白陽，閆文剛，劉志剛

（內蒙古工業大學機械工程學院，內蒙古呼和浩特010051）

　　摘要：介紹了生物質燃料成型機主要成型方式，以及幾種生物質成型機的工作方式并對其性能進行對比，針對現有的成型方式進行分析，將開式成型和閉式成型進行比較，并提出希望在未來成型機的設計中應多使用閉式成型方式，以及結合閉式成型的優勢對生物質成型燃料的市場化提出一些見解。

　　隨著科學技術的迅速發展，能源一直是各國關心的重要問題。煤和石油等化石能源，雖然為人類提供著高效、便捷的能源輸出，但是過多的開采和使用傳統化石能源的弊端正在逐漸顯露^[1]。由于化石能源是不可再生的，隨著人們不斷的開采，必定會枯竭，而且近些年來我國北方地區嚴重的霧霾天氣，也促使著人們去尋找其他可以替代傳統化石燃料的有效能源。

　　生物質能源就是一種可再生的清潔能源，其中使生物質成型燃料代替燃煤是目前的主要研究方向之一^[2]。由于近些年環境污染的日益嚴重，為了保護生態環境、保障人們的身體健康，國家相繼出臺了相關規定，如禁止燃燒農作物秸稈以減少空氣污染。但是，將秸稈加工成生物質成型燃料，體積能縮小七成以上，能量密度是原材料的10倍左右，發熱量可達3500～5000kcal/kg，且貯存、運輸方便，顯著的特點是燃燒穩定，燃燒持續時間延長，熱效率利用高，生物質成型燃料還具有灰分含量低，硫含量低等有利于環境保護的特點，而且成本低可再生，原材料在我國分布廣泛，便于利用^[3－6]。所以，對生物質成型燃料領域的研究和發展體現了我國可持續性發展的戰略思路。

　　1成型原理的應用的現狀

　　通過查閱資料，我國的生物質成型燃料在總體性能上要低于國際領先水平，這主要是因為原材料成分組成的不同，我國成型燃料普遍使用的是秸稈類的農作物原料，其在物理特性上就不及歐洲廣泛使用的木質原料。但是其加工成型的生物質燃料的堆積密度、機械耐久性等物理特性方面卻非常優異，這表明我國已經在秸稈型成型燃料成型技術中達到國際水平^[7]。

　　生物質成型燃料具有運輸方便、清潔衛生、燃燒效率高、符合碳循環的理念等優點，是一種理想的可再生能源，并且近些年在我國得到了快速發展^[8]。

　　現在主要的生物質成型技術可分為壓輥成型、螺桿致密成型和柱塞致密成型^[9－10]。其中壓輥成型多采用冷壓成型工藝，這種成型方式主要以生產生物質成型顆粒為主，具有生產效率高、成型率高、生產連續性好等優點，但在生產過程中容易出現模具成型孔堵塞的情況，且是利用摩擦方式進行加工，所以成型部件的磨損比較嚴重。螺桿致密成型多采用熱壓成型工藝，該成型方式具有運行穩定、生產連續性好、可加工原材料的范圍廣泛，但這種設備的主要缺陷是磨損嚴重和能耗較高。柱塞沖壓成型也多以熱壓成型為主，其克服了螺桿式磨損嚴重的缺陷，且加工得到的成型燃料品質較好，但具有生產連續性差的缺點，這也是其生產率較低的原因^[11]。

　　所以，近些年我國相關高校及企業，結合以上每種成型方式的特點，針對生物質成型機的工作原理提出了多種設計方案。

　　1.1對輥式成型機

　　對輥柱塞式成型機，該設計是結合了柱塞式和壓輥式的特點，提出了一種外嚙合的對輥柱塞式成型機^[12－13]，如圖1所示。這種成型機是在普通壓輥上均布有柱塞結構，這樣在成型機工作時，壓輥上的柱塞就會與環模上的?？紫鄧Ш?，有效的降低了傳統壓輥式成型機靠擠壓和摩擦原料進行工作對部件產生的磨損，不僅提高了成型機的工作壽命還降低了生產能耗，而且在原料含水率15%的情況下，可以達到較好的生產標準。

　　GSＲ800型生物質燃料成型機^[14]，對傳統的壓輥式成型機進行改進，彌補了傳統壓輥的不足，提出并設計了壓輥行星輪系及分體式環模結構。利用行星輪機構使壓輥不僅隨主軸公轉，并且自身也在壓輥齒輪的作用下進行自轉工作，從而有效的降低了工作時的能耗，顯著提高了成型燃料的產品質量。

　　立式雙層孔環模生物質成型機^[15]，基于環模式成型機，為提高成型率及生產率，創新性的提出并設計實現了雙層?？捉Y構環模，且立式環模主要采用分體式環模模塊，這種設計不僅有效的增加生物質成型機成型孔同時工作的數量，提高生產率，還縮小了設備體積，降低能耗，對該成型機樣機各項性能測試皆證明了這種成型機性能的優異性。

