生物質(zhì)顆粒成型影響因素分析

王美美++王詠梅++韓文清

摘 要：生物質(zhì)顆粒作為生物質(zhì)能源的重要利用形式，研究其成型過程中的影響因素有著重要意義。本文主要從原料、過程、設(shè)備三方面研究分析了影響生物質(zhì)顆粒固態(tài)成型的因素，及其對顆粒質(zhì)量系數(shù)（PQF）和顆粒耐久性指數(shù)（PDI）等指標(biāo)的影響，各因素間的作用是相互關(guān)聯(lián)的，其中設(shè)備孔型參數(shù)是分析研究的重點因素，是顆粒成型設(shè)備研究開發(fā)進行的前期基礎(chǔ)研究。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì) 固態(tài)成型 成型因素 顆粒質(zhì)量系數(shù) 耐久性指數(shù)

中圖分類號：TK4；S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（b）-0237-03

Abstract： Biomass particle is an important form of biomass energy， the study on the key factors in the process of pelletization is significant. This paper studied and analyzed Granulating molding factors and the influence on the particle quality factor（PQF）， The pellet durability index（PDI）， it was studied form three aspects of raw material， pelletization process and equipment. The effect of factors was interact， the equipment of hole pattern parameter was significant factors， was also research basis of pellet equipment development.

Key Words： Biomass； Pelletization； Granulating molding factor； Particle Quality Factor（PQF）； Particle Durability Index（PDI）

在全球高速發(fā)展的今天，生產(chǎn)生活對能源的依賴程度越來越高，能源已成為制約國家經(jīng)濟發(fā)展的基本物質(zhì)。石化能源作為一次能源，因儲量有限不能再生趨于枯竭，而引起全球各國的高度重視。生物質(zhì)能源作為可再生資源，在石化替代能源中占有重要地位[1]。開發(fā)生物質(zhì)能源不僅能夠補充石化能源的短缺，還可產(chǎn)生重大的環(huán)境效益。將松散的生物質(zhì)原料經(jīng)固態(tài)成型技術(shù)轉(zhuǎn)化為顆粒燃料是生物質(zhì)能源的一種高效簡單實用的利用形式。我國有著豐富的生物質(zhì)資源，對開發(fā)生物質(zhì)能的利用技術(shù)提供了廣泛的原料保證。雖然我國在該技術(shù)領(lǐng)域研究開發(fā)起步晚，但隨著市場及環(huán)境需求日益增高，研究生物質(zhì)顆粒燃料的成型因素，對開發(fā)推進我國生物質(zhì)固化成型技術(shù)及其設(shè)備的規(guī)?；鸬胶艽蟮拇龠M作用。

生物質(zhì)顆粒成型的過程，實際為生物質(zhì)中的部分物質(zhì)發(fā)生塑變相互嵌合并伴有有機物的軟化膠合的物化過程。這一過程以物理變化為主體，化學(xué)變化為輔助，受到了原料成分、原料粒度、原料濕度、成型溫度、物料層厚、擠壓速度、擠壓壓強及成型型孔參數(shù)等多方面影響[2-3]。

1 原料因素

1.1 原料成分

由于原料一般是由幾種不同成分組成，而不同成分對顆粒固化成型的影響是不同的。有些成分如生物質(zhì)中的蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等，在一定壓力或溫度下發(fā)生軟化、塑變從而形成具有膠合性質(zhì)的有機質(zhì)，有些成分如木屑中的纖維素、生物垃圾中的無機顆粒等等，是不易分解或者裂解，在顆粒成型過程中象分散劑一樣阻礙了顆粒成型，而生物質(zhì)原料中大部分物質(zhì)不是很容易分解或軟化的。原料成分是影響顆粒耐久性指數(shù)（以下簡稱PDI）的主要因素。原料成分對PDI的影響，在各種影響因素中所占的比例約為40%左右[4]。原料中的各種成分對整個PDI的貢獻(xiàn)率是不同的，根據(jù)不同物質(zhì)對PDI的貢獻(xiàn)率大小不同，把一些常用的原料給出不同的顆粒質(zhì)量系數(shù)（以下簡稱PQF）見表1[5]。PQF越大的原料，制出的顆粒越緊密，PDI越高，反之則越低。如膨潤土、木質(zhì)素等，其PQF較高，一般可作為粘結(jié)劑來使用，如酸性油等，其PQF值為-40，這是由于油脂類原料組分很多，從而在微粒間相互產(chǎn)生油膜，而油膜的存在導(dǎo)致了微粒的分散隔離，而使得制出的顆粒不能有效結(jié)合，越是松散，則顆粒的PDI越低。當(dāng)原料中各成分的顆粒質(zhì)量系數(shù)加權(quán)和>4.7能獲得較好的顆粒質(zhì)量，見式（1）：

