平模制粒機加工生物質燃料的工作特性分析
生物質能的利用工藝主要有生物質熱裂解氣化工藝、生物質熱裂解液化工藝、和生物質固化成型工藝等。其中，固化成型工藝生產的生物質燃料顆粒，可用于工業燃料、電廠發電和農村居民做飯取暖等領域，在瑞典等歐洲已得到很多應用。據統計，2005年，生物質固體成型燃料的產量已大于420萬噸。我國對生物質固化成型工藝的研究始于20世紀80年代，在生物質螺旋擠壓成型、活塞壓縮成型和制粒機擠壓成型等方面有改進。平模制粒機加工生物質顆粒是固化成型工藝的一種，近幾年在生物質制粒產業的發展過程中，平模機以其堅固實用、原料適應性較強等優點逐漸取得生產者的青睞，本文將就平模制粒機加工生物質顆粒的工作原理，生物質原料的成型機理，平模機加工生物質顆粒的工藝以及特點等方面進行介紹和討論。
平模制粒機的工作過程與顆粒成型機理：
1.電動機 2.傳動箱 3.主軸 4.喂料室5.壓輥
6.均料板 7.平模 8.切刀 9.掃料板 10.出料口
圖1 平模制粒機
按執行部件的運動狀態分，平模制粒機有動輥式、動模式、模輥雙動式三種，后兩種常見于小型平模制粒機，較大機型一般用動輥式。按磨輥的形狀分，又可以分為錐輥式和直輥式兩種。直輥動輥式平模制粒機工作原理如圖1所示：電動機通過減速箱驅動主軸，主軸帶動磨輥，磨輥繞主軸公轉的同時也繞磨輥軸自轉。加工顆粒時，生物質原料被送入平模機的喂料室，在分料器和刮板的共同作用下均勻地鋪在平模上，主軸帶動的壓輥連續不斷地滾過料層，將物料擠壓進入?？?，物料在?？字薪洑v成型、保型等過程，一段時間后以圓柱狀態被擠出，旋轉的切刀將物料切斷，形成顆粒，由掃料板將顆粒送出。
圖2 顆粒成型機理示意圖
生物質原料主要含有纖維素、半纖維素和木質素等物質，其平模機模輥間的成型機理如下(見圖2)：供料區內的物料在重力作用下緊貼在平模上，當壓輥向前滾動，物料進入變形壓緊區，這時因受到擠壓，原料粒子不斷進入粒子間的空隙內，間隙中的空氣被排出，粒子間的相互位置不斷變化，粒子間較大的空隙逐漸都被能進入的粒子占據。隨著壓輥繼續滾動，被壓實的原料進入擠壓成型區，部分楔形區、?？椎腻F孔部分和前半部分都屬于擠壓成型區，該區內，壓力繼續增強，粒子本身發生變形和塑性流動，在垂直于主應力的方向被延展，并繼續充填周圍較小的空隙，由于壓輥和物料間的摩擦作用加劇而產生大量熱量，導致原料中含有的木質素變軟，粘合力增強，變軟的木質素和生物質中固有的纖維素聯合作用，使生物質逐漸成形，這時部分殘余應力貯存于成型塊里面，粒子結合緊但不甚穩定。成型塊在擠壓作用下進入?？椎谋Ｐ投?，在該段不利于形狀保持的殘余應力被去除，顆粒被定型。
工藝過程與試驗
平模機加工生物質顆?；竟に囘^程如圖3所示，生物質原料經過破碎和粉碎后進入干燥環節。水分合適的物料經混合調質后進入平模機制粒。從制粒機出來的顆粒經過降溫和篩分，得到成品，然后包裝或者散裝出廠。
圖3 生物質燃料制粒工藝
生物質制粒的基本工藝步驟大體類似，然而由于原料的物性不同、成型機的工作原理不同，具體的工藝過程還是有所區別，對平模機制粒的關鍵工藝步驟具體介紹如下：
粉碎環節,平模機制粒時，原料粒徑越小，粒子之間越容易互相充填、嵌合，因此制粒機的單位產量平均能耗就越小，平模和壓輥等易損件的磨損速度也較慢，制成顆粒的抗滲水性和硬度等指標也越高，然而一味追求粒徑的減小會使粉碎環節的能耗驟升，因此應當在合乎平模制粒機加工要求的前提下，使粒徑盡量大些。事實上，能夠壓制大粒徑的原料是平模機的優勢之一，一般對作物秸稈等原料，其較大顆粒外形尺寸要求小于2×2×30mm，而對于木質原料，則要求要嚴格一些。
