稻草秸稈壓縮研究及制粒機(jī)械設(shè)計(jì)

譚季秋，劉軍安，朱培立，宋曉波，戴 明

（1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，湘潭411101；2.湖南工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)0502班，湘潭411101；）

0 引 言

中國作為農(nóng)業(yè)大國，具有豐富的可再生能源和新能源資源，僅農(nóng)作物秸稈每年產(chǎn)量達(dá)9億多噸，這些資源不僅沒有得到有效利用，在有些地方甚至成為負(fù)擔(dān).＂節(jié)能減排＂、新能源和可再生能源開發(fā)利用是當(dāng)今國際上的一大熱點(diǎn)[1].新華社曾經(jīng)呼吁：《給科學(xué)家出道難題－幫助農(nóng)民找到處理秸稈的辦法》.如何開發(fā)利用秸稈問題，是當(dāng)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的重大課題之一.

生物質(zhì)能是可再生能源十分重要的組成部份，資源十分豐富，是取之不竭的可持續(xù)利用的能源.它的合理、高效開發(fā)利用，對解決人類的能源危機(jī)和改善人們生存環(huán)境起著十分積極作用[2].生物質(zhì)燃料發(fā)展很快，在西歐及日本等國已成為一種產(chǎn)業(yè)，一些國家還在這方面開展了國際合作.我國“中國新能源和可再生能源發(fā)展綱要 （1996－2010年）”中提出要將＂發(fā)展高效的直接燃燒技術(shù)、致密固化成型技術(shù)、氣化液化技術(shù)＂作為今后工作的一個主要方面來抓.堅(jiān)持自主開發(fā)與引進(jìn)消化吸收相結(jié)合的技術(shù)路線，積極開展對外交流與合作[3].稻草秸稈自身密度小，很不利于運(yùn)輸和儲存，影響其深加工或二次開發(fā)利用[4].稻草秸稈壓制后，具有很高的壓縮比，極大地方便了生物質(zhì)資源的運(yùn)輸和儲存，同時改善了生物質(zhì)燃料的燃燒性能，提高了生物質(zhì)資源的利用效率.在國家調(diào)整農(nóng)村能源結(jié)構(gòu)中，推廣和應(yīng)用秸稈壓縮制粒機(jī)，有著巨大的社會效應(yīng)、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展前景.

本文基于生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)，對稻草秸稈成型機(jī)理及成型參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了一種平模制粒壓縮機(jī).制粒機(jī)壓輥擠壓平模上已粉碎的稻草秸稈，從?？讛D出的相對高密度稻草棒粒燃料，是一種可以替代原煤的新型環(huán)保燃料[5].該機(jī)械能有效地降低能耗、減少磨損，有著較高的生產(chǎn)率.

1 生物質(zhì)壓縮燃料成型原理及工藝

生物質(zhì)壓縮燃料，是以稻草秸稈、木屑、樹皮等農(nóng)林剩余物為原料，在高壓加熱條件下，壓縮成顆粒狀、棒狀、塊狀等質(zhì)地堅(jiān)實(shí)的成型物，可作為工業(yè)鍋爐、民用爐灶、家庭取暖爐以及農(nóng)業(yè)暖房的燃料[5].

雖然不同的植物其組成成分不同，但纖維素、半纖維素和木素是植物體的主要成分，一般占植物體成分的2／3以上.木素屬非晶體，在常溫下木素主要部分不溶于任何有機(jī)溶劑，沒有熔點(diǎn)但有軟化點(diǎn).當(dāng)溫度達(dá)70～110℃ 左右時，軟化粘合力開始增加；在200～300℃時，軟化程度加劇而達(dá)到液化，此時加以一定壓力，可使其與纖維素緊密粘接，同時與鄰近的秸稈顆粒互相交接.稻草秸稈植物細(xì)胞中含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素（或稱木素），自然密度小，通常為0.03～0.05.當(dāng)達(dá)到一定的溫度并加以適當(dāng)壓力，可不用任何粘接劑，經(jīng)過一定形狀的成型孔眼，形成具有固定形狀的壓縮成型棒粒燃料.

