利用生物質能轉換技術，開發和利用秸稈能源，對改變我國未來能源消費方式有很重要的現實意義。但由于秸稈產物具有分布廣，占用空間大等諸多弊端，所以在大規模產業化推廣中存在難度。秸稈固化成型技術將松散的秸稈原料壓縮成高密度的塊狀燃料，便可解決這一難題，但相關成型設備生產性能不高。該文提出一項較合理的優化調整方案，以達到提高秸稈成型率，降低噸料能耗的目標，為秸稈成型技術的優化提供了理論基礎，富通新能源專業生產銷售
秸稈顆粒機、
木屑顆粒機等生物質顆粒燃料成型機械設備，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒出售。
1.1環模秸稈成型顆粒機工作原理成型顆粒機工作原理：運料機構將處理后的秸稈物料送人成型腔內，環模帶動壓輥運動將秸稈壓人間隙之中。在高速壓縮過程中的摩擦生熱軟化木質素，使纖維分子互相緊密纏繞結合，秸稈體積顯著減小，在模孔中逐漸形成成型塊。在長度超過環模厚度時，被切刀切斷，得到秸稈成型燃料。
1.2固化成型過程分析首先，依據成型過程中物料在環模孔內的狀態，將環模內劃分3個區域，分別為供料區、壓縮區和保形區。
(1)供料區。此區域內秸稈顆粒為松散狀態，密度較低。并未受到摩擦力影響。
(2)壓縮區。秸稈顆粒在此區間產生彈性形變，間隙逐漸縮小，帶來密度的增大，由于擠壓力不足所以尚未進入模孔內。
(3)保形區。秸稈克服模孔壁摩擦力而被壓進環模孔內。秸稈內部發生了彈性和塑性形變，粘性增強，不斷進入模孔的物料生成最終的成型塊。
在開始成型作業后，根據秸稈受力情況和所處位置，可將成型過程劃分3個階段：松散階段，壓緊階段和壓實階段。
(a)松散階段。在初始階段時，秸稈顆粒間有較大空隙。所以伴隨壓力的增加，物料壓縮量增長很快，兩者呈線性關系。
(b)壓緊階段。在此階段內，物料形變量增幅減弱，開始轉為填補內部粒子間隙的塑性形變階段，與壓力呈指數關系。
(c)壓實階段。此階段物料內部間隙也已被克服和占據，成型塊已經壓實，密度穩定，達到一定長度后排出模孔。
2、成型顆粒機能耗影響因素和模具失效現象
2.1環模成型顆粒機能量消耗形式在衡量秸稈成型顆粒機的工藝和能耗時，比能耗是重要的性能參考指標。比能耗的定義為：一定單位時間內，生產單位質量的成型物所消耗的能量，與產物質量間的比值。其數學表達如下：
E=E
1/M
1
式中：E→比能耗，kWh/t；E
1→單位時間內總能耗，kWh；M
1→生成成型塊總重，t。
通過分析環模內不同分區工作過程可知，壓輥在模腔內持續勻速旋轉，但因為秸稈物料的層疊．壓縮過程受到的是間歇性載荷，并通過壓輥直接作用于主軸懸臂。由此帶來的振動和磨損消耗能量并逐漸導致構件疲勞，縮短成型顆粒機壽命。
由此可見，成型顆粒機成型過程中的能耗主要由2部分組成，即克服秸稈物料形變所需的能量，以及物料與成型各部件間的各種作用力所消耗的能量。其中物料與設備間的能量消耗包括原料秸稈進入模孔和成型塊出模的阻力。該部分阻力同時受設備結構運行參數和物料性質等2方面的影響。所以，需要從這2方面共同分析和研究，找到影響能耗的關鍵因素，并加以調控。
2.2模孔失效現象環模是秸稈成型顆粒機中磨損和消耗最嚴重的部件。正常使用時，磨損程度會不斷增大，當產物的成型率不足75%左右時，便不能滿足成型燃料基本品性要求，主要表現為成型物密度下降必須更換環模。環模的受力和摩擦主要發生在模孔，主要表現為以下幾種現象：
(1)經過長時間壓縮成型后，模孔內壁由于受物料的摩擦而產生磨損，孔壁厚度下降，造成環模強度下降，且孔徑增大，于是環模疲勞失效。
(2)模孔內壁受物料持續磨損后凹凸不平，致使成型塊出模受阻，生產率下降導致環模失效。
(3)環模孔邊緣倒角錐面受磨損，導致傾角減小，進料量減少，模孔內擠壓力降低導致成型物擠出量下降，模孔失效。
(4)模孔由于受循環應力和摩擦力的影響，在出現如(1)中所述的孔徑增大失效現象前，應力集中部位先產生疲勞損傷性裂紋，并不斷延伸擴大，導致突然性斷裂，發生疲勞破壞失效。
以上幾種失效現象的產生原因，首先是模具磨損，約占75%；其次是疲勞破壞，約占25%。所以減小磨損帶來的環模失效現象，是提高生產率和設備性能的關鍵。對磨損的研究不僅涉及原料的本質特性，且與設備具體工況有直接關系。所以，研究磨損規律，通過改良設備運行參數和原料性狀來控制和避免有害磨損，具有重要意義。
3、秸稈成型能耗優化試驗
通過分析已知，在成型產物方面，密度是衡量其各方面品質的重要指標。在參考了壓塊類燃料的標準要求，和大量實際燃燒應用后，發現當成型塊密度在1.1～1.2g/cm3時，就能滿足成型塊本體的耐久性和致密性，保證較高的成型率和燃燒效率。所以試驗從含水率、壓縮比和環模轉速3個方面進行考察，研究最優的密度和能耗的多因子控制參數。
