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李有志，郭俊先，張麗，張佳喜
(1.新疆農業(yè)大學機械交通學院，烏魯木齊市，830052；2.新疆農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所，烏魯木齊市，830091；3.新疆農業(yè)科學院農業(yè)工程公司，烏魯木齊市，830091)
摘要：針對4FY—0.8B型生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)中，標準式旋風分離器占用空間大和輸送管道等輸送部件輸送不通暢的問題，分析生物質原料顆粒在氣力輸送過程中不同風量對輸送效率的影響，設計并改進其輸送系統(tǒng)的結構和參數。通過試驗儀器測定生物質原料的基本物理特性參數，驗證生物質原料氣力輸送的基本條件；基于風機風量理論分析及試驗驗證，最終確定最佳風量以及分離器等其他輸送部件及參數。其結果為最佳風量為700m3/h左右時，生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)的輸送效果最佳；生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)中分離器的設計尺寸為簡體直徑350mm、總高1130mm；鋼制輸料管直徑為160mm；配備功率2.2kw的離心風機，提供1264m3/h的風量，3.596kPa的壓力；配備功率為0.75kW關風機，容積為4L/r。
0引言
我國擁有豐富的生物質資源，每年僅農作物秸稈數量就達7億多噸，扣除秸稈還田、飼料以及工業(yè)原料等資源量，仍有3億多噸秸稈閑置廢棄[1-2]。通過對生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)的設計與關鍵參數的研究，可以提高生物質秸稈的利用效率，避免不當處理對環(huán)境造成破壞，同時也能創(chuàng)造一定的經濟效益。
歐美等國在生物質固化燃料方面的技術和應用水平都處于較高水平，我國相對來說就不是很成熟，從原料處理到制備機械都存在較大差距[3-5]。近年來，我國生物質固化成型燃料技術發(fā)展迅猛，有眾多研究學者在該領域探索鉆研，如中國科學院廣州能源研究所、華南理工大學以及河南省科學院河南能源研究所的李海兵研究員、馬小茜教授以及袁振宏研究員在生物質原料的基本特性及成型機理等方面做了大量研究，為探究物料性能對成型燃料的影響提供了參考依據[6]；農業(yè)部規(guī)劃設計研究院的田宜水研究員和聯合國糧農組織氣候、能源與權屬司姚向君女士等在生物質固體成型燃料技術以及生物質固體成型燃料成型設備方面做了大量研究，并針對生物質能源的發(fā)展提出了一些建設性的意見[7]；北京工業(yè)大學梁文俊、劉佳和河北農業(yè)大學劉春敬等則針對農作物秸稈，做了大量試驗研究，提出了生物質固化成型燃料的成型工藝以及發(fā)展中所面臨的問題[8]。
通過上述可以看出，國內學者的研究重點大多都放在技術、成型裝備以及工藝設計上，體現的是一種整體化思想，對于輸送環(huán)節(jié)的研究相對較少。氣力輸送是一種廣泛應用于糧食、鍋爐、礦產以及醫(yī)藥等行業(yè)的輸送方式，到目前為止，氣力輸送已經發(fā)展了近兩百多年，但仍然存有很多問題有待研究[9-10]。本文重點開展氣力輸送系統(tǒng)的設計與研究。
1生物質固化燃料成型車的組成結構及原理
1.1生物質固化燃料成型車的組成結構
