孔祥印¹，樊慶斌²，田玉智³，杜振兵⁴，郭艷麗⁴

　　(1.曲阜市農(nóng)業(yè)局能源辦公室，山東曲阜273100；2.鄆城市農(nóng)業(yè)局能源辦公室，山東鄆城274700；3.惠民縣農(nóng)業(yè)局能源環(huán)保站，山東惠民215700；4.任城區(qū)農(nóng)業(yè)局能源辦公室，山東濟(jì)寧272000)

　　摘要：簡單介紹了國內(nèi)外生物質(zhì)致密成型技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀、研究的主要內(nèi)容、重點(diǎn)及研究中存在的問題，提出解決和改進(jìn)的具體措施并得到了很好地驗(yàn)證。

　　0引言

　　中國是一個農(nóng)業(yè)大國，每年生物質(zhì)能資源十分豐富。目前，生物質(zhì)在中國能源消費(fèi)中約占25％，在農(nóng)村占71％。這些生物質(zhì)能源除用于工業(yè)和飼料外，大部分直接燃燒，多余部分就地?zé)模粌H熱利用效率低，而且嚴(yán)重污染環(huán)境。因此，研究生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)，將豐富的農(nóng)業(yè)廢棄物資源變廢為寶，轉(zhuǎn)換為優(yōu)質(zhì)燃料，對保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

　　秸稈的能源化利用對于新農(nóng)村建設(shè)，改善農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境，全面實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，提高農(nóng)村生活質(zhì)量，促進(jìn)農(nóng)民節(jié)收增支等方面均具有重要意義。秸稈成型是農(nóng)業(yè)廢棄物資源再利用的一個必要條件。

　　1生物質(zhì)秸稈致密成型技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀

　　生物質(zhì)致密成型技術(shù)是指具有一定粒度的農(nóng)林廢棄物(鋸屑、稻殼、樹枝、秸稈等)干燥后在一定的壓力作用下(加熱或不加熱)，可連續(xù)擠壓制成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料的加工工藝，壓縮成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料，方便貯存和運(yùn)輸，提高生物質(zhì)的可利用性和利用率。

　　山東省農(nóng)作物秸稈主要包括玉米、小麥、水稻和花生等作物的秸稈，且各種秸稈產(chǎn)量大、范圍廣。秸稈經(jīng)過成型后，成為高品位的能源產(chǎn)品加以利用，完全可以作為燃料替代煤。工業(yè)化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的蔗渣、中藥渣、糠醛渣、木漿泥等工業(yè)垃圾，這些垃圾的處理成大難題，也是主要的污染源。秸稈成型機(jī)的研究開發(fā)既可以減輕此致類物質(zhì)直接焚燒所造成的大氣污染，又為企業(yè)降低了生產(chǎn)、生活成本，為秸稈利用、變廢為寶提供了商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的新途徑，且符合國家環(huán)保政策，可實(shí)現(xiàn)CO₂、SO₂盛排，減少溫室效應(yīng)，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的有效方法，環(huán)保效益明顯。在國際國內(nèi)能源13益緊張的情況下，生物質(zhì)致密成型技術(shù)為廢棄農(nóng)作物秸稈和蔗渣、中藥渣等工業(yè)垃圾的利用帶來了新出路。

