生產出塊狀或顆粒狀的成型燃料。定平模式成型機用于生產顆粒狀燃料；定環模式成型機既可生產顆粒狀燃料又可生產塊狀燃料；動環模式成型機用于生產塊狀燃料。定平模式成型機設備根據其部件的運動狀態有動輥式、動模式、模輥雙動式3種，較大機型一般用動輥式。隨著技術的不斷改進，錐輥式成型機的出現改善了直輥式成型機的工作原理，使得其輥上各處線速度相等，無額外的摩擦力，減少了模輥之間輥的差速運動造成的摩擦，降低了模的磨損度，所以按其壓輥部件的不同又分為直輥式和錐輥式成型機。
3影響因素
原料特性、成型壓力、溫度、設備的性能及其結構參數等是影響生物質壓縮成型、顆粒燃料品質、成型率、產量及能耗的主要因素。
原料的特性包括種類、含水率、粒度大小和均勻性。原料種類不同，其壓縮成型特性有很大差異，如木材廢料較難壓縮，而纖維狀的植物秸稈易壓縮，但經高溫作用后木材中的木質素能起到粘結劑的作用，比纖維狀的秸稈植物易成型，原料種類的不同會影響到成型顆粒的密度、強度、熱值等，且影響成型機的產量及動力消耗；原料的含水率在模輥式成型技術中要求較寬，含水率在10%～40%，最佳含水率為18%；原料粒度大小和均勻性不僅影響顆粒燃料的成型質量還影響成型機的效率、產量及能耗，研究表明原料粒度越大成型機效率越低，能耗越大，產量越小，而原料粒度差異大時，易導致成型物表面有裂紋的產生，使其密度和強度降低，最適宜的粒度在10mm左右[12－15]。
成型壓力是植物材料壓縮成型最基本的條件。原材料被施加足夠的壓力后才能夠成型，壓力不足時將不能成型，而壓力到達一定值后繼續增加，成型燃料密度的增加會變得緩慢。
溫度在原料成型過程中起重要作用。在模輥式成型設備的工作過程中，模輥的相互摩擦及高壓作用會使生物質燃料的溫度迅速升高，溫度的升高既使原料中含有的木質素軟化，起到粘結劑的作用，又使原料本身變軟，變得易壓縮。
設備性能參數主要有模輥間隙、主軸轉速等。模輥間隙對成型率影響很大，間隙越大，成型率越低，且最優值為0.2mm。主軸轉速對生產率、能耗影響較大，轉速越快，生產率越大，能耗降低；對成型燃料品質影響不大[16－18]。
設備結構參數主包括壓輥、壓模和模孔的結構參數。壓模的孔形、厚度、開孔率以及模孔的排列方式、長徑比對結構強度及使用壽命有很大影響，且直接影響制粒質量、生產率及能耗。壓模的孔徑太小、厚度太大會使生產效率降低，且增加其成本費用，但如果孔徑太大、厚度不夠就會使成型顆粒密度松散，影響成型燃料的質量；開孔率的選擇要在保證壓模結構強度的條件下盡可能的增加開孔率來提高生產率；不同類型的原料選用的模孔長徑比不同；此外，環模孔的形狀對環模強度的影響較大；橢圓孔環模的強度是圓孔環模強度的1.5倍，但其加工工藝困難，一般不用于實際生產[19]。
4國內外成型機理的研究現狀生物質壓縮成型機理的研究對于成型技術和設備的研究和開發具有引導作用。國內外許多學者都對生物質壓縮成型機理進行了試驗研究或數值模擬。在壓縮成型機理的宏觀方面，Jens等[20]建立了物料通過環模模孔時的擠壓力模型，并進行了試驗驗證；在微觀成型機理方面，Lindley等[21]認為生物質成型制品的密度和強度雖然與含水率、壓力、溫度以及添加劑等因素有關，但生物質成型物內部的成型機制都可用5種粘結力(固體顆粒橋接或架橋、非自由移動粘結劑作用的粘結力、自由移動液體的表面張力和毛細壓力、粒子間的范德華力或靜電引力、固體粒子間的充填或嵌合)中的1種或1種以上的粘結力來解釋[22]，但未對微觀機理進行深入探討和研究[23]。
