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霍麗麗1，2，田宜水2，孟海波2，趙立欣2，侯書林1
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所，北京100125)
摘要：針對模輥式成型機(jī)在生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料過程中存在能耗高等問題，以玉米秸稈為原料，研究成型機(jī)模輥間隙、主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑等參數(shù)對生產(chǎn)率、噸燃料能耗、顆粒燃料的成型率、機(jī)械耐久性和顆粒密度等的影響。結(jié)果表明：模輥間隙僅對成型率有影響，間隙為0.2mm最優(yōu)。噸燃料能耗和顆粒密度隨主軸轉(zhuǎn)速增大而減小；模孔直徑大，生產(chǎn)率高，噸燃料能耗低，顆粒密度小；為保證生產(chǎn)率，主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)大于等于160r/min。不同因素試驗(yàn)，顆粒燃料的成型率大于95%，機(jī)械耐久性大于96%，均符合生物質(zhì)顆粒燃料要求。
引言
生物質(zhì)顆粒燃料作為一種優(yōu)質(zhì)的可再生能源，既能作為農(nóng)村炊事爐具、采暖爐或工業(yè)鍋爐等的良好燃料，又可為電廠提供清潔燃料；不僅有效解決了農(nóng)村用能問題，而且也有利于改善農(nóng)村環(huán)境，目前在我國正全面推廣。
生物質(zhì)成型主要分為模輥式、螺旋式、柱塞式等方式。由于生物質(zhì)模輥式成型機(jī)具有生產(chǎn)率高、成型好(成型率大于95%)，可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，與螺旋式、柱塞式成型機(jī)相比，工作狀態(tài)更加穩(wěn)定，對物料的適應(yīng)性好，并且其加工方法滿足燃煤電廠對生物質(zhì)成型燃料均勻要求，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)的自動上料，是目前發(fā)展的重點(diǎn)。但該類機(jī)具還存在著能耗高等問題。
目前，國內(nèi)外模輥式成型機(jī)研究僅針對原料的種類、粒度及含水率等工藝參數(shù)。對于以玉米秸稈為原料的模輥式成型機(jī)的主要參數(shù)對成型的影響等研究較少。機(jī)具參數(shù)的研究主要集中在螺旋式或柱塞式成型機(jī)原理上，模輥式成型機(jī)的成型原理與螺旋式、柱塞式差別較大，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計不同，上述研究并不適用于模輥式成型機(jī)。
本文以玉米秸稈為原料，對生物質(zhì)模輥式成型機(jī)的主要參數(shù)(模孔直徑、主軸轉(zhuǎn)速、模輥間隙等)進(jìn)行試驗(yàn)，研究其對成型機(jī)的生產(chǎn)率、噸燃料能耗、顆粒燃料的成型率、機(jī)械耐久性和顆粒密度等指標(biāo)的影響規(guī)律，為模輥式成型機(jī)的設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。
1材料與方法
1.1試驗(yàn)設(shè)備與原料
北方地區(qū)玉米秸稈原料極為豐富，因此本試驗(yàn)選擇北京市大興區(qū)禮賢鎮(zhèn)生產(chǎn)的玉米秸稈為原料。采用模輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)，其主要工作部件是水平圓盤壓模和與其相配的壓輥，如圖1所示(D為模孔直徑，X為模輥間隙)。工作時電動機(jī)帶動壓模轉(zhuǎn)動，通過模輥與物料間的摩擦力使壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)，將物料鉗入、擠壓，最后成圓柱狀從模孔中被連續(xù)擠出，再由安裝在出料口處的固定切刀切成一定長度的顆粒燃料。在該機(jī)工作過程中，由于壓輥與壓模之間存在相對滑動，可起到磨碎原料的作用，所以允許使用粒徑稍大些的原料。其中，模輥間隙、主軸轉(zhuǎn)速等可調(diào)，且可更換不同孔徑的壓模板。試驗(yàn)用顆粒燃料成型機(jī)額定生產(chǎn)率80kg/h；主軸電動機(jī)功率11kW；主軸最大轉(zhuǎn)速200r/min；調(diào)頻器50Hz。
其他試驗(yàn)設(shè)備與儀器有粉碎機(jī)(篩孔徑8mm)、秒表、臺秤(精度5g)、二分器、1011A型電熱鼓風(fēng)干燥箱、PL2002/01型電子天平(精度0.01g)、BSA223SCW型分析天平(精度0.1mg)、KER2400型轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)機(jī)、SZ114型標(biāo)準(zhǔn)自動振篩機(jī)、MH200E型電子比重計(精度0.001g/cm3)等。