　　1.1國外技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

　　國外成型燃料的發(fā)展大體分為三個階段，20世紀(jì)30年代一50年代為研究、示范、交叉引進(jìn)階段，研究的著眼點(diǎn)以代替化石能源為目標(biāo)；20世紀(jì)70年代—90年代為第二階段，各國普遍重視化石能源對環(huán)境的影響，對數(shù)量較大、可再生的生物質(zhì)能源產(chǎn)生了興趣，開展生物質(zhì)固化成型燃料研究，到0年代，歐洲、美洲和亞洲的一些國家在生活領(lǐng)域中比較大量應(yīng)用生物質(zhì)固化成型燃料；20世紀(jì)90年代后期至今為第三階段，首先以丹麥為首開展了規(guī)模化利用的研究工作，丹麥著名的能源投資公司BWE率先研制成功了第一座生物質(zhì)固化成型燃料發(fā)電廠，目前，美國已經(jīng)在25個州興建了樹皮成型燃料加工廠，每天生產(chǎn)燃料超過300t，但生物質(zhì)固化成型燃料以歐洲的一些國家如丹麥、瑞典、奧地利發(fā)展最快。例如，瑞典人均生物質(zhì)固化成型燃料消耗量達(dá)到160kg／a，歐洲現(xiàn)有近百家生物質(zhì)固化成型燃料加工廠，農(nóng)場以秸稈為原料，靠近城市的加工廠以木屑為原料，南非在2013年建成了14座以木柴加工廢棄物為原料，年產(chǎn)量達(dá)到120×10⁴t的成型燃料加工廠。國外生物質(zhì)固化成型燃料技術(shù)發(fā)展有如下特點(diǎn)：原料以木屑等林業(yè)廢棄物為主，一般不利用農(nóng)作物秸稈；生產(chǎn)技術(shù)大部分已經(jīng)成熟，并達(dá)到規(guī)模化和商品化；成型燃料的用途已經(jīng)由燒壁爐等生活用能為主轉(zhuǎn)向了生產(chǎn)應(yīng)用；設(shè)備制造比較規(guī)范，但能耗高，價格高。

　　1.2國內(nèi)研發(fā)現(xiàn)狀

　　1.2.1研發(fā)現(xiàn)狀

　　中國從20世紀(jì)80年代起開始致力于生物質(zhì)固化成型燃料技術(shù)的研究，主要引進(jìn)韓國、日本、中國臺灣等成套設(shè)備。隨后，荷蘭、比利時等國家的技術(shù)和設(shè)備也相繼引入中國，已成功研制出各種類型的生物質(zhì)固化成型燃料生產(chǎn)設(shè)備。

　　1.2.2各類型設(shè)備性能介紹

　　a)活塞沖壓式成型機(jī)。該機(jī)由河南農(nóng)業(yè)大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)率先對沖壓式生物質(zhì)固化成型設(shè)備進(jìn)行了應(yīng)用研究，所設(shè)計的往復(fù)式活塞雙向擠壓成型機(jī)具有創(chuàng)新性。生產(chǎn)試驗(yàn)和分析結(jié)果表明：該成型機(jī)可顯著提高易損件的使用壽命，降低單位產(chǎn)品能耗，工作平穩(wěn)，成型可靠，成本低，投入回收期短，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益明顯，生產(chǎn)以秸稈為主的生物質(zhì)原料，推廣前景廣闊，但該類型設(shè)備所生產(chǎn)的燃料密度比較小；

　　b)螺旋擠壓式成型機(jī)。中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所率先開始研制螺旋擠壓式棒狀燃料成型機(jī)，主要由加熱裝置、螺旋擠壓裝置和控制裝置組成，但這些設(shè)備存在一些諸如成型筒及螺旋軸磨損嚴(yán)重、壽命較短、電耗大等缺點(diǎn)；

　　c)環(huán)模擠壓成型。一種是采用內(nèi)旋式環(huán)模結(jié)構(gòu)，擠壓成型；一種采用外旋式環(huán)模結(jié)構(gòu)，擠壓成型，這兩種都是由飼料成型設(shè)備改進(jìn)而來。前者以北京盛昌綠能科技有限公司改進(jìn)美國技術(shù)為代表，是目前歐美國家的主流技術(shù)，設(shè)備采用常溫成型，適用原料為秸稈、木屑等各種農(nóng)林廢棄物，產(chǎn)品為顆粒狀及方塊狀，環(huán)模工作壽命約600h，根據(jù)配置其售價30×10⁴元／套一60×10⁴元／套，在北京市大興區(qū)禮賢鎮(zhèn)建有年產(chǎn)20000t的示范工廠；后者以國能惠遠(yuǎn)公司為代表，常溫成型，主要適用原料為木屑，過于干燥不易成型，成型后需要干燥處理，有黏結(jié)劑易于成型，產(chǎn)品為顆粒狀，生產(chǎn)能力約300k～500kg／h，模具工作壽命約400h，售價約30×10⁴元／套，河北石家莊萬通機(jī)械廠生產(chǎn)的YIG-500型，外旋式結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)能力為500kg／h，售價在8×10⁴元／套，主要適用原料以玉米秸稈為主，但外旋式大盤采用軸承采用的是6188型，密封不能徹底解決，因秸稈成型機(jī)的工作環(huán)境所致，故障不斷；

