生物质颗粒成型的精准式上料装置研究

孙启新¹，陈书法¹，董玉平²

（1.222005江苏省连云港市淮海工学院机械工程学院；2.250061山东省济南市山东大学高效洁净机械制造教育部重点实验室）

　　[摘要]：生物质固化成型是解决其收集、运输和储藏的关键技术。平模碾压是常用的生物质颗粒生产方式，通过碾压产生的热量可使木质素软化，为生物质固化提供内部粘结力。试验发现布料厚度对生物质成型率和能耗有很大影响。通过响应曲面法和多目标优化设计获得最优物料厚度及成型条件。在此基础上设计了精准式布料装置，该装置采用气压输送实现上料布料，通过对气压进行调整，便可对上料速度进行控制，实现了均匀布料，保证物料在平模上被充分碾压。该装置所设布料管可随碾压辊一起旋转，实现边布料边碾压。通过试验与普通上料装置比较，该装置可进一步提高生物质成型率4%左右，降低能耗6%左右。减小压辊的径向受力的波动，提高设备使用寿命。

　　0引言

　　生物质在地球上分布广泛，取之不尽，用之不竭。我国农作物秸秆年产量约7.2亿t，这是一笔巨大的能源储备，但其有效利用率却不足30%。生物质作为能源，存在能量密度小，形态各异，运输不便，使用过程不能方便、洁净地实现能量转换，储存和使用占用空间大等缺点，成为制约生物质规模化利用的“瓶颈”。生物质成型技术是解决这一“瓶颈”的有效方法。生物质成型就是将松散的生物质加工成具有一定密度、形状的颗粒^[1]。成型颗粒可替代石化能源，用于日常生活和工业生产中。

　　目前国内外生物质固化成型技术及设备的研究发展主要有^[2]：日本开发的螺旋挤压方式生产的棒状成型技术、欧洲各国开发的活塞式挤压条状成型技术、美国研发的内压滚筒颗粒状成型技术。螺旋挤压式和曲柄活塞冲压成型物密度稍低，容易松散，且不能连续生产，上述两种设备能耗大，主件易磨损，寿命较低，平均寿命60～80h，大大增加了生物质固化成型的成本。

　　我国多采用环模辊碾压和平模碾压生产方法。此两种方法连续性挤压成型，生效率较高。但现有设备上料靠人工，布料量难以精确控制。随意布料造成原料的厚度不均匀，无法对生物质进行充分碾压，同时严重影响碾压辊运动平稳性，造成设备损坏。人工上料，一次会上很多的料到成型内，而物料成型在生产过程中是作旋转运动的，这又加剧了能源的损耗。所以传统颗粒成型机的产品制造成本较高、生产率低。

　　本文针对生物质微粒布料问题，设计一种适用于平模式生物质颗粒成型机的精确上料布料装置，确保原料均匀平铺在平模上，使生物质被充分碾压，颗粒成型更均匀。同时进一步提高生产效率，降低能耗。

　　1物料厚度对成型性能的影响

　　生物质主要组成成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中秸秆类生物质中纤维素占70%左右，木质素占17％～25%^[3-4]。纤维被粉碎后形成颗粒状，在压缩成型过程中，颗粒进一步破裂成微小颗粒，同时颗粒发生剪切流动对颗粒间的间隙进行填充，剪切填充进一步引起颗粒的破裂，而破裂进一步引起剪切填充流，直到整体致密。微小颗粒的剪切和填充运动会产生大量的摩擦力，从而产生大量的热量。这些热量和填充压力给了木质素活化的能量，促使木质素软化和塑化，此时木质素具有较好的粘结性，木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了粘结力，随着材料的硬化，小颗粒永久地粘结在一起。对木质素进行充分摩擦碾压，激活木质素的活化性能，是提高生物质颗粒成型率的关键因素。

　　1.1物料厚度成型性能的影响

　　平模式碾压可实现生物质在碾压辊和平模之间的碾压和摩擦。图1所示为平模式碾压原理图。模辊间隙δ是颗粒成型的关键。间隙过大时，碾压辊对原料的挤压力变小，原料无法从成型孔流出，使原料堆积在成型室内，最终导致成型机被堵死。间隙过小，喂入原料量少，生产率低，能耗高^[5-6]。