1.2試驗(yàn)方法
1.2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備
首先將玉米秸稈粉碎，粒度小于8mm的放入振動篩進(jìn)行篩選，振動30s后，測其粒度。試驗(yàn)原料分三批粉碎，分別用于6、8、10mm模孔直徑試驗(yàn)使用，如表1所示。可以得出：不同批次原料粒度基本一致。原料粉碎后，大于6mm原料占總量不到10%，粒度在3~6mm之間的約占20%，小于3mm粒度大于70%，能夠滿足成型要求。將粉碎后的秸稈原料自然風(fēng)干或調(diào)濕處理，達(dá)到適宜成型的含水率，裝入密封袋備用。試驗(yàn)原料含水率控制在20%左右。而6mm孔徑在原料含水率20%試驗(yàn)時，極易堵模，因此原料含水率略高。
采用模輥式生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，按照CEN/TS14778—12005固體生物質(zhì)顆粒燃料取樣方法取樣，測量并記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
1.2.2試驗(yàn)指標(biāo)及測定方法
(1)生產(chǎn)率。正常生產(chǎn)過程中，在成型機(jī)出口處每隔5min接取顆粒一次，然后稱量。考慮到原料含水率不同，計算中增加含水率系數(shù)。計算式為
(5)顆粒密度。一般要求成型燃料顆粒密度大于1.0g/cm3。根據(jù)阿基米德排水法原理，利用電子比重計直接測量得出數(shù)值。
生產(chǎn)出的顆粒燃料在實(shí)驗(yàn)室平鋪放置2~3h，待完全冷卻后取樣，測量成型率、含水率、機(jī)械耐久性和顆粒密度等。
1.2.3試驗(yàn)設(shè)計
生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的性能參數(shù)主要包括主軸轉(zhuǎn)速、模孔直徑與模輥間隙等。為考核成型機(jī)性能和顆粒燃料質(zhì)量，將主軸轉(zhuǎn)速、模孔直徑、模輥間隙作為試驗(yàn)因素，考察其對生產(chǎn)率、噸燃料能耗、成型率、顆粒燃料的機(jī)械耐久性及顆粒密度的影響規(guī)律。選擇主軸轉(zhuǎn)速0~200r/min，間隔20r/min；模輥間隙0~1.5mm，間隔0.1mm；選擇6、8、10mm模孔直徑的壓模分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。首先進(jìn)行模輥間隙試驗(yàn)，分析模輥間隙對所選指標(biāo)的影響規(guī)律，然后選用最佳值進(jìn)行不同主軸轉(zhuǎn)速與模孔直徑試驗(yàn)。
2結(jié)果與討論
2.1模輥間隙的影響
模孔直徑8mm、主軸轉(zhuǎn)速160r/min時，模輥間隙對生產(chǎn)率、噸燃料能耗、機(jī)械耐久性、成型率的影響如圖2所示。隨著模輥間隙的增加，生產(chǎn)率下降，噸燃料能耗增加，當(dāng)模輥間隙大于1.5mm時，模孔已不出料，無法成型。其中，模輥間隙為0.2mm時，生產(chǎn)率最高，噸燃料能耗最低，為72kW·h/t。間隙過大時，壓輥對秸稈原料的擠壓力變小，使攫取能力變小，壓輥無法將料壓進(jìn)模孔內(nèi)，使原料在成型室內(nèi)越積越多，最終導(dǎo)致堵模死機(jī)。間隙過小時，喂入原料量少，生產(chǎn)率低，摩擦力大，導(dǎo)致噸燃料能耗高。
若安裝不當(dāng)，模輥之間可能有直接接觸表面，將加速模輥磨損，降低壽命。
模輥間隙在0~0.4mm生物質(zhì)顆粒燃料的成型率均大于95%，壓縮成型的生物質(zhì)顆粒燃料表面光滑，不易松散；在0.4~1.0mm之間，成型率逐漸下降，生物質(zhì)顆粒燃料表面偶有裂紋，成型率在90%~95%之間；大于1mm時，成型燃料表面變粗糙，裂紋增多，且壓縮后成型率小于90%，已不符合成型率要求。
模輥間隙對機(jī)械耐久性和顆粒密度影響不大，均能滿足機(jī)械耐久性大于95%和顆粒密度大于等于1.0g/cm3的標(biāo)準(zhǔn)要求。
綜上所述，模輥間隙的最佳范圍為0~0.4mm，其中0.2mm時最優(yōu)。
2.2主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑的影響試驗(yàn)
2.2.1生產(chǎn)率