　　壓輥式成型機的對比分析見表1。

　　關于在不封閉環境下的壓輥成型，劉平義[16]提出了多級式的壓輥成型方式。將原料從松散狀態通過逐級的壓縮、屈服，最終達到成型的效果。先通過喂入輥將原料進行初步壓縮，再通過壓縮輥進一步致密并使原料中的纖維屈服，最后通過成型輥壓縮成預定密度的燃料，為在不封閉條件下進行生物質致密成型技術提供了理論基礎。

　　付敏^[17]設計實驗的對輥式生物質壓塊機，采用的是現有成型機很少采用的閉式成型的方式。其工藝流程是由對原料進行壓縮、增壓、成型三步構成，其成型模具的成型槽設計為半橢球的凹槽，與另一個同樣設計的壓輥同步工作，可將初步壓縮過的原料加工成橢球狀的成型燃料，因為采用閉式成型的方式，所以加工過程中的摩擦阻力要低于其他壓輥式的成型機，從而有效降低能耗，生產每噸成型燃料的能耗約為38.8kW·h/t，明顯低于上述開式的壓輥成型方式。

　　1.2柱塞式成型機

　　三柱塞式生物質燃料成型機，采用傳統的柱塞式成型方式，對驅動部件進行了相應的改進，可有效利用能源，且提高了生產效率及穩定性[18]。其主要的創新結構為偏心盤，三個偏心盤通過主軸連接在電動機上，每個偏心盤各連接一個柱塞，這樣的設計不僅節約了工作時的能耗，還可以平衡振動，有效提高成型機的工作壽命，并且在通過虛擬樣機及物理樣機的分析后，確定了該設計方案的合理性及可靠性。

　　類似的設計方案還有使用在主軸兩側的安裝方式，通過凸輪機構驅動兩端的柱塞進行工作，也可以達到相同的加工效果^[19]。

　　斜盤柱塞式成型機^[20－21]，基于柱塞式成型機的設計思路，設計了將柱塞與平模相結合的成型方式，在工作的柱塞外部安裝有彈簧，并且按圓周均布安裝，斜盤設計為厚度不均勻的圓盤，作用類似于凸輪，主軸帶動斜盤的轉動將下方的柱塞壓下，對原料進行致密成型，隨后柱塞在彈簧的作用下恢復原位，進入下一循環開始工作。

　　柱塞式成型機對比分析見表2。

　　1.3螺桿擠壓式成型機

　　對于螺桿擠壓式的生物質成型機，其成型方式較前兩種比較固定，所以對螺桿擠壓式的成型機的研究方向主要集中在提高性能及降低能耗上。由于其存在磨損嚴重的缺陷，劉圣勇等人^[22]在對成型燃料的受力和運動進行分析后，通過將整體螺桿分拆為螺桿頭和螺桿主體，成型套筒拆分為成型活套和保型套筒的方式進行實驗，得出可以由可替換件代替傳統的一體式部件來提高使用壽命，并有效提高生產率。

　　另有專家提出多螺桿式的成型結構，對于雙螺桿結構，針對兩個螺桿[23]的旋向進行分析研究，提出了與傳統方式不同的反向螺旋的方式，解決了雙螺桿運行不平穩的情況。對不同的螺桿元件在加工過程中的作用以及用于進一步混合物料的捏合塊進行實驗分析，得出了捏合塊的錯位角為和時效果最佳^[24]。三螺桿的成型方式，姜南[25]對三個螺桿的位置及旋轉方向進行研究，得出了三螺桿可以有效增加嚙合區域，從而提高生產效率的結論。

　　其他創新性的成型機設計方案：

　　低成本手動式生物質成型機^[26]，這種成型機的設計理念是，利用人力來代替電力工作，且結構簡單，各零部件加工替換方便，在工作方式上，由轉動模具盤和柱塞擠壓結構兩部分組成，這兩部分需要使用者兩只手同時操作完成，一只手將模具盤的成型孔轉到柱塞下方，另一只手來進行柱塞沖壓，進而完成成型燃料的加工，然后重復工作循環，這樣的設計理念，不僅減少了成型機的制造成本，而且更適合投放到農村地區使用，既降低了運輸成本，還能減少農村地區直接在田中燃燒秸稈造成的空氣污染。

　　蜂窩狀生物質燃料^[27]，蜂窩狀生物質成型燃料成型密度高，燃燒更充分，與農村地區常用的煤爐契合度更高，且蜂窩狀的設計可以提高與空氣的接觸面積，充分燃燒，能夠滿足廣大農村地區日常生活的需要。

　　2目前研究中普遍存在的問題

　　通過對近些年的生物質燃料成型機進行分類研究，發現現階段的研究內容幾乎拋棄了閉式成型的加工模式，大部分的研究都是建立在以開式成型方式的基礎上，進而對開式的變徑成型孔進行深入的分析實驗。最為常見的就是變徑式的成型孔^[28－29]。