（1）

式中：PQ為顆粒質(zhì)量因子，PQ>4.7時顆粒能獲得較好的質(zhì)量；PQFi為第i種成分的顆粒質(zhì)量系數(shù)；Fi為第i種成分在原料中的權(quán)重（%）。

1.2 原料粒度

粒度越細(xì)，粒子的表面積越大，粒子之間越容易結(jié)合，同時混合調(diào)質(zhì)時更容易吸收熱量和水份，生物質(zhì)的軟化糊化度越好，從而使得制出的顆粒越密實光滑，不易發(fā)生開裂和細(xì)粉。然而粒度越細(xì)小，粉碎工序能耗就越高，故而也不過分追求較小的粒度[6]。原料粒度的均勻性也很重要，粉碎后的原料中不能有過大的顆粒，過大的顆粒不容易和其它原料結(jié)合，影響混合調(diào)質(zhì)均勻性，制粒后顆粒表面易產(chǎn)生凸凹不平的現(xiàn)象，且在大顆粒周圍容易產(chǎn)生輻射式裂紋，造成顆粒易破損。從制粒角度來講，原料粒度越細(xì)小，制粒強度高，但不宜調(diào)節(jié)濕度，易于結(jié)團粘結(jié)，且原料粉碎過細(xì)，造成粉碎能耗過高；粒度過粗，型孔進入困難，增加模孔及壓輥的磨損，制粒成形困難，尤其是小孔徑模具成形更難，并造成物料軟化糊化效果差，導(dǎo)致物耗高、產(chǎn)量低、產(chǎn)出顆粒含粉率高。因此，原料粒度一般為顆粒直徑的1/2～2/3或粉碎控制時采用于半顆粒直徑的篩板，最大不宜>10mm。這樣就能避免粉碎能耗過大，又保證了加濕混合調(diào)質(zhì)所需的粒度，利于減少顆粒的含粉率。另外應(yīng)注重制粒前的混合均勻度，使混合均勻度變異系數(shù)達(dá)到5%左右，將給后面制粒工序奠定良好基礎(chǔ)。endprint

1.3 原料濕度

在生物質(zhì)原料中化合水和自由水起到潤滑劑的作用，使粒子間的內(nèi)摩擦減小，流動性增強，從而促進粒子間的結(jié)合，而且由于水解作用及生物質(zhì)的吸水軟化增進了塑變粘合化作用，合適的濕度可促進顆粒的成型，一般不同的原料適用濕度不盡相同，宜受溫度成分等影響，大部分原料的濕度為8%～15%，但也有個別物料的濕度要求較高，如柚木木屑甚至達(dá)到50%等，不常見的原料最好進行測試，以保證顆粒效果。對于濕度過大的原料在進行制粒前必須經(jīng)過處理降低水份，通常采用烘干工藝處理[7-8]。

2 過程因素

2.1 成型溫度

生物質(zhì)成型的過程主要就是部分有機成分在一定的溫度和壓力下軟化塑變粘合成型的過程，所以成型溫度是生物質(zhì)顆粒成型的重要影響因素[9]。一般來說，生物質(zhì)中的有機成分開始軟化的溫度為70℃～80℃，大約160℃時塑變粘合，而到240℃時部分有機成分開始液化。所以當(dāng)成型時的溫度達(dá)到60℃時，原料開始軟化，流動性提高，隨著溫度的升高，物料運動阻力越來越小，成型阻力也隨之降低。據(jù)測定常溫成型與熱態(tài)成型的壓力相差近2倍。但也不是溫度越高越好，溫度過高會造成生物質(zhì)碳化，不利于成型，且由于這種碳化的不均勻和不可控，將會影響顆粒品質(zhì)及熱值。

2.2 物料層厚

物料進入擠壓區(qū)，使得壓輥與模具間形成一個間隙，這一間隙就是物料層厚。物料層厚是物料進入擠壓區(qū)前的一個預(yù)處理階段，這時壓輥對料層中的物料有一個預(yù)壓縮力。對于不同?？字睆降某尚湍＞邅碚f，一般壓制小直徑的顆粒選用較小的間隙，壓制較大直徑的顆粒選用較大的間隙。

物料層厚不僅與成品顆粒直徑有關(guān)，還影響著制粒過程的功耗，相同條件下不同物料層厚會導(dǎo)致擠壓力的變化，物料層厚過小時，擠壓力小，進入?？字械奈锪弦采?，生產(chǎn)率低，甚至造成物料進入?？走^少而形不成擠壓，不能生產(chǎn)出顆粒；物料層厚過大時，擠壓力急速提升，物料進入?？琢窟^大，造成顆粒過于致密出料困難，功率加大，甚至造成過載引發(fā)設(shè)備故障。圖1顯示了物料層厚對擠壓力的影響。其中B為合理物料層厚，A為過大狀態(tài)下的物料層厚，C為過薄的物料層厚。物料所受擠壓力為壓輥與物料接觸的垂直分力，也就是式（2）：

