我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，8億多人口生活在農(nóng)村，農(nóng)村能源尤其優(yōu)質(zhì)能源普遍短缺。農(nóng)村能源70%來自生物質(zhì)能，中國(guó)生物質(zhì)資源非常豐富，資源總量達(dá)6.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上。由于生物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，能量密度低，燃燒效率低，且難以找到合理的利用方式，大量的秸稈被遺棄荒燒，造成空氣環(huán)境的嚴(yán)重污染，筆者對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)等造成了嚴(yán)重的不良影響。為開發(fā)和利用國(guó)內(nèi)以秸稈為主的生物質(zhì)能源，筆者對(duì)液壓式生物質(zhì)成型機(jī)及配套秸稈成型燃料生產(chǎn)線所需的技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究。
1、液壓式生物質(zhì)成型機(jī)成型機(jī)理和技術(shù)路線
1.1 成型機(jī)理
該系統(tǒng)是在不加任何粘結(jié)劑的條件下對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱壓成型的。生物質(zhì)之所以能夠成型，主要是由于生物質(zhì)中木質(zhì)素的存在。木材中木質(zhì)素的含量為27%～32%（絕干原料），禾草類植物木質(zhì)素含量為14%～25%。通過X射線衍射表明，木質(zhì)素屬非晶體，沒有熔點(diǎn)，但有軟化點(diǎn)。試驗(yàn)表明：在一定的壓力下，當(dāng)溫度在70~100℃時(shí)其粘合力開始增加；溫度在200~ 300℃時(shí)，可以熔融。熱壓成型的合適溫度為140~ 200℃。該成型機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)活塞雙向擠壓成型機(jī)構(gòu)，在該溫度下通過雙出桿油缸兩端的沖桿擠壓成型套筒中的生物質(zhì)，由于外力的作用，粒子主要以相互靠緊的形式結(jié)合。隨著外力的增大，生物質(zhì)體積大幅度減小，密度顯著增大，生物質(zhì)內(nèi)部膠合外部焦化，并且具有一定的形狀和強(qiáng)度。在沖桿的擠壓作用下，生物質(zhì)成為棒狀從兩端成型套筒中交替擠出，成為既定形狀。由于采用了液壓驅(qū)動(dòng)，所以成型機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性好，噪音比較小，操作環(huán)境得到了明顯的改善。
富通新能源銷售生產(chǎn)的秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)專業(yè)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料。
1.2成型燃料生產(chǎn)線技術(shù)路線
秸稈生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)線的生產(chǎn)是將收集的秸稈生物質(zhì)先通過太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)進(jìn)行自然脫水，通過輸送帶進(jìn)入粉碎機(jī)；粉碎后的秸稈由氣力輸送裝置送入原料庫(kù)，再由輸送帶送人秸稈液壓式生物質(zhì)成型機(jī)中，即可得到成型燃料產(chǎn)品。
成型燃料生產(chǎn)線的工藝流程是：太陽(yáng)能干燥或直接曬干一輸送帶一秸稈粉碎機(jī)-+原料庫(kù)_輸送帶-+攪龍預(yù)壓喂人-+液壓式生物質(zhì)成型機(jī)_包裝_成品貯存。
2、成型燃料生產(chǎn)線的配套設(shè)備
成型燃料生產(chǎn)線設(shè)備包括太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)、秸稈粉碎機(jī)、液壓式生物質(zhì)成型機(jī)、生物質(zhì)燃燒爐和包裝機(jī)等；生產(chǎn)線采用的原料主要是秸稈類生物質(zhì)，如玉米秸稈、豆秸、稻草、棉稈和樹枝合木屑等；生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備是液壓式生物質(zhì)成型機(jī)。
3、試驗(yàn)材料與方法
3.1 原料及試樣制備
試驗(yàn)原料取自新鄭市周圍的玉米秸稈，經(jīng)自然曬干后，用粉碎機(jī)將其粉碎，粉碎后的平均粒度為31mm，含水率為9.5%。
3.2試驗(yàn)裝置與方法
試驗(yàn)采用液壓生物質(zhì)成型機(jī)、粉碎機(jī)、電熱干燥箱、分析天平、臺(tái)秤、磅秤、干濕溫度計(jì)、噪音計(jì)、游標(biāo)卡尺、30～100A電度表、秒表和玉米秸稈等。
試驗(yàn)條件：生產(chǎn)環(huán)境溫度為18℃，濕度為25%。
檢測(cè)方法：將測(cè)試設(shè)備與成型機(jī)連接好后，使成型機(jī)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，從測(cè)試儀器設(shè)備中記錄出相應(yīng)的參數(shù)。在每一個(gè)成型溫度條件下，使成型機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行30min，測(cè)試3次，然后取其平均值。
3.3試驗(yàn)結(jié)果及分析
上述基本試驗(yàn)條件下，成型機(jī)在不同成型溫度下生產(chǎn)出的成型棒冷卻后直徑如表1所示。