干燥環節,干燥的主要目的是調節原料的含水率，使其穩定均一，適合制粒機加工，在制粒成型過程中，合適的水分一方面能夠傳遞壓輥的壓力，另一方面能起到潤滑劑的作用，輔助粒子互相填充，從而使原料成型。但是含水率過大時，水分容易在顆粒之間形成隔層，使得層間無法緊密結合，擠出的顆粒容易膨脹散開，不能成型，因此控制合適的原料含水率在加工過程中很重要。一般從自然界中收集的生物質原料含水率大部分分布在0.2-0.4之間，高的能達0.55，平模制粒機加工生物質原料時，要求原料的水分在0.1-0.14之間，當加工玉米秸稈一類含糖較多的原料時含水量可允許稍高。常規的干燥工藝一般用帶式干燥器、滾筒干燥器、廂式干燥器等設備進行，然而得承認這一環節會耗費掉可觀的能源。筆者認為，如今太陽能干燥工藝已較為成熟，可以用太陽能溫室配備以翻拋設備對生物質原料進行去濕，一般生物質原料的干燥，要求溫度水平較低，大約在40-70℃之間，這正好與太陽能利用領域中的低溫利用相適應，與傳統干燥工藝比起來，可以大量節省常規能源，減少固定投資，經濟效益好。
制粒環節，干燥好的物料進入制粒環節，可以不用調質處理，直接加工。有條件的生產廠家可選配自動控制系統和模輥自動調隙裝置。自動控制系統根據主機電流的變化調節喂料電機的變頻器，從而實時調節喂料量，這能避免堵機現象的發生。模輥自動調隙裝置能采集模輥間隙數據，通過反饋、比較來控制液壓系統，使間隙與設定值相一致，并能在生產過程中可以變化。一般地，啟動階段，磨輥間隙應當盡量小些，這可以減小啟動力矩，減小電機負荷。進入穩態工作后，磨輥間隙應當稍大，這可以增強壓縮行程，得到堅硬光滑的顆粒?？梢詫㈤g隙隨著時間變化的設置輸入控制系統，啟動后，機器可以自動調節模輥間隙。壓輥和平模都是易磨損件，需要定期換，壓輥的服役期可以稍長一點，但可以能夠和平模一起換。一般，平?？梢怨ぷ?00-2000小時不等，這要視部件的材質和加工而定。
利用以上工藝，2007年6月-8月，我們對我國農業機械化科研院畜禽機械研究所研制的PM60型平模制粒機進行了性能考核試驗。其中部分試驗數據如下：
表1 PM60型平模制粒機加工生物質顆粒試驗數據
原料顆粒直徑(mm)生產率(kg/h)噸料電耗(kw·h/t)顆粒密度(kg/m3)成型率
紅松1091649.11.2193
白松1082354.71.2994.5
鋸末秸稈混合料1085052.91.2695.3
由試驗結果知，PM60型平模制粒機適合加工鋸末、鋸末秸稈混合料等生物質原料，成型率在0.93以上，噸電耗在55千瓦時以下，小時生產能力在800kg-900kg左右。
加工生物質燃料顆粒的過程中，我們發現，平模制粒機的各工作部件表現出以下特性：
1、喂料特性
物料進入平模機的工位先是喂料室，喂料室起到緩存物料和喂料的作用，完成物料向磨輥楔形攫取角的喂入。喂料室有兩個特點，一是喂料空間廣闊，為擠壓生物質原料的大直徑壓輥提供了空間，也為蓬松的生物質原料提供了喂料空間;二是靠重力作用直接喂料的原理實用。
