學(xué)習(xí)園地
生物質(zhì)能的利用技術(shù)主要有生物質(zhì)熱裂解氣化技術(shù)、生物質(zhì)熱裂解液化技術(shù)、沼氣技術(shù)、和生物質(zhì)固化成型技術(shù)等。其中，固化成型技術(shù)生產(chǎn)的生物質(zhì)燃料顆粒，可用于工業(yè)燃料、電廠發(fā)電和農(nóng)村居民做飯取暖等領(lǐng)域，在瑞典等歐洲國家已得到廣泛應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2005年，世界生物質(zhì)固體成型燃料的產(chǎn)量已突破420萬噸。我國對生物質(zhì)固化成型技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，在生物質(zhì)螺旋擠壓成型、活塞壓縮成型和制粒機(jī)擠壓成型等方面都有所突破。平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)顆粒是固化成型技術(shù)的一種，近幾年在生物質(zhì)制粒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展過程中，平模機(jī)以其堅(jiān)固耐用、原料適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸取得生產(chǎn)者的青睞，本文將就平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)顆粒的工作原理，生物質(zhì)原料的成型機(jī)理，平模機(jī)加工生物質(zhì)顆粒的工藝以及特點(diǎn)等方面進(jìn)行介紹和討論。
平模制粒機(jī)的工作過程與顆粒成型機(jī)理
Figure 1 Flat die pellet mill
按執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分，平模制粒機(jī)有動(dòng)輥式、動(dòng)模式、模輥雙動(dòng)式三種，后兩種常見于小型平模制粒機(jī)，較大機(jī)型一般用動(dòng)輥式。按磨輥的形狀分，又可以分為錐輥式和直輥式兩種。直輥動(dòng)輥式平模制粒機(jī)工作原理如圖1所示：電動(dòng)機(jī)通過減速箱驅(qū)動(dòng)主軸，主軸帶動(dòng)磨輥，磨輥繞主軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)也繞磨輥軸自轉(zhuǎn)。加工顆粒時(shí)，生物質(zhì)原料被送入平模機(jī)的喂料室，在分料器和刮板的共同作用下均勻地鋪在平模上，主軸帶動(dòng)的壓輥連續(xù)不斷地滾過料層，將物料擠壓進(jìn)入?？?，物料在模孔中經(jīng)歷成型、保型等過程，一定時(shí)間后以圓柱狀態(tài)被擠出，旋轉(zhuǎn)的切刀將物料切斷，形成顆粒，由掃料板將顆粒送出。
Figure 2 The process of pelletization
生物質(zhì)原料主要含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等物質(zhì)，其平模機(jī)模輥間的成型機(jī)理如下（見圖2）：供料區(qū)內(nèi)的物料在重力作用下緊貼在平模上，當(dāng)壓輥向前滾動(dòng)，物料進(jìn)入變形壓緊區(qū)，這時(shí)因受到擠壓，原料粒子不斷進(jìn)入粒子間的空隙內(nèi)，間隙中的空氣被排出，粒子間的相互位置不斷更新，粒子間所有較大的空隙逐漸都被能進(jìn)入的粒子占據(jù)。隨著壓輥繼續(xù)滾動(dòng)，被壓實(shí)的原料進(jìn)入擠壓成型區(qū)，部分楔形區(qū)、?？椎腻F孔部分和前半部分都屬于擠壓成型區(qū)，該區(qū)內(nèi)，壓力繼續(xù)增加，粒子本身發(fā)生變形和塑性流動(dòng)，在垂直于最大主應(yīng)力的方向被延展，并繼續(xù)充填周圍較小的空隙，由于壓輥和物料間的摩擦作用加劇而產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致原料中含有的木質(zhì)素軟化，粘合力增加，軟化的木質(zhì)素和生物質(zhì)中固有的纖維素聯(lián)合作用，使生物質(zhì)逐漸成形，這時(shí)部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，粒子結(jié)合牢固但不甚穩(wěn)定。成型塊在擠壓作用下進(jìn)入模孔的保型段，在該段不利于形狀保持的殘余應(yīng)力被消除，顆粒被定型。
工藝過程與試驗(yàn)