　　d)平模擠壓成型。由飼料成型設(shè)備改進(jìn)而成，以濟(jì)南三農(nóng)能源科技有限公司為代表。設(shè)備采用常溫成型，主要適用原料為木屑、玉米秸稈(須處理得很細(xì))等，產(chǎn)品圓柱狀，設(shè)備生產(chǎn)能力50kg/h～300kg/h，平模工作壽命約400h，售價5×10⁴元／套15×10⁴元／套，在國內(nèi)有不少應(yīng)用，也存在密封、成型率、能耗、產(chǎn)量等問題。

　　總體來說，中國生物質(zhì)固化成型燃料有如下特點(diǎn)：在全國范圍內(nèi)，還處于研究示范試點(diǎn)階段，設(shè)備技術(shù)原理比較先進(jìn)，成本低廉，適合中國國情；規(guī)模化和市場化較差；管理不規(guī)范，支持政策缺乏，推廣速度緩慢。

　　2生物質(zhì)致密成型技術(shù)主要研究的內(nèi)容

　　2.1致密成型技術(shù)

　　致密成型一般是輥壓成型，有水平軸式環(huán)模擠壓成型、垂直軸式環(huán)模擠壓成型和平面輥壓成型。冷壓致密成型工藝常用于含水量較高的原料，原料進(jìn)入成型室后，在壓輥或壓模的轉(zhuǎn)動作用下，進(jìn)入壓模與壓輥之間，然后擠入成型孔，從成型孔擠出的原料被擠壓成型，再用切刀切割成一定長度的顆粒狀或塊狀燃料。冷壓致密成型主要用于木材加工廠的木屑和秸稈碎料，成型設(shè)備一般比較簡單，價格較低，但由于死角較大，引起無用能耗大，成型部件磨損較快。工作中易出現(xiàn)輥輪和成型孔堵塞現(xiàn)象，且由于燃料濕度較大，不含黏結(jié)劑，易吸濕變形，不利于長期保存、運(yùn)輸和使用。

　　2.2生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究重點(diǎn)

　　對各類成型機(jī)進(jìn)行比較，綜合其優(yōu)、缺點(diǎn)進(jìn)行深入分析，針對成型設(shè)備存在的各種問題做了大量研究試驗(yàn)，本項(xiàng)目所涉及的主要是動輥式平模式秸稈成型機(jī)，包括粉碎機(jī)、輸送設(shè)備、成型機(jī)、電控柜等。成型是整個過程的決定性步驟，故成型機(jī)的性能決定了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本，因物料種類、含水率、回性程度等的差異，造成成型技術(shù)的復(fù)雜性和工藝的不確定性。物料的壓縮是大盤和壓輪配合完成的，即大盤和壓輪必須在1mm一3mm的范圍內(nèi)才能在較快的擠出速度下獲得較大密度的成型燃料。二者均是在較高溫度和壓力下工作的，壓輪和大盤與物料始終處于干磨擦狀態(tài)，導(dǎo)致大盤和壓輪磨損非常快。當(dāng)磨損到一定程度時，二者失去尺寸配合，成型就無法進(jìn)行。由于成型大盤和壓輪的工作環(huán)境極端惡劣，使得其使用壽命一般在200h以下。

　　3項(xiàng)目研發(fā)過程中遇到的主要問題和解決方案

　　3.1研發(fā)過程中遇到的主要問題

　　阻礙生物質(zhì)致密成型技術(shù)的推廣應(yīng)用的問題主要是大盤、壓輪磨損問題，二者壓縮區(qū)域的磨損程度決定了大盤的使用壽命。因此大盤和壓輪的使用壽命成為生物質(zhì)致密成型技術(shù)實(shí)用價值的決定性因素。