生物質固化燃料成型車由粉碎機、移動平臺、輸料管、分離器、關風器、風機以及螺旋輸送機和壓型機組成，包括四大系統(tǒng)：動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)。它將傳統(tǒng)的生物質原料成型過程中的粉碎、干燥、壓型等工序，集成到一個移動車載平臺上，使其具有機動靈活特性，實現跨區(qū)作業(yè)。圖1為生物質固化燃料成型車組件示意圖，其輸送系統(tǒng)設計為低壓吸送式。
1.2輸送原理
生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)的輸送通過壓差原理實現。當粉碎機運轉時，生物質原料被粉碎為細小顆粒，通過粉碎機高速運轉的葉片或錘片，在粉碎機內部與出料口處形成一定的壓差，使物料顆粒向粉碎機出料口處運動。同時，在旋風式分離器后方設置風機，將物料顆粒通過輸料管吸送至分離器進行固氣兩相流分離，大部分粉碎顆粒在關風機位置沉積，上行氣流攜帶細小塵埃以及少量粒徑較小的生物質顆粒進入除塵器除塵，粉碎顆粒則由關風機口間歇式輸出。
1.3設備與材料參數
主要設備：9FX-60型錘片式粉碎機，配套功率18.5kW，轉子直徑800mm，粉碎室寬度300mm，單位面積吸風量3000m3/h，粉碎機壓力損失1200Pa；處理能力1t/h。
輸送材料：棉花秸稈粉碎顆粒，密度300kg/m3，平均含水量21.87％。
輸送要求：輸送系統(tǒng)的輸送能力≥800kg/h；輸送方式為氣力輸送。
2氣力輸送設備的設計及其零部件選型
設計氣力輸送時，首先根據生產要求確定理論生產量；其次考慮氣源設備布置，以此確定具體的輸送方式；最后進行相關參數的計算，根據計算所得參數進行設備的選型。生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)氣力輸送設備主要包括粉碎機、輸料管、分離器、風機以及關風機等，在此主要研究對象為分離器、輸料管、風機和關風機，以下是基本參數的確定[11]。
2.1旋風分離器的設計
旋風分離器的作用是分離氣流中的含塵顆粒物，主要應用在粉體工程領域。因其應用領域較為廣泛，故而產生了很多結構種類的分離器，根據不同結構分為短體、長體以及臥式；根據旋向分為下旋式、外旋式和內旋式。根據設計需求有多種不同形式的幾何機構，而每一種形式都有大量的比例結構可供選擇。設計分離器時需要考慮的因素有物料顆粒的物理特性、化學特性和空間布置等，對于生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)中分離器應考慮的因素主要是空間特性，對棉花秸稈的物理特性以及化學特性則無特別要求。
根據上述參數確定生物質固化燃料成型車的分離器部件總體尺寸為簡體直徑為350mm，總高為1130mm。
2.2輸送系統(tǒng)的風壓
為了確定輸送系統(tǒng)有關部件的合理參數并估算氣源設備所需的容量和功率，必須計算輸送系統(tǒng)的壓力損失，其中影響壓力損失的參數較多，主要有懸浮速度、氣流輸送速度以及混合比，這些參數已在上述計算中得出。
帶入相關參數與已知數值得生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)的總壓力損失為2953Pa。
2.3風機的選型
由上述計算得出系統(tǒng)所需總風量為1328m3/h，風壓為2953Pa。考慮一定余量，取余量系數為1.15，則風量為1460m3/h，風壓為3248Pa。
風機的電動機功率計算
2.4關風機的選型
關風機在氣力輸送中的作用是將分離器排卸的物料排到集料倉中，并隔絕外界空氣進入氣力輸送系統(tǒng)中。常見的有葉輪式和門閥式結構的關風機，在生物質固化燃料成型車中設計為葉輪式關風機。這種關風機具有結構簡單、性能穩(wěn)定、體積較小、制造方便等優(yōu)點，適用于物料流動性較好、磨削性較小的粉粒狀和小塊物料[14]。
