摘要：為近一步深入研究生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型，對國內(nèi)外生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型的研究現(xiàn)狀作較為詳細的闡述和說明，同時分析了生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型的工作原理、并指出現(xiàn)有環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型機主要存在磨損嚴(yán)重、能耗較大兩顆粒機大問題。最后對存在的問題提出針對性的解決性方法和對策。

　　0引言

生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過光合作用而產(chǎn)生的各種有機體。其主要包括各類動植物和微生物。以生物質(zhì)為載體，由其產(chǎn)生的能量即為生物質(zhì)能。由于顆粒機其總量豐富、分布廣泛，具有可再生性、低污染性等優(yōu)點，近年來得到了世界各國的重視。生物質(zhì)能將太陽能以化學(xué)能的形式貯存于生物中，直接或間接源自于植物的光合作用。作為世界上最為廣泛的可再生能源，其僅次于煤炭顆粒機、石油和天然氣，居于世界能源消費總量的第四位，在整個能源系統(tǒng)中具有極為重要的地位。由此可見，生物質(zhì)能確實是一個巨大的能源。生物質(zhì)能主要來源有各類農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)廢棄物、薪柴等。

我國對生物質(zhì)能源的開發(fā)與顆粒機利用極為重視，已經(jīng)連續(xù)在四個國家五年計劃中將其列入國家重點科技支撐項目。在生物質(zhì)能源利用的研究和開發(fā)中我國已經(jīng)取得了多項優(yōu)秀成果，如生物質(zhì)固體成型、戶用沼氣池、生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)制氫、生物質(zhì)液體燃料、顆粒機生物質(zhì)氣化、原電池等。政策方面，2005年2月28日召開的十屆全國人大第十四次會議審議通過了《可再生能源法》并于2006年1月1日起正式實施，并且陸續(xù)出臺了一系列的配套措施。這都表明我國政府對可再生能顆粒機源的重視，同時我國政府在政策方面也給予了巨大的優(yōu)惠支持。2007年，國家發(fā)展與改革委員會制訂《中國對應(yīng)氣候變化國家方案》：2010年后將通過發(fā)展生物質(zhì)能源來減少溫室氣體排放CO2當(dāng)量0.3億噸／年。同顆粒機年8月份公布的《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中指出：到2010年我國生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達到100萬噸，而到2020年將達到5000萬噸。因此，我國生物質(zhì)能源的發(fā)展前景和投資前景極為廣闊。

生物質(zhì)顆顆粒機粒機根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為平模生物質(zhì)顆粒機和環(huán)模生物質(zhì)顆粒機。與螺旋式、柱塞式生物質(zhì)成型機相比，具有生產(chǎn)率高、對物料的適應(yīng)性好、工作狀態(tài)穩(wěn)定、可實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點，是目前生物質(zhì)成型發(fā)展的重點。本文重點分析顆粒機生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機。

　　1生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代末，美國、法國、德國、意大利和芬蘭以及比利時等國家相繼研發(fā)出大量的成型設(shè)備，比較典型的有美國的環(huán)模擠壓式顆粒燃料成型機、德國的K顆粒機AHL系列成型機、比利時的T117型螺旋式壓塊機和芬蘭的移動式顆粒壓縮機。其中，德國KAHL公司生產(chǎn)的動輥式平模制粒機，能夠生產(chǎn)具有較高密度的生物質(zhì)顆粒燃料，效率高、耗能低，在歐洲和東南亞各國家得到了顆粒機廣泛使用。在該制粒機型的基礎(chǔ)上，KAHL公司又研制成功了功能強更為大的38—780型平模式制粒機。20世紀(jì)80年代，西歐和日本生物質(zhì)燃料成型技術(shù)迅猛發(fā)展。印度、泰國、菲律賓和越南等東南亞各國的生物質(zhì)成顆粒機型燃料行業(yè)也在該時期得到快速發(fā)展，陸續(xù)開展了生物質(zhì)成型裝備及其成型工藝方面的研究，并首先在原材料中添入黏結(jié)劑，用來提高生物質(zhì)成型燃料的機械性能。20世紀(jì)末，日本、西歐和北美等發(fā)達國家和地區(qū)生物質(zhì)固化成顆粒機型設(shè)備和成型燃料均已商品化。

