生物燃料環(huán)模制粒機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀與改進(jìn)思路

陳鳳

（無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫214153）

0 引言

我國(guó)大約有15%~30%的秸稈被就地焚燒，秸稈焚燒污染環(huán)境，影響人身健康，容易引發(fā)火災(zāi)，但由于直接焚燒處理成本低，能增加土地肥力，所以屢禁不止。如能將秸稈固化成型,加工形成新型燃料，就能成為一種清潔的可再生能源——生物燃料。生物燃料每2 t的熱值就相當(dāng)于1 t標(biāo)準(zhǔn)煤。生物質(zhì)的再生利用過程中，排放的CO2與生物質(zhì)生長(zhǎng)時(shí)吸收的CO2達(dá)到碳平衡，具有CO2零排放的作用，生物燃料含硫量也只有煤的1/3。生物燃料被喻為即時(shí)利用的綠色煤炭，具有熱值高、污染小、便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，是生物質(zhì)能利用的重要發(fā)展方向之一。

生物質(zhì)燃料一般是由經(jīng)過粉碎的固體生物質(zhì)經(jīng)干燥和粉碎后，在一定溫度與壓力作用下，壓制成的具有一定形狀的密度較大的新型清潔燃料。通過成型機(jī)的壓縮形成圓柱狀的固體燃料，直徑一般不大于25 mm，常見的直徑有6、8、10 mm。顆粒狀生物燃料由于體積小，均勻度高，燃燒充分，便于自動(dòng)化運(yùn)輸和燃燒，廣泛用于工業(yè)鍋爐、民用取暖鍋爐等的燃料，生物質(zhì)顆粒燃料如圖1所示。顆粒型生物燃料是目前使用較廣泛的生物燃料，國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料總產(chǎn)量逐年增加，2008年全世界生物質(zhì)顆粒燃料總產(chǎn)量達(dá)1160萬(wàn)t[1]。顆粒狀生物燃料成型設(shè)備也是目前生物成型設(shè)備研究的重點(diǎn)。

圖1 生物質(zhì)顆粒燃料樣品

1 生物燃料制粒機(jī)的研究及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

從20世紀(jì)80年代起，我國(guó)開始致力于生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)的研究[1]。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院的孟海波、田宜水等[2-6]進(jìn)行了生物固體成型燃料加工設(shè)備及生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)及研究，并參與制訂生物質(zhì)固體成型燃料標(biāo)準(zhǔn)體系；沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)的高微[7]就生物質(zhì)顆粒燃料制粒機(jī)進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究，得出含水率等因素對(duì)成型率、顆粒密度和抗跌強(qiáng)度的影響；山東大學(xué)的吳云玉[8]用有限元分析法對(duì)生物燃料制粒機(jī)環(huán)模疲勞壽命進(jìn)行了分析；南京理工大學(xué)的蔣清海[9]對(duì)生物質(zhì)制粒機(jī)環(huán)模磨損機(jī)理分析，得出環(huán)模磨損失效原因有磨粒磨損、疲勞磨損和拋光磨損等。國(guó)內(nèi)高校及研究所[10-18]對(duì)生物質(zhì)成型設(shè)備的研究日漸深入，大致分為3個(gè)方向：一是對(duì)環(huán)模或平模制粒機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行力學(xué)或有限元分析，進(jìn)行結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化；二是研究關(guān)鍵部件磨損或疲勞機(jī)理，進(jìn)而研究解決壓輥和環(huán)模損耗嚴(yán)重的問題；三是分析生物燃料或設(shè)備應(yīng)用情況或市場(chǎng)化分析。這些研究為國(guó)產(chǎn)生物質(zhì)制粒機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了理論依據(jù)、數(shù)據(jù)支持。但由于大多研究成果都是基于某種物料條件下進(jìn)行的試驗(yàn)研究得到的數(shù)據(jù)或優(yōu)化結(jié)果，并進(jìn)行了較多的理想化和簡(jiǎn)化，因此研究數(shù)據(jù)及優(yōu)化具有一定片面性，對(duì)實(shí)踐應(yīng)用的指導(dǎo)性也有限。