像如鋸末、樹枝、樹杈粉碎料和秸稈粉末這一類生物質原料,粗纖維含量高，質輕而蓬松，不易喂入。寬敞的喂料室，先能為物料提供廣闊的喂料空間。其次能允許配備大直徑壓輥，從而使攫取角變大，增強對粗纖維物料的攫取能力。據測算，鋸末原料容重約為200kg/m3,孔隙率為0.75左右，物料本身輕而蓬松，制成顆粒時壓縮比在6以上，這就對喂料空間提出了較高的要求。平模機具有寬敞的喂料室，以PM60平模機為例，其喂料容積約120dm3，單次喂料可達24kg，能合乎機器需求。
其次，物料喂入的過程是在重力作用下自然下落的過程。不需要強制喂入，原料便可直接落到適合擠壓的工位上。這種喂料方式比環模制粒機好，環模機工作時，對應不同的物料都需要探索相應的導料板參數，物料性質稍有改變，導料板就得改變，這就使環模機對原料的適應性有了約束。
2、平模特性
在動輥式平模制粒機中，平模被固定在機座上，物料從靜止的?？字袛D出，被切刀切斷后形成顆粒。而環模制粒機中，環模是旋轉的，旋轉的環模常常把顆粒甩在機殼上，部分顆粒被摔碎，成型率下降。因此平模制粒機中平模靜止的工作方式有利于顆粒成型率的增強。
作為制粒機的主要工作部件，平模的結構參數是否合適直接決定了顆粒質量的優劣。加工不同的物料，應當配備不同的模板。模板的開孔面積，?？壮叽?，?？着挪挤绞降纫囟际菦Q定制粒性能的重要因素。?？组L徑比越小，產量越大，但是顆粒密度越小、質量也越差。長徑比過大，則容易堵機。從實踐經驗看，用同一種原料生產相同規格的產品，平模厚度要比環模的小許多。
與環模相比，平模的優勢在于結構簡潔，體積緊湊，能正反使用，成本低廉。模板是易磨損件，需要定期換，平模結構的對稱性決定了模板雙面可用，一面磨損量過大后，可以將模板反裝，這大大延長了平模的使用時間。易損件時間的延長有助于減少生產成本。
3、壓輥特性
壓輥方面，平模機壓輥的特點是轉速較低、直徑大，與某些型號的環模機相比，其轉速甚至不到環模壓輥的一半，而較大的直徑可以使壓輥的攫取角變大。這使工作中的壓輥對物料有較強的攫取力，并且減少了打滑的可能性。
但是工作中的壓輥并非整體在做純滾動，從其軸向上看，壓輥的里側與外側都會發生滑動，這種滑動作用是平模機的工作原理決定的，并不因物料的改變而改變。筆者認為，滑動作用的存在，固然會增強了壓輥的磨損，但是客觀上卻增強了制粒機的擠壓性能，使平模制粒機在加工含粗纖維較多的生物質原料方面成為佼佼者。下面將從運動分析和受力分析方面對滑動作用進行討論。
圖4 壓輥的受力情況
以圖4所示的順時針旋轉的壓輥為例，平模制粒機工作時，壓輥上會存在一條純滾動的圓周線H，在純滾動線H內側，壓輥發生前性滑動，稱之為滑轉滾動;在純滾動線外側，壓輥發生滯后性滑動，稱之為滑移滾動。
在壓輥與物料接觸的任意點A，其受力如圖4所示，因擠壓物料而收到物料施加給壓輥的反作用力N,N大小隨 變化而變化，但總是沿半徑指向圓心方向;壓輥與物料之間還可能存在摩擦力F，F沿切線方向，但指向有待討論。
當機器進入穩態時，壓輥處于平衡狀態，建立如圖所示的柱坐標系，以磨輥軸心為Z軸，磨輥的外截面圓心為Z軸0點，以豎直方向半徑為角坐標0點。因平模壓輥的自轉是從動的，不存在驅動力矩，故其自身力矩之和為0，可以得到其力矩平衡方程：
其中:
假設純滾動線H的Z坐標為 ，則①式可寫作：