根據排料量選擇關風機型號，按以下公式計算
3移動式固化成型車輸送系統(tǒng)的試驗分析
3.1試驗目的
通過生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)試驗裝置，開展不同風量變化對棉秸稈物料顆粒輸送效果影響的試驗分析，最終確定輸送系統(tǒng)部件的結構及參數。
3.2實驗設備
生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)的試驗裝置：錘片式粉碎機(型號9FX-60型，配備功率18.5kW)，離心風機(型號9-19NO4.4A，配備功率2.2kW)，風機(型號ZGFF-4型，配備功率0.75kW)，直徑為160mm的鋼制輸料管，簡體直徑350mm、總高1130mm的旋風分離器。
力學萬能試驗機：CMT6000系列微機控制電子萬能試驗機，精度等級一級(CMT6013型)。
顆粒懸浮速度測量儀器與設備：空氣顆粒物懸浮測試臺。
顆粒度測量儀器和設備：顆粒分級振動篩(WP一1000型)、粉體堆積密度計(HYI一103型)。
含水率測定儀器：鹵素快速水分測定儀(SFY一6型)；
3.3實驗過程和測量方法
1)棉花秸稈基本物理特性的測定。
(1)含水率測定。棉花秸稈含水量是影響粉碎、輸送和成型的重要因素，也影響到生物質燃料品質。含水率過低時，物料中的水分子間運動能力下降，水分擴散速率降低，使物料顆粒間摩擦性增大、流動性下降，從而導致固化燃料成型效果不佳；含水率過高時，水分環(huán)繞在物料顆粒之間，使得顆粒間結合不緊密，同時增加了物料的容重，加大輸送難度，導致成型效果不佳。研究人員指出，生物質原料的含水率在16％～18％左右時為最佳[15]。
(2)棉秸稈物理性能測定。通過粉塵堆積密度計測量棉花秸稈粉碎顆粒的堆積密度，運用斜箱法測量棉稈粉碎顆粒的休止角，獲得棉稈顆粒的流動性和摩擦性。
2)棉花秸稈粉碎顆粒的懸浮速度測量。棉秸稈物理性能測定完成后，通過空氣顆粒物懸浮測試臺測試棉秸稈粉碎顆粒的懸浮速度。懸浮速度是棉秸稈粉碎顆粒群在垂直輸送過程中，棉秸稈顆粒達到懸浮狀態(tài)時的最小氣流速度，該速度能夠反映出輸送物料的主要物理特性，是氣力輸送中最為關鍵的原始參數。圖3是生物質固化燃料成型車采用的原料棉花秸稈以及粉碎顆粒物懸浮速度測定設備圖。實驗所測棉花秸稈粉碎后顆粒的最小懸浮速度為8m/s，理論計算值為7.4m/s.與實測值相近。
3)生物質固化燃料成型車性能測試實驗。性能測試實驗分為兩個部分。首先進行棉秸稈粉碎、粉碎后顆粒輸送、分離和壓型四個階段的部件性能測試實驗。在實驗過程中，通過控制風機風量大小，分析風量與物料輸送量之間的關系，實驗過程中風量范圍為300～1100m3/h，每次增加風量為初始值的50％；最后做整機性能測試實驗。圖4是部件性能測試和整機性能測試實驗現場圖。
3.4實驗結果及分析
3.4.1棉秸稈物料物理特性
粉碎后測得棉花秸稈粉碎顆粒的堆積密度為300kg/m3，棉花秸稈粉碎顆粒的休止角為71°，平均含水量21.87％。從所測得的棉花秸稈物理特性中可以看出含水量略高于最佳范圍，因而對于棉花秸稈顆粒物的輸送會產生一定影響。棉花秸稈粉碎顆粒的休止角度較大，因而在輸送過程中會增大顆粒之間的摩擦，降低其流動性。
3.4.2風量與物料顆粒輸送量實驗
結果如表2和圖5所示，隨著風量的增加，輸送量第11期李有志等：生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)的設計與研究呈現先上升后下降狀態(tài)，依據風機額定功率，確定風機的最大風量為1260m3/h，移動式固化成型車輸送系統(tǒng)的最佳風量在700m3/h左右。