國(guó)外制粒成型技術(shù)發(fā)展較早，技術(shù)較為成熟，像瑞典的 Sweden Power Chippers、美國(guó)的 Bliss Industry Inc.、CPM、德國(guó)的SALMATEC研發(fā)的制粒機(jī)適應(yīng)性和自動(dòng)化程度很高，達(dá)到規(guī)?；蜕唐坊珒r(jià)格較高，是國(guó)內(nèi)同等生產(chǎn)能力設(shè)備的5~10倍。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的生物環(huán)模成型機(jī)處于商業(yè)化初期，穩(wěn)定性及可靠性不佳，性能及適應(yīng)性較差，耗能大，磨損較嚴(yán)重。制粒機(jī)生產(chǎn)企業(yè)主要集中在江蘇溧陽(yáng)等地區(qū)，如江蘇牧羊集團(tuán)和江蘇正昌集團(tuán)。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院自主研發(fā)了環(huán)模顆粒成型機(jī)，并建立了年產(chǎn)1萬(wàn)t的生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線。

2 環(huán)模制粒機(jī)結(jié)構(gòu)及成型原理

目前，國(guó)內(nèi)生物燃料環(huán)模制粒機(jī)型大多是由飼料制粒成型設(shè)備改造而得，環(huán)模制粒機(jī)進(jìn)行飼料及食品制粒時(shí)表現(xiàn)出效率高、制粒質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。用于生物質(zhì)成型時(shí)存在環(huán)模、壓輥磨損嚴(yán)重、耗能高等很多問題。

環(huán)模制粒機(jī)關(guān)鍵部件如圖2所示，環(huán)模制粒機(jī)制粒部分采用環(huán)形壓模和與其相配的圓柱形壓輥為主要工作部件。物料進(jìn)入到環(huán)模和壓輥之間，環(huán)模由電動(dòng)機(jī)通過減速器帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，安裝于環(huán)模內(nèi)的2只壓輥在模輥間的物料及其間的摩擦力作用下只自轉(zhuǎn)不公轉(zhuǎn)，由于環(huán)模、壓輥的旋轉(zhuǎn)將物料帶入擠壓，最后成條柱狀從?？字斜贿B續(xù)擠出來，形成顆粒狀物料。圖3為某型生物燃料制粒機(jī)關(guān)鍵部件實(shí)物圖。

圖2 環(huán)模制粒機(jī)關(guān)鍵部件示意圖

圖3 SZLH400型制粒機(jī)關(guān)鍵部件實(shí)物圖

3 生物燃料制粒機(jī)關(guān)鍵部件受力情況分析

本文以某一型號(hào)生物燃料制粒機(jī)為例，分析制粒機(jī)關(guān)鍵部件受力情況。SZLH400生物燃料制粒機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

SZLH400生物燃料制粒機(jī)配套電動(dòng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表1 制粒機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

表2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)

表3 各軸動(dòng)力參數(shù)

計(jì)算減速器各個(gè)軸功率、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，如表3所示。

其中0軸為電動(dòng)機(jī)軸，Ⅰ軸是齒輪傳動(dòng)軸，為高速軸，Ⅱ軸為環(huán)模制粒機(jī)主軸。計(jì)算壓輥和環(huán)模間相互作用力。

環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)所需的轉(zhuǎn)矩由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，與環(huán)模剛性連接的聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)提供。單位時(shí)間（如1 min內(nèi)）電動(dòng)機(jī)主軸做功為

式中，P為電動(dòng)機(jī)主軸功率，kW。

環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)所需的能量為

式中：Meh為電動(dòng)機(jī)主軸給環(huán)模提供的轉(zhuǎn)動(dòng)外力偶矩，N·m；θ為環(huán)模1 min內(nèi)轉(zhuǎn)過角度，rad；n為環(huán)模轉(zhuǎn)速，r/min。