成型棒冷卻后，由于內(nèi)部的水蒸汽膨脹和吸收空氣中的水分，當(dāng)成型溫度高時(shí)，成型棒成型后內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較多的水蒸汽，這可以看作是使成型棒膨脹的內(nèi)在動(dòng)力；在成型棒冷卻過程中，其干燥的表面會(huì)吸收空氣中的水分，從而使成型棒膨脹，這是造成成型棒膨脹的外部動(dòng)力。從試驗(yàn)結(jié)果以看出，在其它生產(chǎn)條件相同的條件下，成型棒冷卻后直徑隨著成型溫度的增加而增加。
不同成型溫度下的成型棒膨脹率折線圖如圖l所示。從圖1可以看出，冷卻后成型棒膨脹率隨著成型溫度的上升逐漸增加，其曲線接近線性關(guān)系。這說明，冷卻后成型棒的密度隨著成型溫度的升高而減小。在300℃時(shí)，成型棒的直徑最大，則其密度最低；而在210℃時(shí)，成型棒的直徑最小，則其密度達(dá)到最大值。所以，在保證成型棒順利成型的前提下，成型加熱溫度應(yīng)該盡量降低。這樣既可以減少加熱能耗，降低生產(chǎn)成本，又可以保證成型棒的成型效果。根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，如表2所示。從表2可以看出：在液壓生物質(zhì)成型機(jī)生產(chǎn)過程中，加熱溫度在230℃以上時(shí)，加工出來的成型棒表面光滑程度較好；在220℃和210℃時(shí)，其表面光滑程度降低；在200℃幾乎不能成型。這說明，加熱溫度對(duì)成型棒的成型效果有很大的影響，是影響成型效果的一個(gè)比較關(guān)鍵的因素。所以，加熱溫度的確定是成型機(jī)生產(chǎn)參數(shù)確定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
加熱溫度在230℃以上時(shí)，成型棒出模比較順利；加熱溫度為220℃，成型棒出模開始出現(xiàn)困難；在210℃時(shí)，可以看到成型棒出模明顯困難；而在200℃時(shí)，成型棒幾乎不能出模。成型棒的加熱溫度在210—230℃之間時(shí)，其表面顏色為灰褐色，成型棒出模比較困難；在240~260℃之間時(shí)，成型棒顏色為灰黑色，且出模相對(duì)順利；在270℃及其以上時(shí)，成型棒表面呈焦黑色，出模比較順利。這說明，加熱溫度對(duì)成型棒出模順利程度影響很大，加熱溫度的高低直接決定了成型棒是否出模。
根據(jù)試驗(yàn)情況可以得出，要想保證成型棒出模順利，加熱溫度必須在230℃以上。成型溫度在260℃以上時(shí)，成型棒出模冷卻后的膨脹率較大，冷卻后表面裂紋較多；加熱溫度在260℃以下時(shí)，成型棒冷卻后膨脹率較小，表面比較光滑。可以看出，冷卻后成型棒表面裂口的大小隨著加熱溫度的降低而減小。
在液壓式生物質(zhì)成型機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程中，其空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的最高噪音為82dB，進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)的最高噪音穩(wěn)定在90dB左右。不同成型溫度下的成型壓力如圖2所示。
從圖2可以看出，成型機(jī)的成型壓力隨著成型加熱溫度的升高而逐漸較小，可見增加成型溫度可以降低成型壓力。這主要是由于溫度增加可以使成型棒在成型階段表面軟化，降低了成型棒出模時(shí)的摩擦阻力，從而可以降低液壓系統(tǒng)的工作阻力，使液壓壓力下降。由于成型機(jī)生產(chǎn)過程中的噪音主要是由液壓系統(tǒng)造成的，所以液壓壓力的下降也可以使生產(chǎn)過程中的噪音降低。這就要求在成型機(jī)生產(chǎn)過程中選擇合適的成型溫度，以充分利用液壓能而又不使液壓壓力過高。
4、結(jié)論
根據(jù)以上試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論：液壓生物質(zhì)成型機(jī)在生產(chǎn)原料的種類、原料粒度、含水率、成型壓力、成型套筒的錐長(zhǎng)和錐角、成型周期、摩擦力及喂入頻率不變化的情況下，環(huán)境溫度為18℃、環(huán)境濕度為25%時(shí)，生產(chǎn)線生產(chǎn)方案的制定要考慮以下因素：一是加熱溫度在230℃以上時(shí)，成型棒表面光滑程度較好，所以加熱溫度應(yīng)該在230℃以上才能保證加工出來的成型棒的表面光滑度；二是加熱溫度應(yīng)在230℃以上時(shí)，才能保證成型棒的出模順利，從而保證成型生產(chǎn)過程的連續(xù)性和成型機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性；三是成型棒出模后的表面顏色不是影響成型的主要因素，但是當(dāng)成型棒表面為焦黑或者灰黑色時(shí)成型比較順利，表面為灰褐色時(shí)，成型開始出現(xiàn)困難，所以成型棒的表面顏色可以作為表征秸稈成型順利程度的指標(biāo)之一；四是成型棒出模冷卻后的膨脹率不應(yīng)太大，冷卻后表面應(yīng)比較光滑，所以機(jī)組正常生產(chǎn)時(shí)的加熱溫度應(yīng)該控制在260℃以下；五是成型機(jī)的成型壓力隨著加熱溫度的升高而逐漸較小。在成型機(jī)生產(chǎn)過程中，要選擇合適的成型溫度，以充分利用液壓能而又不使液壓壓力過高；六是在整個(gè)試驗(yàn)過程中，液壓生物質(zhì)成型機(jī)正常工作時(shí)的最高噪音穩(wěn)定在90dB左右，在人體承受范圍之內(nèi)。
綜合考慮影響液壓式生物質(zhì)成型機(jī)生產(chǎn)時(shí)的生產(chǎn)率、成型部件磨損、原料含水率變化、成型機(jī)體壽命以及能耗等因素，把生產(chǎn)時(shí)的加熱溫度穩(wěn)定在240～250℃之間為適宜溫度。
富通新能源銷售生產(chǎn)秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們也銷售大量的生物質(zhì)顆粒燃料。