　　3.2解決方案

　　下面從兩個方面來分析磨損問題，大盤是被固定在機(jī)座上，物料從靜止的模孔中擠出，被切斷后形成顆粒狀，這種大盤靜止的工作方式有利于顆粒成型率的提高，作為成型機(jī)的核心工作部件，大盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合適直接決定了顆粒質(zhì)量的優(yōu)劣和產(chǎn)量的高低。

　　加工不同的物料，應(yīng)當(dāng)配備不同厚度的大盤，大盤的開孔面積、模孔尺寸、模孔排布方式等要素都是決定壓塊性能的重要因素，大盤是易損件，需要定期更換。

　　一般情況下模孔長徑比越小，產(chǎn)量越大，相對應(yīng)壓塊密度就越小，質(zhì)量也越差，相反長徑比過大，產(chǎn)量低、密度大，還容易出現(xiàn)堵機(jī)。與環(huán)模相比，平模的優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡潔、體積緊湊、能正反使用、成本低廉。

　　在壓輥方面，平模機(jī)壓輥的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速較低、直徑大，與某些型號的環(huán)模機(jī)相比，其轉(zhuǎn)速甚至不到環(huán)模壓輥的一半，而較大的直徑可以增大壓輥的攫取角，這使工作中的壓輥對物料有較強(qiáng)的攫取力，并且降低了打滑的可能性，但是工作中的壓輥并非整體在做純滾動，從其軸向上看，壓輥的里側(cè)與外側(cè)都會發(fā)生滑動，這種滑動作用是由平模機(jī)的工作原理決定的，并不因物料的改變而改變。滑動作用的存在固然在一定程度上加快了壓輥的磨損，但是客觀上卻增強(qiáng)了壓塊機(jī)的擠壓性能，使平模式壓塊機(jī)在加工含粗纖維較多的生物質(zhì)原料方面成為佼佼者。下面將從運(yùn)動分析和受力分析方面對壓輪磨損問題進(jìn)行討論。

　　以圖1所示為順時針旋轉(zhuǎn)的壓輥，平模式顆粒機(jī)在工作時，壓輥上必定存在一條純滾動的圓周線，在純滾動線圳勾側(cè)，壓輥發(fā)生超前性滑動，稱之為滑轉(zhuǎn)滾動；在純滾動線外側(cè)，壓輥發(fā)生滯后性滑動，稱之為滑移滾動。

　　在壓輥與物料接觸的任意點(diǎn)，其受力如圖1所示，因擠壓物料而受到物料施加給壓輥的反作用力Ⅳ，Ⅳ總是沿半徑指向圓心方向；壓輥與物料之間還可能存在摩擦力F，必定沿切線方向，但指向有待討論。當(dāng)機(jī)器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，壓輥處于平衡狀態(tài)，建立如圖所示的柱坐標(biāo)系，以磨輥軸心為z軸，磨輥?zhàn)钔饨孛鎴A心為z軸O點(diǎn)，以豎直方向半徑為角坐標(biāo)O點(diǎn)。因平模壓輥的自轉(zhuǎn)是從動的，不存在驅(qū)動力矩，故其自身力矩之和為零。