3.1試驗方法試驗所采用的生物質原料為東北地區常見的玉米秸稈。選取適量的去根成熟秸稈，自然放置進行干燥處理。選出粒度范圍為3 -7 mm的秸稈顆粒，烘干，調制成6種含水率在12%～22%間的秸稈原料。選取模孔壓縮比在3.5 -6.5之間的環模作為模具。
3.2含水率對成型塊密度及比能耗的影響含水率為秸稈原料重要物理參數。不同含水率的物料對產物密度和比能耗的影響顯著（表1）。
表1 玉米秸稈不同含水率對產物成型密度及比能耗的影響
|
含水率/% |
密度/g/m3 |
比能耗/kwh/t |
|
12 |
0.92 |
69.35 |
|
14 |
1.05 |
60.72 |
|
16 |
1.08 |
52.83 |
|
18 |
1.19 |
49.23 |
|
20 |
1.15 |
54.41 |
|
22 |
1.06 |
64.80 |
由表1可以看出，隨秸稈含水率的增大，成型燃料密度也不斷升高。當到達18%左右含水率時，密度達到最大，同時比能耗降為最低。含水率繼續加大時，密度開始下降，比能耗則升高。
水分在成型過程中起到潤滑和減小摩擦的作用。含水率較低時，物料間缺乏潤滑，秸稈內部粒子粘結作用減弱，所需擠壓力增大，且成型物密度較低。同時，各環節機械摩擦增大，對環模尤其是模孔壁的損傷嚴重，加速模具失效，且能源消耗大；當含水率較高時，受壓力作用被擠出的水分仍分布于粒子層之間，使得結合仍不緊密，密度下降，產物成型率不高，比能耗隨之增大。當物料在18%含水率時，成型比能耗相比減少6.81%～29.02%，密度和能耗均最優，故含水率18%為最優控制參數。
3.3壓縮比對成型塊密度及比能耗的影響環模壓縮比是用來反映和調節成型顆粒機擠壓強度的參數。由表2可以看出，壓縮比較小時，產物密度不高，僅能滿足壓塊燃料基本要求，且比能耗偏高；隨著壓縮比的增大，密度升高，同時能耗降低，達到較好狀態；繼續增加壓縮比不會帶來密度的提升，而能耗則顯著增加。
表2 玉米秸稈不同壓縮比對產物成型密度及比能耗的影響
|
壓縮比 |
密度/g/m3 |
比能耗/kwh/t |
|
3.5 |
0.94 |
55.35 |
|
4.0 |
1.05 |
53.66 |
|
4.5 |
1.13 |
50.86 |
|
5.0 |
1.18 |
47.55 |
|
5.5 |
1.20 |
51.30 |
|
6.0 |
1.19 |
59.85 |
|
6.5 |
1.20 |
68.52 |
從密度角度分析，壓縮比較低時，產物保型時間較短，雖能耗不高，但產物結構松散，成型率低，品質一般；隨壓縮比的增大，保型時間增長，成型物致密且硬度提升，品質和產量提高，降低了比能耗；但壓縮比過高時，產物密度不再增加，較大的磨損導致比能耗顯著升高和環模提前失效。所以適中的壓縮比有助于保持產物密度和降低能耗。當壓縮比為5.0時，成型比能耗相比減少6.51%～30.60%，密度和比能耗均較優。
3.4環模轉速對成型塊密度及比能耗的影響環模轉速直接影響成型顆粒機能耗和產物出機速度。
表3 不同環模轉速對成型密度及比能耗的影響
|
轉速/r/min |
密度/g/m3 |
比能耗/kwh/t |
|
120 |
0.95 |
62.23 |
|
140 |
1.10 |
54.56 |
|
160 |
1.17 |
51.62 |
|
180 |
1.20 |
56.87 |
|
200 |
1.18 |
66.46 |
由表3可以看出，環模轉速對成型過程的能耗有直接影響。當環模轉速較低時，成型密度不高，能耗則較大，這是由于低速旋轉時，秸稈原料堆積現象較明顯，擠壓高度較高，所需的壓力增大所以能耗偏高；隨著轉速提升，原料均勻布滿環模，模孔瞬時壓入量小，壓力較小，所以能耗降低。然而當轉速過高時，電機能耗偏大，且離心力較強，對環模各結構損耗較大；同時成型物出機速度較快，甩出過程易碎，降低了成型率。綜合幾組數據，當轉速為160r/min時，成型比能耗相比減少了5.39%～22.33%，成型燃料的密度和生產比能耗均較優。
4、結束語
試驗以玉米秸稈為原料，主要研究了原料含水率、環模壓縮比和轉速3個因素對成型產物密度和成型能耗的影響。從延長環模失效時間，節能降耗和提高產物質量的角度，對相關設備參數和原料性質進行了試驗分析，找到了成型顆粒機的最優能耗多因子控制關鍵參數。得出在壓縮比為5.0，含水率為18%，環模轉速160r/min時，成型燃料在產物質量和致密能耗上均可達到較優水平。該研究為固化成型理論的優化和改進提供了合理的手段和方向，為規模化產業化應用奠定了基礎。
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