平模機(jī)加工生物質(zhì)顆?；竟に囘^程如圖3所示，生物質(zhì)原料經(jīng)過破碎和粉碎后進(jìn)入干燥環(huán)節(jié)。水分合適的物料經(jīng)混合調(diào)質(zhì)后進(jìn)入平模機(jī)制粒。從制粒機(jī)出來的顆粒經(jīng)過冷卻和篩分，得到成品，然后包裝或者散裝出廠。
Figure 3 the manufacturing processes of biomass fuel pellets
生物質(zhì)制粒的基本工藝步驟大體類似，然而由于原料的物性不同、成型機(jī)的工作原理不同，具體的工藝過程還是有所區(qū)別，對平模機(jī)制粒的關(guān)鍵工藝步驟具體介紹如下：
粉碎環(huán)節(jié),平模機(jī)制粒時(shí)，原料粒徑越小，粒子之間越容易互相充填、嵌合，因此制粒機(jī)的單位產(chǎn)量平均能耗就越小，平模和壓輥等易損件的磨損速度也較慢，制成顆粒的抗?jié)B水性和硬度等指標(biāo)也越高，然而一味追求粒徑的減小會(huì)使粉碎環(huán)節(jié)的能耗驟升，因此應(yīng)當(dāng)在滿足平模制粒機(jī)加工要求的前提下，使粒徑盡量大些。事實(shí)上，能夠壓制大粒徑的原料是平模機(jī)的優(yōu)勢之一，一般對作物秸稈等原料，其最大顆粒外形尺寸要求小于2×2×30mm，而對于木質(zhì)原料，則要求更嚴(yán)格一些。
干燥環(huán)節(jié),干燥的主要目的是調(diào)節(jié)原料的含水率，使其穩(wěn)定均一，適合制粒機(jī)加工，在制粒成型過程中，合適的水分一方面能夠傳遞壓輥的壓力，另一方面能起到潤滑劑的作用，輔助粒子互相填充，從而促進(jìn)原料成型。但是含水率過大時(shí)，水分容易在顆粒之間形成隔離層，使得層間無法緊密結(jié)合，擠出的顆粒容易膨脹散開，不能成型，因此控制合適的原料含水率在加工過程中尤為重要。一般從自然界中收集的生物質(zhì)原料含水率大部分分布在20-40%之間，高的能達(dá)到55%，平模制粒機(jī)加工生物質(zhì)原料時(shí)，要求原料的水分在10-14%之間，當(dāng)加工玉米秸稈一類含糖較多的原料時(shí)含水量可允許稍高。常規(guī)的干燥工藝一般用帶式干燥器、滾筒干燥器、廂式干燥器等設(shè)備進(jìn)行，然而不得不承認(rèn)這一環(huán)節(jié)會(huì)耗費(fèi)掉可觀的能量。筆者認(rèn)為，如今太陽能干燥技術(shù)已較為成熟，完全可以用太陽能溫室配備以翻拋設(shè)備對生物質(zhì)原料進(jìn)行除濕，一般生物質(zhì)原料的干燥，要求溫度水平較低，大約在40－70℃之間，這正好與太陽能利用領(lǐng)域中的低溫利用相適應(yīng)，與傳統(tǒng)干燥工藝相比，可以大量節(jié)省常規(guī)能源，降低固定投資，經(jīng)濟(jì)效益顯著。
制粒環(huán)節(jié)，干燥好的物料進(jìn)入制粒環(huán)節(jié)，可以不用調(diào)質(zhì)處理，直接加工。有條件的生產(chǎn)廠家可選配自動(dòng)控制系統(tǒng)和模輥?zhàn)詣?dòng)調(diào)隙裝置。自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)主機(jī)電流的變化調(diào)節(jié)喂料電機(jī)的變頻器，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)喂料量，這能有效的避免堵機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生。模輥?zhàn)詣?dòng)調(diào)隙裝置能采集模輥間隙數(shù)據(jù)，通過反饋、對比來控制液壓系統(tǒng)，使間隙與設(shè)定值相一致，并能在生產(chǎn)過程中隨時(shí)變化。一般而言，啟動(dòng)階段，磨輥間隙應(yīng)當(dāng)盡量小些，這可以減小啟動(dòng)力矩，降低電機(jī)負(fù)荷。進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，磨輥間隙應(yīng)當(dāng)稍大，這可以增大壓縮行程，得到堅(jiān)硬光滑的顆粒?？梢詫㈤g隙隨時(shí)間變化的設(shè)置輸入控制系統(tǒng)，啟動(dòng)后，機(jī)器可以自動(dòng)調(diào)節(jié)模輥間隙。壓輥和平模都是易磨損件，需要定期更換，壓輥的服役期可以稍長一點(diǎn)，但最好能夠和平模一起更換。一般，平?？梢怨ぷ?00-2000小時(shí)不等，這要視零件的材質(zhì)和加工工藝而定。 (責(zé)任編輯：wzxny)