由功能原理W=E，得環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)所需的外力偶矩Meh為

壓輥?zhàn)赞D(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力Q是在環(huán)模帶動(dòng)內(nèi)表面上物料一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物料因受壓輥的擠壓作用的反作用力在壓輥表面產(chǎn)生的摩擦力。同時(shí)，物料與環(huán)模間也存在摩擦力Q′，Q′=Q。

對(duì)環(huán)模進(jìn)行受力分析，可得

式中，R為環(huán)模半徑，mm。

由式（3）和式（4），并結(jié)合 Q′=Q得，

同時(shí)，物料與壓輥間的摩擦力Q是由壓輥和物料間的壓力 F′引起的，Q可表示為

式中，f為物料與壓輥之間的摩擦因數(shù)，取值范圍為0.35～0.4。

壓輥對(duì)環(huán)模的擠壓力F等于物料和環(huán)模間的擠壓力F′，即F′=F，由式（5）和式（6）得

本例中的制粒機(jī)主軸功率P=84.68 kW，主軸轉(zhuǎn)速n=126.5 r/min，環(huán)模內(nèi)半徑為200 mm，物料與壓輥之間的摩擦因數(shù)f取0.38，代入式（7）得

壓輥半徑r為103 mm，使壓輥產(chǎn)生自轉(zhuǎn)的外力矩Meg=Qr=f·F·r=0.38×21.033×1000×0.103=823.23 N·m。

壓輥在擠壓區(qū)可視為純滾動(dòng)，將壓輥和環(huán)模間的擠壓力近似為線性均布荷載。壓輥軸向長(zhǎng)度B為96 mm，可得壓輥?zhàn)饔迷诃h(huán)模上的軸向單位長(zhǎng)度上的擠壓力Fd。

上式表明，壓輥?zhàn)饔迷诃h(huán)模軸向單位長(zhǎng)度上的擠壓力Fd與電動(dòng)機(jī)功率P成正比，與摩擦因數(shù) f、環(huán)模轉(zhuǎn)速n和環(huán)模半徑R均成反比。

4 生物燃料制粒機(jī)改進(jìn)思路

4.1 改善承載能力

生產(chǎn)實(shí)際中，由于喂料不均勻、物料中的硬質(zhì)雜質(zhì)被擠壓等因素，環(huán)模及支承軸承除受較大交變載荷外，還受到一定的沖擊。軸承磨損和失效會(huì)加劇環(huán)模磨損和失效。因此改善軸承的承載能力，是延長(zhǎng)制粒機(jī)可靠性和壽命的措施。

壓輥軸不轉(zhuǎn)，通過軸承與空心環(huán)模軸聯(lián)接，軸承載荷最大的極限情況是，一輥載荷達(dá)到最大，另一輥不受載，即一輥所受的力為F，另一輥所受力為零。SZLH400型制粒機(jī)主軸受力如圖4所示，代入之前的參數(shù)和受力計(jì)算軸承基本額定壽命為

式中：L10h為基本額定壽命，h；C為基本額定動(dòng)載荷，N，對(duì)于向心軸承為徑向基本額定動(dòng)載荷，C=Cr；P為當(dāng)量動(dòng)載荷，N，考慮沖擊時(shí)P=Pd；n為轉(zhuǎn)速，r/min；ε為壽命指數(shù)，滾子軸承ε=10/3。

如將現(xiàn)采用的SKF23022cc軸承替換為承載能力更高的SKF24122，分別出計(jì)算軸承基本額定壽命。得出，在承載情況不變的情況下，如改用SKF24122軸承，軸承理想壽命提高4倍以上。