王冬梅等[24－25]利用AN-SYS軟件對擠壓過程進行了有限元模擬，通過研究壓縮成型過程中荷載的變化規律，得到了整個成形過程中制品內部應力應變的演化過程。高建輝[26]推導出了生物質彈塑性變形的本構方程，重點研究了生物質成型過程中的形變、流變規律。陳曉青[27]研究了生物質成型過程中的木質素粘結作用、粒子結合方式、水分含量和電勢變化4個方面。吳云玉等[28]對環模固化成型壓縮階段的微觀成型機理進行研究，建立了從宏觀到微觀的過渡成型機理，強調了壓縮過程中纖維素和半纖維素的“鋼筋”骨架作用，揭示了生物質固化成型燃料燃燒值高、燃點低的原因；并通過利用有限元軟件Ansys對生物質成型過程的模擬，證明了生物質固體成型微觀機理的正確性。
5國內模輥式成型機成型設備及關鍵部件的研究現狀
我國對秸稈類顆粒燃料的成型技術及設備的研究較多，但對木質類作為原料的顆粒燃料成型設備研究還很缺乏[5]，且為了提高設備的利用率，一般在生產飼料顆粒的同時兼顧生產顆粒燃料，這樣的設備結構簡單、成本低，但有其局限性，產量低，并且生產出的顆粒密度較低。模輥式成型機最突出的缺點表現在主要工作部件磨損大、壽命短、機器故障率多等方面。目前研制的輥模碾壓生物質顆粒成型機有北京盛昌綠能科技有限公司秸稈顆粒全自動生產線、上海申德機械有限公司秸稈顆粒全自動生產線、山東諸城恒基機械制造有限公司秸稈顆粒全自動生產線、吉林省華光生態工程技術研究所秸稈平模造粒機ZLJ-300、ZLJ-1000、黑龍江雙贏再生能源有限公司PMJ250、HMJ350型顆粒成型機[29]。國內許多學者認為平模成型機相對于環模成型機有許多優勢。
趙明杰等[2]在加工生物質燃料顆粒的過程中研究平模制粒機的各工作部件特性時指出，平模制粒機寬敞的喂料室及其依靠重力的自然喂料方式都優于環模制粒機，動輥式平模制粒機的平模固定在基座上的方式提高了成型率，平模正反兩面可用大大降低了成本[2]。但平模成型機轉速沒有環模成型機快，所以產量小，但由于壓制的顆粒密度大，所以耗能量也多[23]。但肖宏儒等[3]仍指出，今后秸稈成型燃料加工技術的發展在實用性方面將以冷成型壓縮技術為主，在高效和低863安徽農業科學2012年使用成本方面將以平模式壓制技術為主，并指出平模壓縮成型技術的優點在于原料適應性廣、產量高、噸料耗電低、輥模壽命長、成型密度可調。
環模、平模、壓輥是影響生物質成型設備成型質量的關鍵部件，也是最易損壞的部件，其結構參數不僅直接影響著成型顆粒的質量，而且對生產能耗、環模、平模和壓輥的結構強度、壽命、主軸受力等也有重要影響。通過對成型設備關鍵部件的截面尺寸、長徑比、成型角度、材料等進行理論分析和數值模擬，可實現提高成型質量、擴展原料適應范圍、降低生產能耗、延長使用壽命的設計目標。
5.1環模成型機關鍵部件的研究與設計現狀
劉謙儒[30]在對環模與壓輥間的壓力分布進行了分析之后，對壓輥與壓模的尺寸選擇進行了介紹。黃傳海[31]從強度合理與否的角度對環模的壽命進行了分析。鄧勇等[32]應用uG、Ansys軟件對環模進行了有限元分析，分別對其施加均勻載荷與非均勻載荷，得出了“環模不規則磨損是由于飼料軸向分布不均造成的”的結論，其獲得的環模沿軸向路徑的應力與應力強度的數據為延長環模使用壽命提供了重要參考。王敏[33－34]分析了環模制粒機的主要技術參數并介紹了延長制粒機壓模使用壽命的方法。
申樹云[6]利用Ansys軟件對環模的數值進行模擬，得到了環模的溫度場、應力場分布規律，并對環模孔的基本尺寸從強度角度進行了模擬分析，得出“模孔長徑比為5∶1時應力最小”的結論。吳云玉[19]研究環模的失效形式和失效機理以及影響失效的因素，確定了環模的主要失效形式—接觸疲勞失效。通過有限元分析研究了不同孔徑、不同排列方式和不同模孔數的環模不同溫度下的疲勞壽命，發現模孔交替排列的環模壽命要比模孔平行排列的環模壽命長。