　　根据不同的模辊间隙δ，物料在辊道上的平铺厚度h也会严重影响生物质成型。h过小造成生产率低，过大同样也会造成堵模死机。

　　研究物料厚度对生物质成型过程的影响，本文选取玉米秸秆、小麦秸秆、花生壳和油菜秸秆进行实验。模辊间隙为0.3mm，主轴转速为120r/min，平模上成型孔直径为8mm^[7-8]。将物料厚度与每吨颗粒能耗、成型率的关系绘成图2和图3的曲线。

　　图2显示，能耗随物料厚度增加而减小，到达一定值后又向相反方向变化。每一种物料各有一个与能耗最小值对应的物料厚度。相同厚度的各种物料能耗相比较，油菜秸秆的最大，花生壳的最小。其原因是花生壳的木质素含量最大，而油菜秸秆的木质素含量最小。

　　图3显示，成型率随物料厚度的增加先增大后减小。由于模辊间隙是固定的，当物料较少时碾压力会很小，不利于物料从平模底部成型孔中流出。随着物料量的增加，碾压力增大，成型率上升。物料增加到一定量时，处于厚度中间部位的物料无法得到充分碾压，所以成型率出现了下降。由于花生壳的木质素含量最大，在碾压过程中，花生壳木质素软化后提供的内部粘结力会大一些，成型相对会容易一些，其成型率相对较高。

　　从图2、图3得出，充分发挥木质素的粘结性是提高生物质成型性能的关键。要促使木质素活化，必须对物料进行充分碾压。物料厚度过小或过大都不利于生物质的成型。

　　2.2物料厚度优化

　　以吨能耗Q/kW和成型率η/%为优化目标，以物料厚度h/mm、模辊间隙δ/mm、模辊转速n/（r／min）和木质素含量准/%为设计变量，设X=（x1，x2，x3，x4，)=(h，δ，n，h)。优化目标与设计变量之间关系模糊，至今没有明确的函数公式来表达。优化目标函数采用如下形式：

　　根据生物质成型特点，设计安排了三因素四水平的正交试验，试验因素与水平见表1所示。运用正交试验获得实验数据如表2所示

　　3变量式布料装置

　　为精确控制布料厚度，本文设计的一种新型料布料装置，结构如图4所示。

　　连接座2通过螺纹连接固定在成型机旋转座上，随压辊一起旋转，其内部设计为锥形，便于物料从其内部流出。布料管1末端做成鸭嘴状，随连接座做圆周旋转，在旋转过程中将物料均匀地平铺在滚压道上。静止接头5通过轴承6与连接座连接，当连接座旋转时，静止接头固定不动，这样可与上料管可靠连接，完成原料输送。静止接头5通过输料管与气动物料输送泵相连接。为保护固定轴承，上方加一上盖4，下部加一陶瓷密封3，同时防止物料泄露。

　　该布料装置在平面内布置如图5所示。两根布料管交错间隔设置在碾压辊的正前方。物料平铺到辊道上，碾压辊和二次碾压辊随后顺序对生物质进行碾压成型。在生产过程中可根据碾压情况随时调整布料厚度和速度。

　　与现有技术相比，本装置设计合理，其优点：实现物料均匀地平铺在平模辊道上，便于生物质的充分碾压；实现即时上料，减少平模上方及顶部料斗内的物料，节省能源消耗；物料均匀布置，保证碾压辊所受径向力和摩擦力的均匀，防止旋转轴剪切折断，提高设备使用寿命；采用气动物料输送泵，减小设备顶部的料仓，输送泵放置在地上完成地面物料的输送，减少了设备的整体高度；通过操控阀控制物料输送速度、出口压力和输送量，可实现间歇式或连续式送料。

　　以玉米秸秆为例，在普通平模碾压成型机加上该布料装置后进行吨能耗和成型率试验。图6是每吨生物质成型颗粒所产生的能耗，从图6中看到，不论碾压辊转速为多少，使用精准均匀布料方式吨能耗下降了5%～6%。图7为颗粒成型率，使用可控式均匀布料方式成型率提高了3%～4%。

　　4结论

　　生物质成型过程是填隙流和剪切流的混合，会产生大量热量，而木质素在这一温度变化过程中被软化，木质素的软化为生物质微粒的团聚提供了粘结力，充分激活木质素的活化性是提高颗粒成型率的一个关键。对物料进行充分的碾压可产生大量热能，进一步提高木质素的粘结性。

　　本文研究设计的精准布料装置通过气压输送和布料管的旋转运动，可实现均匀精准布料，保证了物料被充分碾压。可进一步提高生物质成型率4%左右，降低能耗6%左右。同时减小压辊的径向受力的波动，提高设备使用寿命。

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