圖4 主軸受力分布情況示意圖

4.2 減低環(huán)模轉(zhuǎn)速

環(huán)模轉(zhuǎn)速直接影響到擠壓區(qū)內(nèi)的料層厚度及物料通過?？椎臅r(shí)間，進(jìn)而影響制粒機(jī)產(chǎn)量和顆粒質(zhì)量。線速度過高時(shí)，有可能使擠壓區(qū)內(nèi)的物料形成斷層，制粒不連續(xù)，制出的顆粒松軟，粉料多，而且對(duì)于水分含量較高的物料還易打滑，甚至根本不能制粒；較低的環(huán)模線速度雖然制出的顆粒質(zhì)量好，但會(huì)一定程度降低產(chǎn)量。

制粒產(chǎn)量與轉(zhuǎn)速并非正反比關(guān)系，存在最佳轉(zhuǎn)速范圍并同時(shí)獲得較好產(chǎn)量；最佳環(huán)模轉(zhuǎn)速受環(huán)模尺寸、物料特性、開孔率及開孔尺寸等很多因素影響。如SZLH400型生物燃料制粒機(jī)通過試驗(yàn)，并參考其他制粒機(jī)型效果，推算環(huán)模線轉(zhuǎn)速在120~140 r/min左右，制粒質(zhì)量較好，并且生產(chǎn)效率損失不大。而且減低環(huán)模轉(zhuǎn)速，對(duì)軸承壽命的影響是積極的。

4.3 改進(jìn)均料器

根據(jù)生物質(zhì)制粒機(jī)的實(shí)際磨損情況分析，環(huán)模沿喂料方向的磨損并不均勻，靠近喂料口一側(cè)磨損嚴(yán)重，主要由于物料從喂料口進(jìn)入，還未及時(shí)經(jīng)刮料板刮平，就進(jìn)入壓輥和環(huán)模間進(jìn)行壓制成型，導(dǎo)致進(jìn)料口側(cè)的物料較厚，加劇了這一區(qū)域環(huán)模的磨損[8]。因此改進(jìn)刮板位置及結(jié)構(gòu)，可以一定程度改善環(huán)模磨損不均勻的情況，防止環(huán)模和壓輥出現(xiàn)偏磨過早失效。

4.4 改善物料狀態(tài)，減少雜質(zhì)

生物質(zhì)粉料流動(dòng)性差、成型壓縮比高等是生物質(zhì)環(huán)模制粒機(jī)損耗嚴(yán)重、壽命較短的主要原因，物料中的雜質(zhì)較多是環(huán)模模口模粒磨損的主要原因。目前投入生產(chǎn)的生物燃料制粒設(shè)備或流水線大多在制粒前沒有設(shè)置除鐵渣和石子的環(huán)節(jié)，致使物料硬質(zhì)雜質(zhì)多，造成環(huán)?？卓谒苄宰冃危觿…h(huán)模磨損或開裂。

5 結(jié)論

我國(guó)可用于成型的秸稈量約2億t，可實(shí)際加工成生物燃料的秸稈量不足80萬(wàn)t，并存在生物燃料供不應(yīng)求，但生物燃料生產(chǎn)企業(yè)仍較難盈利的情況，迫切需要國(guó)家給予資金引導(dǎo)和政策扶持。生物燃料成型設(shè)備需要逐步完善現(xiàn)有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化，形成完善的供、產(chǎn)、銷鏈條。進(jìn)行突破性技術(shù)革新，集中攻克設(shè)備核心技術(shù)，有效降低生物燃料成型成本，提高生物成型技術(shù)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

本文分析了生物燃料制粒機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀與產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀等，基于某企業(yè)SZLH400型生物燃料制粒機(jī)，進(jìn)行環(huán)模壓輥受力分析，得出壓輥和環(huán)模相互作用力的影響因素。并提出針對(duì)改善壓輥和環(huán)模磨損的措施。企業(yè)采納了環(huán)模降速和更換主軸軸承的改進(jìn)意見，并進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)和試驗(yàn)，證明降低環(huán)模轉(zhuǎn)速在提高環(huán)模耐用度上效果顯著。

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