（2）

式中：M為與垂線呈角時壓輥上的法向擠壓力；F為作用于物料的正向擠壓力；n為壓輥上擠壓區(qū)上的n點（如K、T、S）與壓輥中心連線和垂線的夾角。

從圖1中可以清楚地看出，料層厚度為A時的擠壓力F由于擠壓區(qū)長，從而導(dǎo)致擠壓力大幅上升，而C區(qū)的擠壓力又過小。故而合理的物料層厚是高效生產(chǎn)的保障。

3 設(shè)備因素

3.1 擠壓速度

擠壓速度直接影響著物料在?？字械耐Ａ魰r間。物料在?？字型Ａ魰r間對成型質(zhì)量有很大的影響，當(dāng)物料在?？字惺軘D壓的時間較短，單位產(chǎn)量消耗的功率就較少，但易造成生產(chǎn)顆粒壓實度不夠；而物料在?？字型Ａ魰r間越長，受擠壓的時間就越長，顆粒的組織就越致密，顆粒質(zhì)量就得到提高，但相對的單位能耗也上升了；當(dāng)物料在?？字型Ａ魰r間過長，壓縮過于致密造成摩擦加劇，移動困難，相應(yīng)也會出現(xiàn)過熱導(dǎo)致的顆粒炭化甚至模孔被壓實而停機停產(chǎn)。擠壓速度受壓輥轉(zhuǎn)速、壓輥直徑等影響，合理的擠壓速度是設(shè)備連續(xù)作業(yè)和使用較低能耗的保證。

3.2 擠壓強度

擠壓強度即物料所受到的物理擠壓力，這是顆粒致密程度的主要因素[10]。只有在較高的擠壓強度下，才能使得原料中的部分生物質(zhì)發(fā)生軟化，并且在較高的擠壓強度下產(chǎn)生的摩擦熱也促進了原料中部分成分的塑化及粘合作用，從而使得顆粒膠合成型。當(dāng)擠壓強度不足時，原料得不到有效擠壓，顆粒不能成型；而擠壓強度過大又會加劇模具的磨損，不利于成本的控制。

3.3 成型型孔參數(shù)

成型型孔參數(shù)是一個綜合因素，受到原料成分、原料粒度、擠壓速度、擠壓強度等多方面的制約，又反過來影響著這些因素，綜合影響顆粒成型的過程。如型孔參數(shù)中的壓縮比，較大的壓縮比提高了擠壓強度，降低了擠壓速度，對于原料顆粒質(zhì)量因子較低的物料有促進作用；型孔參數(shù)中的入口形式則影響著原料進入到型孔的數(shù)量及速度，并影響著物料層厚的變化。

經(jīng)過前期的試驗研究，已經(jīng)在試驗的基礎(chǔ)上對生物質(zhì)顆粒成型模具的孔型數(shù)據(jù)有了一定的積累，為成型理論的完善奠定了基礎(chǔ)。目前，對制造顆粒的模盤，根據(jù)不同的原料配比，一般根據(jù)需要的成型孔徑φ，選擇適當(dāng)?shù)南禂?shù)來確定模盤的盤厚H、錐口D、錐深h。

盤厚H：H=αφ

盤厚系數(shù)α：飼料盤取3.0～3.7；

燃料盤取3.5～4.25。

錐口D：D=βφ

錐口系數(shù)β：飼料盤取1.0～1.5；

燃料盤取1.3～1.7。

錐深h：h=γφ

錐深系數(shù)γ：飼料盤取0.7～1.0；

燃料盤取0.4～0.6。

針對不同的原料，對制粒設(shè)備成型孔成型參數(shù)進行調(diào)整，可以得到成型制粒效果優(yōu)、單位生產(chǎn)耗能低的顆粒，利于實現(xiàn)生產(chǎn)利潤擴大化。

4 結(jié)語

本文分析了顆粒成型的主要影響因素，這些因素對顆粒成型的影響是多方面的，原料成分和濕度含量直接決定了制粒成型效果，對于濕度高的原料必須進行降低水份含量的處理，否則不能成型制粒；制粒過程是一個相對嚴(yán)格的控制過程，溫度、層厚不能超過要求范圍否則也不能正常出粒；而設(shè)備因素更是一個復(fù)雜的綜合因素，其中型孔參數(shù)的選擇調(diào)整可以改善調(diào)整其他因素的作用。良好的型孔成型參數(shù)對原料的適用范圍廣，生產(chǎn)過程單位能耗也低，而且顆粒成型質(zhì)量好。通過對成型設(shè)備和型孔參數(shù)的優(yōu)化及改進，能夠有效地提高顆粒質(zhì)量及產(chǎn)量，并促進生物質(zhì)顆粒應(yīng)用及推廣。

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