5.2平模成型機關鍵部件的研究與設計現狀
鄭建龍[35]分析了平模直輥顆粒飼料機壓輥及模板的運動后，改進結構使磨損減輕。陳義厚[36]對三錐輥式平模制粒機模輥間隙大小對制粒機制粒性能參數的影響進行了分析和探討，給出了實際生產過程中模輥間隙的參考值。趙明杰等[2]從運動分析和受力分析方面對平模直輥的滑動作用進行討論后得出直輥式成型機滑動作用的存在從一定程度上增加了模輥的磨損，但也增加了成型機的擠壓性能，提高了顆粒燃料的質量；并解釋了“當環模制粒機和平模制粒機加工相同原料、相同規格的產品時，平模機的模板厚度遠薄于環模厚度；平模的中間幾圈模孔出料快，越是里圈和外圈的模孔出料越慢，且顆粒越堅硬，品質越好”的現象。
黎粵華等[37]建立了平模顆粒燃料成型機中物料受壓輥擠壓過程的力學模型，通過分析得到了其擠壓力、主軸功率及壓輥與平模半徑比的理論計算公式；并對壓輥的運動進行了分析，將其設計成錐體進行磨損試驗，驗證其改善了平模成型機的性能，具有極大的實用價值。景果仙等[38]通過Pro/Mecanica軟件模塊，對成型孔的變形、應力進行了分析仿真，為成型孔結構的設計提供了力學上的依據。
6展望與建議
國內外對環模的研究較多，而對于平模的研究則相對缺乏。根據平模相對于環模的各種優點，結合我國國情以及生物質固化成型技術向小型化、可移動化發展的必然趨勢，筆者認為平模固化成型設備具有一定的發展和推廣潛力，所以應加大對平模成型機結構的進一步研究及優化設計并改善成型工藝。通過技術和設備的研發，提高生產率，降低能耗，減少模輥的磨損，提高使用壽命，從而有力推動生物質成型燃料生產產業化進程。成型機的運轉穩定性包括多方面因素，國內外對生物質模輥式生物質燃料成型技術主要集中在物料特性、成型機理、加工工藝、對成型制品品質、生產率、節能降耗、機器壽命的影響；對于設備的制造工藝、結構設計、失效分析等多是實踐經驗的積累，理論研究相對較少。雖然對模輥式生物質燃料成型設備的關鍵部件做了較多研究，并得到了一些成果，對設備的結構優化起到了積極作用，但磨損嚴重始終是目前無法克服的難題。磨損是成型過程中材料和能源消耗的主要方式，由于模輥式生物質燃料成型設備工作過程中主要依靠的是擠壓力與摩擦力，因此，研究磨損和不斷發展新的耐磨材料和耐磨工藝才是解決問題的根本所在。此外，磨損失效的實質也是力學失效，力學性能的研究對于生物質顆粒成型機的磨損分析、結構參數的優化及節能降耗具有重要意義。
生物質成型技術及設備的落后也造成了我國的生物質成型燃料價格過高。沼氣協會秘書長李景明在中國能源網記者的專訪中提到，目前我國以生物質致密成型技術生產的顆粒成型燃料，由于其原料經收集、運輸、儲存、生產等環節，最后顆粒燃料價格高達600元/t，按照熱值、效率其價格最終要高于煤炭。針對目前存在的問題，筆者對今后的研究方向及設備結構的優化提出了4點建議：①根據我國國情，大力開發平模生物質燃料成型設備，使操作簡單、方便；改善加工過程，使之實現自動化和連續化。②針對目前成型設備關鍵部件磨損嚴重的問題，在前人研究的基礎上開發新型材料，改進設備的制造及加工工藝，降低部件的磨損率，以減少成本和能耗。③結合最先進的技術和方法分析成型設備的力學特性，從結構上降低磨損、能耗及成本，并對整機進行優化。④目前雖然也有學者對生物質成型燃料做過經濟效益分析，但尚未有對生物質燃料成型設備進行過全面的經濟可行性效益分析。綜合考慮設備成本及部件更換與維修費用、能源消耗費用、原料的收集、儲存以及加工生產費用、銷售費用、燃料產品價格等。
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