從20世紀(jì)80年代開始我國著力于生物質(zhì)燃料成型技術(shù)的研究。1996年，遼寧省農(nóng)牧機械研究所成功申請了生物質(zhì)環(huán)模壓塊機專利。1998年，江蘇正昌糧機股份公司內(nèi)壓式生物質(zhì)環(huán)模顆顆粒機粒成型機，其生產(chǎn)能力在250~300kg／h之間。同年，林科院林產(chǎn)化工研究所也成功研制了生物質(zhì)顆粒燃料成型機，該成型機生產(chǎn)能力在120～240kg／h之間，能耗為120.8～241.7kW·h／t。老顆粒機萬生物質(zhì)能科技有限公司董事長從2000年就開始著手農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)顆粒燃料及其燃燒設(shè)備的研究工作，目前生產(chǎn)各類生物質(zhì)燃料和各類用于燃燒顆粒燃料的爐具，其各項排放指標(biāo)均已達到國內(nèi)和國外現(xiàn)行的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。2顆粒機002年，中南林學(xué)院在國產(chǎn)飼料制粒機的基礎(chǔ)上結(jié)合瑞典生物質(zhì)顆粒燃料成型機技術(shù)開發(fā)了生物質(zhì)顆粒成型機及其環(huán)保節(jié)能灶和取暖爐。2008年，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院成功研發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)環(huán)模顆粒顆粒機成型機，同時在北京大興區(qū)建成了年產(chǎn)1萬噸的生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線。

　　2生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型工作原理

生物質(zhì)顆粒機以農(nóng)林加工廢棄物(如木屑、秸稈、稻殼、樹皮等)為原料，通過預(yù)處理和加工，將其加工成高密度的顆顆粒機粒燃料(工藝流程如圖1所示)，是替代煤、石油、天然氣的理想燃料，既節(jié)約能源又減少有害氣體的排放，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，是一種高效潔凈的可再生能源。

雖然國內(nèi)各科研院所和企業(yè)已相繼研發(fā)出各種類型生顆粒機物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機，但其基本工作原理類似(如圖2所示)。工作時，電動機帶動環(huán)模以一定的轉(zhuǎn)速順時針旋轉(zhuǎn)，物料在自身重力和環(huán)模離心力的作用下進入制粒室，隨之物料開始被攫人工作區(qū)，壓輥在工作區(qū)摩擦力的作用下顆粒機與環(huán)模同方向旋轉(zhuǎn)。隨著模輥的不斷旋轉(zhuǎn)，攫人的物料也不斷向前推進，擠壓力和物料密度也都隨之增加。當(dāng)環(huán)模擠壓力增大到足以克服物料與環(huán)?？變?nèi)壁摩擦力的時候，具有一定黏結(jié)力和密度的物料就被擠進環(huán)?？變?nèi)。隨著擠顆粒機壓力的不斷增加，溫度也隨之越來越高，物料中的木質(zhì)素在相當(dāng)溫度下被分解，充當(dāng)著黏結(jié)劑的作用，將物料黏結(jié)在一起。由于模輥的不斷旋轉(zhuǎn)，物料也不斷地被擠進環(huán)?？變?nèi)，環(huán)?？變?nèi)已經(jīng)成型的物料不斷被連續(xù)擠出環(huán)?？?，顆粒機在自身重力和外部切刀的作用下，物料被剪斷，折成具有一定長度的顆粒狀燃料，從?？壮隹谔幝湎?。

　　3生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型存在的問題

　　3.1磨損嚴(yán)重

生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機工作時，壓輥通過摩擦力和擠壓力將物料擠進環(huán)?？?a href="http://cndbdb.com.cn/" title="顆粒機廠家直銷" style="color: red;">顆粒機。截至目前，我國使用的生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機關(guān)鍵部件的磨損問題較為嚴(yán)重，尤以主要部件壓輥和環(huán)模的磨損最為嚴(yán)重。

