0、前言
生物質成型
顆粒燃料已經受到社會各界的高度重視，在拓展其應用范圍過程中，不斷降低燃料的生產成本是研究人員的主要任務。在成型燃料成本構成中，當成型原理確定之后，降低其加工成本的潛力有限，因此，降低原料成本就成為降低成型燃料成本的關鍵。生物質原料的分散性特點決定了運輸成本高于原料自身價格，開發高度集成的可移動成型設備，可以實現在原料產地生產成型燃料，節省原料運輸成本，從而提高系統的經濟效益。我們在固定式成型設備基礎上，通過對系統中各結構單元的優化集成，研制出可移動的生物質顆粒燃料設備。本文探討了設備集成原理，研究了不同原料的成型條件，測試了設備的技術性能，分析了成型燃料的成本。
1、工藝流程的確定
根據設備可以隨時移動的要求，整套系統必須結構緊湊，且整體設備體積不能過大，并要求操作簡單、運行穩定，經過反復論證確定工藝流程如圖1。
原料經
粉碎機粉碎（或直接投入粉料）后，經可調速的螺旋輸送機輸送到
顆粒機的攪拌輸送系統，然后進入顆粒機主機，在顆粒機主機環模和壓輥的擠壓下形成顆粒，經切刀切斷后通過顆粒輸送機、旋風分離器把制成的顆粒輸送到冷卻系統，顆粒在冷卻系統中經過冷卻后通過成品篩后由人工裝袋包裝。
2、主要設備的選擇及系統的總體結構設計
2.1成型設備的選擇
目前，顆粒機的結構主要有2種，一種為平模結構．另一種為環模結構。無論是平模顆粒機還是環模顆粒機，都是由壓輥將粉碎好的原料擠過壓模孔來完成制粒的。環模顆粒機（圖2）在動力帶動下，壓模旋轉，由壓料入孔的正壓力所產生的摩擦力帶動壓輥自轉。因為環模與壓輥均是圓柱形的，所以環模內壁上各點線速度都一樣，為vl=WiR，輥柱面上各點的線速度也一樣，在足夠摩擦力作用下，其線速度V2=Vl，即Wi=WiR，保證了模輥間的純滾動，二者之間的相互作用力比較均勻。平模顆粒機（圖3）在輥子轉速一定的情況下，其孔帶區各點線速度y=WiR隨著R的增大而增大，但圓柱壓輥柱面上的線速度必須是一致的，這樣在模輥之間除了產生滾動摩擦之外，還產生了滑動摩擦，這必將損失更多的功率，產生更多的熱量。由于模輥的磨損加劇，其壽命也相應地縮短。
另外，通過理論計算，在同樣壓輥半徑的情況下，環模的壓實層比平模的壓實層厚，壓實區域大，這使環模的擠壓力對各種不同的原料具有更大的適應力，壓制出的顆粒質量也會更好。因此，為了使移動式顆粒燃料設備系統能夠高效率的運轉，同時又能滿足生產不同生物質顆粒燃料的需要，本系統采用環模顆粒機作為制粒主機。
通過合理的設計，確定顆粒機主要由主電機、齒輪箱減速裝置、主軸、驅動軸、環模、壓輥、強制喂料器、切刀組件及機身和門等組成。經上料絞龍輸送來的物料，由喂料器和前板上2個偏轉刮刀均勻地送入2個壓輥與環模組成的壓制區，通過環模和壓輥2個相對旋轉件對物料逐漸擠壓而擠入環模孔，在模孔中成型，并不斷向外端擠出，由切刀把成型顆粒切成需要的長度，最后成型顆粒排出機外。
2.2系統內其它主要單元的設計
根據我們研究固定式設備的經驗以及實際生產的需要，本套系統還配置了粉碎機、輸送機、廂式冷卻器、布袋除塵器和通風機等幾個主要設備。從結構上看，與固定式設備有明顯區別的是顆粒輸送機和除塵設備系統，在原有的固定式設備上采用的結構由于占用空間較大，不適合在小型設備上使用，下面詳細論述這2種設備的選擇。
2.2.1顆粒輸送設備的選擇
一般大中型固定式輸送設備往往采用斗提式輸送機，占地面積小，輸送量大，但需要一定的空間，不適于在可移動設備上應用。螺旋輸送機也是常用的輸料設備，但這種輸送方式不僅需要一定傾角，占用很大的空間，而且其內部的螺旋片轉動時也會破壞顆粒，影響顆粒外觀質量，所以也不能采用。皮帶輸送機需要傾角較小，但占地面積較大，也不適合采用。由于顆粒燃料密度相對較小，因此可以采用風送的方式來解決這一問題，即選用合適的風機和管徑，利用風的力量把主機生產出來的顆粒輸送到冷卻器中。這種氣力輸送系統占地面積小，可以比較任意地安排輸送線路，并且設備簡單、操作方便，容易實現自動化，非常適合在這種可移動的設備上使用。具體參數計算如下。
(1)氣體速度的確定
從氣力輸送的角度考慮，氣體速度只要超過最大顆粒的沉降速度即可，為確保操作的順利進行，在氣力輸送中，氣體速度往往取最大顆粒沉降速度的幾倍至幾十倍。
根據上述計算，我們確定濾袋過濾面積為10.4m2，濾袋袋數9個，單個濾袋直徑230mm，單個濾袋長度1 600 mm，濾袋間距為260 mm。
2.3系統總體結構的設計
為了實現可以隨時移動的要求．我們把上述設備按照工藝流程合理地固定在一個共同的底座上，采用槽鋼和鋼板焊接而成，有可靠的牢固性，并且根據重心要求設有4個吊點，使整個系統能夠方便地吊裝和運輸。共同底座的大小根據目前載重貨車的車廂尺寸要求進行設計，最終確定底座尺寸為4 200mmx2 150 mm。
由于本系統采用風送的方式進行物料的輸送，管路很多，而且設備總體排布后有一定高度，最高處將達到4.3 m．如果采用汽運將超過交通部門規定的標準高度，因此，我們采取管路現場安裝的方式進行解決，各管路連接處采用標準法蘭連接，簡單方便。運輸的時候把高出的管路拆下來，單獨存放，待設備固定下來后，經過簡單安裝就可以進行生產。