　　明確了壓輥的受力情況，就可以分析物料受力，物料受力情況如圖2所示，在與平模接觸的平面，物料受到水平方向上的摩擦力S和鉛直方向上的支撐力T。

　　從上述的壓輥運(yùn)動情況和物料受力情況可以做出以下分析：產(chǎn)生滑轉(zhuǎn)滾動和滑移滾動時，與純滾動相比，相當(dāng)于在豎直方向和水平方向?qū)ψ饔昧M(jìn)行了重新分配。兩種滑動作用導(dǎo)致了摩擦力的產(chǎn)生，摩擦力F使壓輥和物料之間產(chǎn)生了兩種剪切作用。滑轉(zhuǎn)滾動區(qū)的超前性滑動使磨輥在豎直方向?qū)ξ锪袭a(chǎn)生了較強(qiáng)的剪切作用，這種剪切作用越靠近模板中心越明顯。摩擦力也就越大，壓輥的受損程度就越深，這種受損程度離大盤中心越明顯。試驗(yàn)時從出料口往里觀察，發(fā)現(xiàn)大盤的中間幾圈模孔出料快，越是里圈和外圈的模孔，出料越慢。如果卸掉切刀觀察，中間幾圈的物料被擠出較短的長度就會斷裂、墜落。而里圈和外圈的模孔中擠出的物料不易自動斷裂和墜落，有許多甚至長至200mm以上才脫離模板。這是由于兩種剪切作用的存在，模板內(nèi)側(cè)和外側(cè)的物料受較大剪切力，物料粒子被充分揉切、撕裂進(jìn)而充填、嵌合，所以越是兩側(cè)，成型顆粒質(zhì)地越密實(shí)，出料越緩慢。平模機(jī)之所以在加工粗纖維含量較多的物料時具有優(yōu)越的性能，也正是因?yàn)檫@兩種較強(qiáng)的剪切作用對物料進(jìn)行了充分的預(yù)處理。

　　滑移滾動和滑轉(zhuǎn)滾動的存在會導(dǎo)致壓輥、大盤的磨損程度增加，但在設(shè)計時可將平模設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu)，能夠正反使用，這將有效降低易損件成本。

　　4項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

　　對大盤的磨損問題，各研究和生產(chǎn)廠家采取了很多辦法，但由于受工藝技術(shù)等制約，都沒有從根本上解決問題。經(jīng)過多臺成型機(jī)的實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明，大盤和壓輪的磨損只發(fā)現(xiàn)在一個導(dǎo)程范圍內(nèi)，解決這部分的磨損，整個的磨損問題也就解決了。設(shè)計了一種保護(hù)罩，在原來大盤和壓輪經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理和熱處理后，在大盤和壓輪母體上選擇特殊耐磨材料(如D705焊接材料)、用特殊工藝，在其外層磨損區(qū)域焊接電鍍制作一層耐磨保護(hù)層。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果是這種大盤和壓輪使用壽命在800h以上。在經(jīng)過一段時間運(yùn)行后，達(dá)到一定磨損的程度(在沒有磨損致母體的前提下)可以重復(fù)制做此保護(hù)罩。大盤的模孔采用圓形孔，方便加工與維修，使用成本低；大盤采用上模孑L與下模孔呈現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)，如果上面模孑L磨損較重可將大盤反轉(zhuǎn)，使用下面模孔；也可將上模孔與下模孔的軸向高度設(shè)計為55mm、46mm、60mm等不同的尺寸，分別適用于各種類別不同的生物質(zhì)材料，可進(jìn)一步降低使用成本。另外一種辦法是用模套方式解決磨損問題，模孔以模套形式工作，壓輪以輪套形式工作，既保證了磨損件的制造質(zhì)量，也降低了零部件的使用成本，提高了生產(chǎn)效率，模套加工采用數(shù)控切削方法，解決了壓縮模量漸變的技術(shù)難題。

　　5結(jié)語

　　通過此項(xiàng)目的研發(fā)，研究人員不僅積累了大量的寶貴實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且取得了生物質(zhì)致密成型過程中的耐磨、密封等多個新成果。項(xiàng)目通過試驗(yàn)推廣應(yīng)用，平模式秸稈成型機(jī)在降低能耗、提高生產(chǎn)效率、增加大盤壓輪磨損性、降低使用成本和減少故障率等方面有了很大改進(jìn)，該技術(shù)已通山東省農(nóng)機(jī)管理部門的鑒定，列人國家農(nóng)機(jī)推廣補(bǔ)貼目錄。隨著產(chǎn)品的制造工藝、自動化和水分精準(zhǔn)化控制等技術(shù)的提高，生物質(zhì)致密成型技術(shù)將更加成熟，將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。