從圖5中可以看出，風量與輸送量在理論值下的關系幾乎成線性增長關系，即輸送量會隨著風壓的不斷增加而增大；但在試驗測試中卻表現為另一種關系，即輸送量開始隨風量的增大而增加，當輸送量后達最大值后，將不再繼續(xù)增加，而是略有所下降。分析其原因有以下幾點：(1)風量與輸送量在理論計算時，是成正比關系的，這是一種理想狀態(tài)下的關系；(2)物料含水率過高，使物料的輸送能力下降；(3)多因素交互影響，使輸送系統(tǒng)輸送效率降低。由此可以得出：風量過大會導致輸送效果下降，加快輸送管內壁的磨損使輸送物料顆粒的能力下降；風量過小則會使輸送過程中出現物料顆粒滯留在輸送管中，造成輸送不暢的問題；合適的風量可以使物料顆粒在輸料管中平穩(wěn)順暢的輸送，從而獲得最佳的輸送效果；輸送系統(tǒng)的輸送效率，對生物質固化燃料成型車的性能起到關鍵性作用。
3.4.3部件性能測試實驗
部件性能測試實驗結果見表3、表4。從表3可見，粉碎機粉碎顆粒的粒度主要集中在5～10mm，占總體的86.2％。從表4可見，粉碎機生產率0.98t/h以上，分離器的分離效率約為0.95t/h，成型機生產效率約為0.97t/h，也就是單位小時生產970kg固化成型燃料。
理論上分級部件的效率應該是逐級增加的，否則系統(tǒng)就會在輸送過程中發(fā)生堵塞、堆積等不良狀況，分析試驗中出現的情況為：當單獨試驗時，各部件均能保持較高處理能力，而當將這些部件組成一個系統(tǒng)時，各個部件之間會產生聯動現象。如單獨依靠粉碎機的風量是無法將棉花秸稈顆粒順利輸送至分離器進行分離的，只有將粉碎機和氣源風機組成一個輸送系統(tǒng)時，其風量才能將棉花秸稈粉碎顆粒順利輸送至分離器分離，同時，單機單位時間處理量比系統(tǒng)單位時間處理量大，故而此類現象為正常情況。
3.4.4整機性能測試實驗
整機性能測試實驗結果表明，移動式固化成型車輸送系統(tǒng)試驗裝置單位小時生產固化成型燃料930kg以上，高出4FY—0.8B型成型車的800kg/h，滿足生物質固化燃料成型車的生產要求。分析其低于單階段生產效率的原因為整機在各個階段中均有不同程度的損耗。
4討論
1)在試驗中，含水率的指標與最佳范圍存在一定差異，表現為較高的含水率，因而對物料顆粒輸送的影響程度無法評估，若要探究其影響，則需要設計新的實驗，分析不同含水量下，輸送系統(tǒng)的輸送效率。
2)對于輸送系統(tǒng)中關鍵參數的研究中，雖然能得到一般性結論，即風量與輸送量之間的變化規(guī)律，但是由于試驗次數較少，不能作為普遍規(guī)律。
3)在生物質顆粒的輸送過程中，影響因素較多，需要從多方面綜合考慮。在上述的研究中，還存在一些不足之處，需在今后進一步探究。
5結論
通過對生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)關鍵部件的設計選型以及試驗測試，確定的設備及參數如下：
輸料管：直徑160mm的鋼制輸料管。
旋風分離器：筒體直徑350mm，總高1130mm。
離心風機：風量為1264m3/h，壓力為3596Pa，配備功率為2.2kW。
關風機：容積為4L/r，配備功為0.75kw。
設計的生物質固化燃料成型車輸送系統(tǒng)，有效解決了輸送系統(tǒng)中分離器占據空間大以及物料輸送不暢的問題，并得出物料輸送的最佳風量為700m3/h左右時，輸送系統(tǒng)的輸送效果最佳。通過試驗與理論對比分析，得出了風量與物料輸送量的關系，表現為：輸送量與風量在初始階段呈遞增關系，當輸送量達到最大值時，輸送量隨風量的繼續(xù)增加，呈下降趨勢。
參 考 文 獻
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