影響生物質(zhì)壓縮成型的主要因素有：原料種類、含水率、粒度、成型壓力和壓縮成型模具的形狀尺寸及加熱溫度等.

通過調(diào)查，稻草秸稈壓縮成型質(zhì)量，關(guān)鍵因素是秸稈熱成型工藝及成型設(shè)備.粗加工處理后的原材料，在高溫狀態(tài)、不添加任何黏合劑的情況下，通過機(jī)械擠壓，使其由松散態(tài)變成密縮態(tài)，變成具有一定的形狀、強(qiáng)度和密度的成型棒粒料.稻草秸稈成型工藝流程如圖1.

圖1 稻草秸稈成型工藝流程

2 稻草秸稈壓縮機(jī)械

生物質(zhì)熱壓成型技術(shù)發(fā)展到今天，市場上有著多種不同成型方式的制造設(shè)備，這些設(shè)備各有優(yōu)點(diǎn)，但普遍存在著能耗較高，生產(chǎn)率較低的缺點(diǎn).目前世界各地研制生產(chǎn)的成型燃料主要有兩類.一類是壓縮塊 （Briquette），另一類是壓縮粒，根據(jù)成型原理的不同，壓縮成型機(jī)可分為以下三種類型：

（1）活塞壓塊機(jī)（Piston press），其產(chǎn)品是壓縮塊，如圖2所示.

圖2 活塞壓塊機(jī)壓縮成型示意圖

（2）螺旋壓塊機(jī)（Extruder pres），螺旋壓塊機(jī)又可分為不加熱（如圖3）和加熱（如圖4）兩種.圖4生物質(zhì)中的木炭素受熱塑化后具有粘性，使生物質(zhì)原料熱壓成型.

圖3 螺旋壓塊機(jī)壓縮成型示意圖

圖4 電加熱螺旋壓塊機(jī)

（3）模壓造粒機(jī)（Matrix pellet pre）其產(chǎn)品是壓縮粒.一種是平板模造粒機(jī)（Disk matrix peet press），如圖5.平板模上有4～6個滾子隨滾子軸作圓周運(yùn)動.原料在滾子與模板間受擠壓，多數(shù)原料被擠入模板孔中.切割刀將模板孔中擠出的壓縮條，按需要長度切割成粒.另一種是環(huán)板模造粒機(jī)（Ring matrix pellet press），如圖6.其結(jié)構(gòu)較簡單，工作時模板與滾子的磨損較少，故能耗量也較低.通過調(diào)研比較，本設(shè)計(jì)選用平板模制粒機(jī).

2.1 平板壓模的設(shè)計(jì)

制粒機(jī)械的設(shè)計(jì)主要有壓模、壓輥和轂套的設(shè)計(jì)和驅(qū)動電機(jī)的選擇等幾個部分.平板壓模是稻草秸稈壓縮成型的核心部分.它的性能直接影響秸稈能否壓縮成型，成型的密度能否達(dá)到要求，影響到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和生產(chǎn)成本的高低.平模壓模示意圖如圖7.

圖7 平板壓模示意圖

2.1.1 平板壓模的材料選擇

根據(jù)物料的腐蝕性和平模工作壓強(qiáng)選擇材料，平模的材料一般是碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼或不銹鋼，對腐蝕性強(qiáng)的物料、?？仔〉钠侥Ｒ话氵x用不銹鋼，加工稻草秸稈選用碳鋼材料.

2.1.2 平板壓模的?？捉Y(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)的確定

稻草秸稈原料在成型過程中，成型機(jī)結(jié)構(gòu)、?？捉Y(jié)構(gòu)以及成型工藝是相關(guān)的.根據(jù)稻草秸稈壓縮成型原理和成型顆粒大小要求，確定?？捉Y(jié)構(gòu)和尺寸如圖8所示.?？拙哂胁煌倪M(jìn)口直徑，中央直徑和出口直徑，入口直徑D和中央直徑d的平方比，主要決定成型壓力；入口角度a和L／D，因不同生物質(zhì)原料而不同.進(jìn)行試驗(yàn)時考慮入口角度α＝30°或α＝60°；中央直徑Φ＝6mm或Φ＝10mm；模板厚度L＝60mm或L＝70mm.考慮減少摩擦和提高生產(chǎn)效率，確定?？捉Y(jié)構(gòu)和尺寸如圖8所示.