在由粉碎機到上料輸送機的管路系統中，由于粉碎機的風量很難控制，如果直接連接到料斗上，容易使部分風量直接進入成型機主機中，對顆粒的成型產生影響，顆粒出料口處也會因為風量過大，吹出很多灰塵．影響環境衛生。為此我們在輸送機料斗的人口處增加1臺關風機來解決這一問題。關風機的作用是物料能順利通過而風量會被里面的葉片阻擋，不會進入主機，經過實際測試，效果很好。
原料在擠壓過程中，會有很少一部分原料（約5%左右）沒有成型就被吸到冷卻器中，和制成的顆粒混在一起，為了能把這些粉料、碎料分開，我們在冷卻器的下面安裝了震動篩裝置，放料裝袋時啟動震動器，在震動器和篩子的作用下，能有效地把成品顆粒與粉末、碎料分離，提高了顆粒的整體外觀質量。
最終的設備系統結構如圖5所示，由圖5可以看出，該設備結構簡單，方便操作，集成化程度高。
3、成型條件的研究
3.1設備的技術指標
我們以玉米秸稈、蘆葦、鋸末、豆稈4種物料為原料，對系統能耗及成型顆粒產品的密度進行測試。
測試結果見表1。
3.2不同含水率物料的成型條件
圖6，7是以秸稈和蘆葦為原料的成型燃料密度與含水率的關系。由圖6，7可見，玉米秸稈含水率低于12%時，成型燃料密度隨含水率增加而迅速增加，含水率為12%～18%時，燃料密度變化不大，含水率超過18%時，燃料密度迅速下降。以蘆葦為原料的測試結果有所不同，原料含水率為15%時燃料密度達到最大，但含水率為12%~20%時，可以獲得密度很高的成型燃料。
上述結果表明，燃料含水率對環模成型起著關鍵的作用。生物質壓縮成型分為2個階段：第一階段，在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結構開始改變，生物質內部空隙率減少；第二階段，當壓力逐漸增大時，生物質大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細小的粒子，并發生變形或塑性流動，粒子開始充填空隙，粒子間更加緊密地接觸而互相嚙合，一部分殘余應力貯存于成型塊內部，使粒子間結合更牢固。在這2個階段中，生物質機體內存在的適量的結合水和自由水作為潤滑劑，會使粒子間的內摩擦變小，流動性增強，從而促進粒子在壓力作用下滑動而嵌合。當生物質原料的含水量過低時，粒子得不到充分延展，與四周的粒子結合不夠緊密，所以不能成型：當含水率過高時，盡管粒子在垂直于最大主應力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合：但由于原料中較多的水分被擠出后分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型。
4、與固定式顆粒燃料設備的比較
目前，大中型固定式顆粒燃料生產設備（技術）已經比較成熟，事實證明，在原料充足且比較集中的地區進行大規模的生產能夠獲得很好的經濟效益。但是在原料比較分散的地區，采用這種工廠化的設備生產顆粒燃料就會有很多不足之處，經濟效益不明顯。相比之下，可移動式設備就有很大的優勢，主要體現在以下2個方面。
①原料運輸費用上的優勢。使用固定式工廠化的設備生產時，由于這類設備一般產量較大，每天需要8～10 t的原料才能滿足設備的正常運轉。農村地區一般以村為單位，相臨的村落相距通常2～5 km．為滿足原料供應，經過初步測算，需要收集半徑為50 km區域內的秸稈原料，其運輸量之大可想而知，相應的運費也會增加很多。如果使用這種可移動的設備，就可以根據原料情況隨時移動，雖然需要一定的吊裝和運輸費用，但和運輸大量的原料比起來，成本會減少很多。
②投資上的優勢。大型的設備往往需要很大的投資，不僅體現在設備本身的價格很高，而且其配套設施的費用也很多，比如，需要占用較大的廠房和配備專門的變壓器等。采用這種小型可移動的設備就不需要這些設施，只需要一個臨時的場地就可以生產了，往往不需要專用的供電設備。另外，設備本身的價格也不是很高，投資人很容易接受，投入的成本半年左右就能全部收回。因此，會節省很多費用，管理起來也很方便。
5、結束語
通過對成型設備及相關附屬設備的優化集成研究．設計加工出可移動的生物質顆粒燃料生產設備，該設備具有如下結構特點。
①對成型設備及相關附屬設備進行優化集成設計，減小了設備體積，滿足了可移動的要求。
②顆粒的輸送方式首次選擇了風力輸送的方式，新穎獨特，簡單實用。
③連續的運轉實踐表明，系統運行穩定，協調性好，各設備之間的匹配能力相當。
④對各種生物質原料的成型試驗表明，只要原料粒度、含水率等條件滿足要求，這些原料都能很好地成型，而且顆粒密度大(≥1.1g/cm3)，系統能耗小(≤100 kWh/t)。
通過長時間的運行試驗和用戶試用，系統地評價了該設備的綜合性能，結果表明該設備系統具有結構緊湊、操作方便、易于維護、自動化程度高、能耗低等優點，可移動設備大幅度降低了生物質成型燃料的成本，特別適合于在生物質原料相對分散的農村地區使用。