南京理工大學(xué)蔣清海博士指出，環(huán)模不同磨損位置起主導(dǎo)作用的磨損機制也不盡相同：環(huán)模孑L壁磨損十顆粒機分嚴(yán)重，是以微切削作用為主的磨粒磨損和疲勞磨損的交互作用；環(huán)?？兹肟谔幰阅チＤp為主，出口處則以疲勞磨損為主，從環(huán)模孔入口處到出口處的磨損量以指數(shù)形式遞減，磨損則由以磨粒磨損為主向以疲勞磨損為主過渡。顆粒機

　　工作環(huán)境的惡劣是加劇壓輥磨損的主要原因：

　　1)壓輥在環(huán)模內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時與喂人物料摩擦生熱，溫度可達200℃以上，導(dǎo)致壓輥材料變脆；

2)秸稈收集過程中帶入的砂石、玻璃渣和鐵屑等硬質(zhì)顆粒物易造成壓輥表面的硬磨顆粒機料磨損；

　　3)除了物料中含有的雜質(zhì)、硅酸鹽成分和水分等中國農(nóng)機化學(xué)報容易加速摩擦、磨損和腐蝕的物質(zhì)之外，由于物料的不均勻分布，使得壓輥進料側(cè)壓面相比其他位置的表面磨損多出近40％。

4)壓輥和環(huán)模的線速度顆粒機基本相等，而直徑卻僅為環(huán)模內(nèi)徑的40％左右，故其外表面的磨損率約為環(huán)模內(nèi)表面的2.5倍。

　　3.2能耗較大

降低生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機的成型能耗已經(jīng)成為國內(nèi)外熱點研究問題之一。對于生物質(zhì)成型燃料加工系統(tǒng)來說，顆粒機能耗是一個非常重要的性能指標(biāo)，能耗是指在單位時間內(nèi)生產(chǎn)成型燃料所消耗的能量與該時間內(nèi)生產(chǎn)的成型燃料質(zhì)量的比值。壓縮成型的能耗主要包括三部分：原料喂人所消耗的能量；物料與成型部件內(nèi)壁摩擦所消耗的能量；克顆粒機服物料彈性變形所需的能量。

影響生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機成型能耗的因素繁多，如顆粒的大小、含水率、添加劑等物理化學(xué)性能以及環(huán)模尺寸、?？状笮　h(huán)模轉(zhuǎn)速等制粒機相關(guān)參數(shù)。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院叢宏斌博士指出，環(huán)顆粒機模直徑、轉(zhuǎn)速以及模輥長徑比均對生物質(zhì)顆粒成型的能耗有著重要影響。環(huán)模的直徑越大、轉(zhuǎn)速越高，對設(shè)備的產(chǎn)能和能耗的影響也就越明顯；輥模直徑比對設(shè)備的產(chǎn)能影響比對設(shè)備能耗影響大。輥模直徑比越大，設(shè)備單位產(chǎn)能顆粒機能耗越低。

生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機的擠壓能耗是真正有效的做功部分，不管是物料在環(huán)?？變?nèi)的擠壓過程還是輥壓過程，其擠壓力產(chǎn)生的根本原因是由于物料與環(huán)模、壓輥之間存在摩擦，所以說擠壓力是由摩擦力間接引起的。也顆粒機正是如此，物料在環(huán)模孑L內(nèi)的摩擦以及在輥壓過程的摩擦產(chǎn)生的擠壓能量耗損其實是不可以避免的。生產(chǎn)實踐表明，普通生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型過程中，環(huán)模的開孔率嚴(yán)重地影響著成型過程中的能耗。雖然部分物料經(jīng)過強高壓之顆粒機后能夠擠出環(huán)?？淄?，但是環(huán)模與壓輥之間仍有部分物料處于強高壓狀態(tài)而未被擠出環(huán)?？淄猓@部分物料嚴(yán)重地消耗著生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機的能耗。