模輥間隙為0.2mm時，生產(chǎn)率與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。在模孔直徑相同時，隨主軸轉(zhuǎn)速的增加，生產(chǎn)率增大。低轉(zhuǎn)速時，生產(chǎn)率增加較快；大于160r/min后生產(chǎn)率增加變得緩慢，其值為80~100kg/h。這是由于轉(zhuǎn)速過快時，壓輥對原料的擠壓力一定，一些原料無法快速擠入相應(yīng)模孔內(nèi)，而從壓輥齒兩側(cè)擠出，使生產(chǎn)率增加緩慢。
同一轉(zhuǎn)速下，模孔直徑越大，生產(chǎn)率越高，在轉(zhuǎn)速160r/min時，模孔直徑10mm的生產(chǎn)率比直徑6mm的提高了25%，這是由于孔徑大，被壓進(jìn)模孔的原料多，生產(chǎn)率相對較高。
但模孔直徑不易過大或過小，高速轉(zhuǎn)動下，孔徑過小則原料難擠入模孔內(nèi)，在成型室被摩擦的時間過長而產(chǎn)生熱量，原料水分蒸發(fā)較快，壓輥無法將原料順利壓出，導(dǎo)致模孔堵塞，嚴(yán)重時會產(chǎn)生放炮、顆粒炭化等現(xiàn)象。孔徑過大，在壓模厚度不改變情況下，成型率難以保證，且壓出的顆粒燃料易松散。
2.2.2噸燃料能耗
試驗(yàn)測得噸燃料能耗與主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑的關(guān)系如圖4所示，噸燃料能耗隨轉(zhuǎn)速增大而減小。轉(zhuǎn)速大于等于160r/min，生產(chǎn)率增加趨于緩慢，噸燃料能耗變化不大，同一模孔直徑下，噸燃料能耗變化量不超過10kW·h/t。低轉(zhuǎn)速時，單位時間擠出顆粒燃料質(zhì)量少，所需的電能較多，隨著轉(zhuǎn)速增大，生產(chǎn)率提高，燃料的出料速度加快，克服彈性變形的能量減小，噸燃料能耗逐漸減小。當(dāng)孔徑為10mm，主軸轉(zhuǎn)速為180r/min時，噸燃料能耗達(dá)最低值為71.4kW·h/t。
同一轉(zhuǎn)速下，模孔直徑越大，噸燃料能耗越低。轉(zhuǎn)速在160r/min時，模孔直徑10mm的噸燃料能耗比直徑6mm的減小了42kW·h/t。這是由于模孔直徑小，單位時間內(nèi)的進(jìn)料量少，擠壓困難，克服秸稈原料彈性變形所需噸燃料能耗較大。
2.2.3顆粒燃料成型率
模孔直徑和主軸轉(zhuǎn)速對成型率的影響如圖5所示。可以看出，主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑對成型率影響不大，成型率在95%~99%之間，滿足大于95%的要求。
2.2.4顆粒燃料機(jī)械耐久性
主軸轉(zhuǎn)速、模孔直徑對顆粒燃料的機(jī)械耐久性影響如圖6所示。主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑對顆粒耐久性影響并不顯著，顆粒燃料機(jī)械耐久性較好，均大于96%，符合顆粒燃料要求。主軸轉(zhuǎn)速180r/min，模孔直徑8mm時，顆粒燃料機(jī)械耐久性最好，最佳值為98.3%。
2.2.5顆粒密度
主軸轉(zhuǎn)速、模孔直徑對顆粒燃料密度的影響如圖7所示。顆粒密度變化范圍為1.1~1.2g/cm3，均符合顆粒燃料的要求。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，顆粒密度略有下降。模孔直徑小，則顆粒密度大。這是由于轉(zhuǎn)速增大，模孔直徑大時，出料速度快，原料在模孔內(nèi)的擠壓時間短，擠出顆粒較松散，致使顆粒密度小。反之，主軸轉(zhuǎn)速小，模孔直徑小，出料慢，被擠壓時間久，壓輥與原料間摩擦作用加劇而產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致原料中所含木質(zhì)素軟化，粘合力增大，粒子易被壓縮成型，顆粒較密實(shí)。
3結(jié)論
(1)模輥間隙對成型率有顯著影響，對其他指標(biāo)的影響不顯著。間隙越大，成型率越低。間隙最佳取值范圍0~0.4mm，最優(yōu)值為0.2mm。
(2)主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑對生產(chǎn)率、噸燃料能耗影響較大。隨著轉(zhuǎn)速增大，生產(chǎn)率增大，噸燃料能耗減小；模孔直徑大，生產(chǎn)率高，噸燃料能耗低。為保證生產(chǎn)率，轉(zhuǎn)速取值應(yīng)大于等于160r/min。為使噸燃料能耗較低，模孔直徑應(yīng)取較大值10mm。
(3)各因素對顆粒燃料機(jī)械耐久性影響不顯著，均符合顆粒燃料的標(biāo)準(zhǔn)要求。
(4)主軸轉(zhuǎn)速和模孔直徑對顆粒密度均有一定影響，但影響不大，顆粒密度均大于1.1g/cm3。若對顆粒密度要求較高，則主軸轉(zhuǎn)速值應(yīng)取較小值，選模孔直徑較小的壓模。若對顆粒燃料僅為一般要求，則盡可能增加主軸轉(zhuǎn)速，選取模孔直徑較大的壓模。 |