顯然，③式右側表示滑轉滾動區的合力矩，左側表示滑移滾動區合力矩,兩個合力矩等大反向。在滑轉滾動區，磨輥因轉速較快，相對于物料產生滑動，因此力F沿切線指向上，合力矩方向為逆時針，則由力矩平衡關系可推得，③式左邊描述的滑移滾動區所受合力矩為順時針方向，因此該區內的大部受力點所受摩擦力F應沿切線指向下方(如圖4所示)。
圖5 物料受力情況
明確了壓輥的受力情況，就可以分析物料受力，物料受力情況如圖5所示，在磨輥擠壓物料的任意一點B，物料受壓輥對其施加的力 與 ,分別為 和 的反作用力。在與平模接觸的平面，物料受到水平方向上的摩擦力S和鉛直方向上的支撐力T。則物料受力的平衡方程為：
滑移滾動區任一截面：
純滾動線所在截面：
滑轉滾動區任一截面：
從上述的壓輥運動情況和物料受力情況我們可以作出以下分析：
(1)從上面三組平衡式的比較可以看出，產生滑轉滾動和滑移滾動的時，與純滾動相比，相當于在豎直方向和水平方向對作用力進行了重新分配。從式④可以看出，在滑移滾動區，物料在水平方向上受力變大，因此水平方向的擠壓作用增強。從式⑨可以看出,在滑轉滾動區，物料在豎直方向上受力增強，豎直方向的擠壓作用增強。兩種滑動作用并不是不好的。
(2)由運動分析知，在滑轉滾動區，壓輥產生提前性滑動，因此對平模徑向上單位長度的物料而言，在壓輥上的擠壓行程增強，這相當于在豎直方向延長了物料的預壓縮行程。在滑移滾動區，壓輥產生滯后性滑動，對于平模徑向上單位長度的物料，在平模上的擠壓行程變多，相當于在水平方向上增長了預壓縮行程。這就能解釋為什么環模制粒機和平模制粒機加工相同原料、相同規格的產品時，平模機的模板厚度遠薄于環模厚度：盡管二者都是模板擠壓制粒，但平模機的兩種滑動作用相當于增長了物料的壓縮行程。
(3)從式④、⑤和式⑧、⑨可以看出，兩種滑動作用導致了摩擦力的產生，摩擦力F使壓輥和物料之間產生了兩種剪切作用?；D滾動區的提前性滑動使磨輥在豎直方向對物料產生了較強的剪切作用，這種剪切作用越靠近模板的中間越大?；茲L動區的滯后性滑動使磨輥在水平方向對物料產生了較強的剪切作用，這種剪切作用越遠離模板的中間越大。
試驗時從出料口往里觀察，我們發現平模的中間幾圈?？壮隽峡?，越是里圈和外圈的?？?，出料越慢。如果卸掉切刀觀察，中間幾圈的物料被擠出較短的長度就會斷裂、滑落。而里圈和外圈的?？字袛D出的物料不易自動斷裂和滑落，有許多甚至長至200mm以上才脫離模板。這是因為，由于兩種剪切作用的存在，模板內側和外側的物料受較大剪切力，物料粒子被揉切、撕裂進而充填、嵌合，所以越是兩側，成型顆粒質地越密實，出料越緩慢。平模機之所以在加工粗纖維含量較多的物料時具有優良的性能，也正是因為這兩種較強的剪切作用對物料進行了預處理。
(4)滑移滾動和滑轉滾動的存在會導致壓輥平模等部件的磨損程度增強，但在設計時可將平模設計成對稱結構，能夠正反使用用，這將減少易損件成本。
4 結語
隨著人們綠色潔凈意識的增強，社會對清潔的替代能源的需求越來越迫切;今年1號文件明確規定“推進以非糧油作物為主要原料的生物質能源研究和開發”;發展生物質顆粒燃料合乎國策，順應民意。性能穩定的成型機在生物質燃料顆粒成型過程中扮演著重要的角色。結合太陽能干燥工藝，利用PM60型平模制粒機加工鋸末、鋸末秸稈混合料等生物質燃料顆粒，成型率在0.93以上，噸電耗在55千瓦時以下，小時生產能力在800kg-900kg左右。從試驗結果和理論分析來看，平模制粒機是加工生物質顆粒燃料的理想機型。(趙明杰 吳德勝 中國農業機械化科學研究院).