　　壓輥式的成型孔如圖2所示，其中P為成型孔對原料的軸向壓力，F為成型孔內壁對原料的摩擦力，P1、P2為成型孔內壁對原料的壓力，從圖中可以看出A區域中的成型孔是梯形區域，原料的受力關系應滿足：P≥P1·sinθ+P1·cosθ·μ，式中：μ為原料與成型孔壁之間的摩擦系數；B區域為圓柱形區域，原料在此區域中應滿足的受力關系為：P≥P2·μ，圖3所示為柱塞式和螺桿式的成型孔^[30]，兩者在對原料進行加工時的作用相近，都是利用成型孔的變徑部分對原料的擠壓來進行致密成型。所以經過虛擬樣機模擬和物理樣機的實驗顯示，在這種開式變徑成型孔的變徑處（C，D，F，G）磨損最為劇烈也是最先失效的地方^[31]。

　　可以明顯看出原料在兩個成型區域受力不同，且被壓縮的原料不能視為固體，而更傾向于密度不均勻的流體，再加上由于秸稈等原材料中木質纖維的影響，在成型過程中原料任意位置的彈性模量也各不相同，所以應力松弛的過程也會隨之改變，尤其在出料口E處，會由于彈性回復導致原料內部應力不均，進而導致加工的成型燃料的開裂，影響成型品質。

　　關于閉式成型的方式，雖然有著加工不連續而影響生產效率的缺陷，但是其優點也是顯而易見的^[32－33]，閉式成型的加工方式如圖4所示。壓縮過程中原料的受力關系為：P=F+P2，在保型過程中，受力關系為：P=P2，可以明顯看出原料受到各方向均衡的力，不同于開式成型只有對原料徑向的保型，閉式成型更符合麥克斯韋（[M][N]）應力松弛^[34－35]模型如圖5所示。其表達式為：

　　從式（1）中可以看出不同彈性模量和粘度的模型的應力松弛時間不同，這種閉式的成型方式有助于在保型過程中原料的彈性恢復，有可能使被加工的原料的內部應力在這一階段減少到最低，在成型燃料被推出成型倉后不會因為殘余的內部應力而松散開裂，成品率會有所提高，也是成型燃料外形美觀進而市場化的關鍵。

　　2.1主要工作部件的失效

　　無論是壓輥式的環模，還是螺桿擠壓式的螺桿頭及成型套筒抑或是柱塞式的變徑成型孔，都是實際生產過程中，最容易因磨損導致失效的部件，且這些部件在行業內沒有較為統一的生產制造規范，如果損壞，替換成本會很高，從而失去了通過生產生物質燃料達到節能的意義，所以在保證生產效率的基礎上，也要提高成型機的使用壽命。

　　2.2標準化程度不夠

　　我國是農業大國，所以成型燃料的原料多以各種農產品的廢棄物為主，以在生物質燃料成型中使用最廣泛的秸稈為例，不同地區、不同種類的植物秸稈的物理特性多有不同，所以成型方式和成型機理都不能一概而論，我國當前還沒有一套標準的成型機的制造規范。

　　2.3市場化程度低

　　本文中提到這些生物質成型方式，足以證明我國生物質燃料的成型技術已經有了很大的發展，無論基于哪種成型方式去設計成型機都具有一定的生產價值，且生物質燃料有顯著的經濟效益^[36－37]。但是，成型燃料的市場化及商品化的普及并不十分廣泛，且目前的成型燃料，無論是顆粒還是塊狀從外觀上不能被廣大消費者接受，便很難在日常領域推廣，這也在一定程度上阻礙著成型燃料的市場化。

　　3結束語

　　隨著科技進步，經濟的發展以及人們環保意識的提高，生物質成型燃料的作用也越來越重要，生物質固化成型技術的開發和研究也越來越成熟。目前，成型機工作部件的磨損依舊是影響其發展的主因，同時現在需要的是一系列的行業內的規范，因為我國成型燃料多以農業廢棄物為原料，然而我國地域遼闊、南北環境差異較大，各地農作物秸稈等原料的水分、纖維素、木質素含量都各有不同，這些因素都影響著成型方式及成型燃料的燃燒效果，因此應該根據各地的實際情況對每種生物質成型機進行測試評估，選擇出最為適合當地原料特性的成型方式作為研究重點進行優化和研究。

　　不僅是成型機，對于成型燃料本身，也要有規范化的標準，要對不同原料的生物質燃料的含水率、密度、耐久性等影響燃燒效率的物理特性設定標準，也有助于成型機的規范化，而且根據上面的分析，通過閉式成型加工的成型燃料不僅性能穩定，外表更加整齊美觀，更能被消費者接受，這樣對成型燃料的商品化及市場化有一定的促進作用，如果實現生物質成型燃料的市場化，不僅會帶動農村地區的經濟發展，還能夠讓人們在不斷接觸這種商品的過程中提高自身的環保意識。