圖8 模孔結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)表明：成型機(jī)結(jié)構(gòu)和?？捉Y(jié)構(gòu)是影響原料成型的主要因素.成型工藝確定后，通過試驗(yàn)，來測定成型壓力、溫度、原料粒度和含水率的關(guān)系.

2.2 壓輥和轂套的設(shè)計(jì)

經(jīng)過錘片式粉碎機(jī)粉碎過的稻草秸稈從進(jìn)料斗進(jìn)入成型機(jī)，安裝在主軸上的撥盤隨主動軸的轉(zhuǎn)動，將稻草秸稈均散在平板壓模上，通過轂套帶動壓輥的不斷旋轉(zhuǎn)，對壓模產(chǎn)生壓擠，將稻草秸稈擠壓成型.壓輥的材料一般選用碳鋼（或合金結(jié)構(gòu)鋼）.壓輥設(shè)計(jì)成圓柱型的滾子，圓柱的中心鏜空，用于和轂套的安裝..轂套的伸出軸與轂套主體部分采用焊接結(jié)構(gòu)，轂套有兩個方面的作用：

（1）傳動作用.通過鍵傳動，帶動安裝在它上面的壓輥轉(zhuǎn)動；

（2）調(diào)整作用.通過調(diào)整其上方和下方的對頂螺母來控制壓輥對壓模的壓力和相對距離，即壓入?？字械静萁斩捔康亩嗌?

2.3 電動機(jī)的選擇

電動機(jī)的選擇包括容量的選擇、電機(jī)種類的選擇、電壓的選擇、轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)型式等的選擇.經(jīng)過估算比較，選擇YCT225－4B型電磁調(diào)速異步電動機(jī)，參數(shù)選擇過程（略）.

2.4 制粒機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

制粒機(jī)是生產(chǎn)成型燃料的關(guān)鍵設(shè)備，它的性能優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和生產(chǎn)成本的高低，制粒機(jī)械的設(shè)計(jì)主要有壓模的設(shè)計(jì)、壓輥和轂套的設(shè)計(jì)和驅(qū)動電機(jī)的選擇等幾個部分.機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示.

圖9 制粒機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 制粒試驗(yàn)及結(jié)論

（1）制粒機(jī)使用調(diào)試：正確控制壓輥與壓模間隙.制粒過程中，壓模與壓輥的間隙極為重要，間隙過大，易造成物料在模輥間打滑，產(chǎn)量低，有時還會不出粒；間隙過小，模輥機(jī)械磨損嚴(yán)重，影響使用壽命.合適的模輥間隙應(yīng)為0.05～0.3mm，即壓模與壓輥剛好接觸.壓輥與壓模整好后，開車空轉(zhuǎn)，檢查主軸是否有軸向竄動，如果有軸向竄動，應(yīng)調(diào)整主軸的軸向位置，直到無竄動為止.此外，壓輥要轉(zhuǎn)動靈活，止退墊圈要鎖好，并要加足黃油，避免軸承溫升過快缺油損壞.

（2）稻草秸稈壓縮成型參數(shù)：顆粒壓制成型過程中，壓強(qiáng)達(dá)到50～100MPa，稻草含水率在10%～15%時就可以成粒.對已干稻草可在加工前8h左右調(diào)整含水量.

（3）?？坠庹⒍氯幚?新壓模有很多原因會造成?？锥氯撇怀鰤嚎s顆粒.新壓模出廠前進(jìn)行光整加工，要達(dá)到最高產(chǎn)量還需用物料磨光.堵模浸入油內(nèi)清理等.

傳統(tǒng)制粒技術(shù)，制粒成本高，平模壓縮制粒機(jī)關(guān)鍵和創(chuàng)新點(diǎn)在模孔設(shè)計(jì)，通過試驗(yàn)＂稻草秸稈壓縮燃料制粒機(jī)＂機(jī)器磨損大大減小，能耗降低，總成本降低很多.

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