　　4生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型問題對策分析

從秸稈加工技術(shù)原理角度分析，應(yīng)著重顆粒機克服秸稈物料的彈性，從而改善物料的表面形態(tài)，使之具備一定的粘接性，或添加少量添加劑，就可以使生物質(zhì)成型機在常溫條件下擠壓成型?；谠撍悸罚壳吧镔|(zhì)輕度炭化法固體燃料成型技術(shù)正在示范中。為有效改善秸稈顆粒機物料的表面活性，以便其與少量沼渣、黏結(jié)劑或脫水牛糞充分混合，該方法對秸稈物料首先做輕度炭化處理，這可以有效克服傳統(tǒng)加工設(shè)備存在的生產(chǎn)過程不穩(wěn)定、能耗高的問題，并可以進行大規(guī)模生產(chǎn)。

此外，在與輕度脫水的顆粒機沼渣或牛糞按一定的比例混合后加工成生物質(zhì)固體成型燃料，將為農(nóng)田廢棄物資源的綜合利用開辟新途徑。

從設(shè)備改進角度分析，為避免高壓高溫導(dǎo)致的強摩擦作用對生物質(zhì)成型機的快速摩損以及由溫度過高發(fā)生的非正常運轉(zhuǎn)，顆粒機故需要進一步提高構(gòu)成生物質(zhì)成型機的原材料的品質(zhì)、完善生物質(zhì)固體成型燃料的制造工藝?；谶@一現(xiàn)狀，目前正在示范中的工藝技術(shù)是水冷卻控溫技術(shù)。其利用冷卻控溫原理進一步調(diào)控物理法生物質(zhì)成型機的運行溫度，并對顆粒機生物質(zhì)成型機進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不僅大大提高了生物質(zhì)成型機運轉(zhuǎn)的連續(xù)性，而且也減少了生物質(zhì)成型機關(guān)鍵部件的磨損，同時該技術(shù)還對生物質(zhì)成型機的潤滑系統(tǒng)及其模具做了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，確保了設(shè)備能夠始終運行于顆粒機一個最佳的溫度環(huán)境，改善了勞動環(huán)境，有效消除了設(shè)備偶然性故障的出現(xiàn)，降低了設(shè)備擠壓系統(tǒng)及模具的磨損率，使得設(shè)備能夠長時間穩(wěn)定工作，這開辟了秸稈成型設(shè)備技術(shù)發(fā)展又一重要途徑。

從成型原理角度分析，為摒棄傳顆粒機統(tǒng)生物質(zhì)環(huán)模成型設(shè)備利用壓輥外曲面將物料壓入環(huán)模成型孔的成型方式，可采用柱塞嚙合原理，該方法在壓輥外曲面上均勻分布一系列柱塞，對進入環(huán)模成型孔內(nèi)的生物質(zhì)物料進行有效擠壓，避免了生物質(zhì)物料在環(huán)模成型孔外顆粒機受壓輥外曲面強烈的擠壓和摩擦，從而降低了非有效壓縮成型中的能耗，同時也降低了環(huán)模成型孔的磨損，提高了使用壽命。

　　5結(jié)論

國內(nèi)生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型技術(shù)近年來雖然取得了較大的進展，但是與國外發(fā)達國家相比，其最為顆粒機突出的還是磨損和能耗問題。當(dāng)前能源問題日益突出，降低生物質(zhì)顆粒成型能耗，將成為今后研究的重點。另外，生物質(zhì)環(huán)模制粒機環(huán)模和壓輥的磨損問題，也是亟待解決的問題。從根本上來提高生物質(zhì)成型機的產(chǎn)量及其成型顆顆粒機粒質(zhì)量，降低成型能耗和磨損，還需要通過改變環(huán)模?？椎男螤?、模輥的間隙等細節(jié)問題上來提高，從而降低生產(chǎn)線故障率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。除此之外，生物質(zhì)顆粒燃料成型設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，將有利于促進生物質(zhì)顆粒燃料顆粒機的產(chǎn)業(yè)化和商品化。