生物质颗粒成型的精准式上料装置研究

棒状成型技术、欧洲各国开发的活塞式挤压条状成型技术、美国研发的内压滚筒颗粒状成型技术。螺旋挤压式和曲柄活塞冲压成型物密度稍低，容易松散，且不能连续生产，上述两种设备能耗大，主件易磨损，寿命较低，平均寿命60～80 ｈ，大大增加了生物质固化成型的成本。我国多采用环模辊碾压和平模碾压生产方法。此两种方法连续性挤压成型，生效率较高。但现有设备上料靠人工，布料量难以精确控制。随意布料造成原料的厚度不均匀， 无法对生物质进行
充分基金项目：苏北科技发展计划项目（BC2013423） 碾压，同时严重影响碾压辊运动平稳性，造成设备损坏。人工上料， 一次会上很多的料到成型内，而物料成型在生产过程中是作旋转运动的，这又加剧了能源的损耗。所以传统颗粒成型机的产品制造成本较高、生产率低。本文针对生物质微粒布料问题， 设计一种适用于平模式生物质颗粒成型机的精确上料布料装置，为了原料均匀平铺在平模上，使生物质被充分碾压， 颗粒成型更均匀。同时进一步提高生产效率，降低能耗。物料厚度对成型性能的影响生物质主要组成成分为纤维素、半纤维素和木质素，其中秸秆类生物质中纤维素占70%左右，木质素占17％～25%[3-4]。纤维被粉碎后形成颗粒状，在压缩成型过程中， 颗粒进一步破裂成微小颗粒，同时颗粒发生剪切流动对颗粒间的间隙进行填充，剪切填充进一步引起颗粒的破裂，而破裂进一步引起剪切填充流，直到整体致密。微小颗粒的剪切和填充运动会产生大量的摩擦力， 从而产生大量的热量。这些热量和填充压力给了木质素活化的能量，促使木质素软化和塑化，此时木质素具有较好的粘结性，木质素的这一变化为纤维颗粒的团聚提供了
粘结力，随着材料的硬化，小颗粒粘结在一起。对木质素进行充分摩擦碾压，激活木质素的活化性能，是提高生物质颗粒成型率的关键因素。
1.1 物料厚度成型性能的影响
平模式碾压可实现生物质在碾压辊和平模之间的碾压和摩擦。图1 所示为平模式碾压原理图。模辊间隙δ 是颗粒成型的关键。间隙过大时, 碾压辊对原料的挤压力变小, 原料无法从成型孔流出，使原料堆积在成型室内, 较终导致成型机被堵死。间隙过小, 喂入原料量少, 生产率低,能耗高[5-6]。根据不同的模辊间隙δ， 物料在辊道上的平铺厚度h 也会严重影响生物质成型。h 过小造成生产率低，过大同样也会造成堵模死机。研究物料厚度对生物质成型过程的影响，本文选取玉米秸秆、小麦秸秆、花生壳和油菜秸秆进行实验。模辊间隙为0.3 mm,主轴转速为120 r/min，平模上成型孔直径为8 mm[7-8]。将物料厚度与每吨颗粒能耗、成型率的关系绘成图2 和图3 的曲线。图2 显示，能耗随物料厚度增加而减小，到达一定值后又向相反方向变化。每一种物料各有一个与能耗较小值对应的物料厚度。相同厚度的各种物料能耗相比较，油菜秸秆的较大，花生壳的较小。其原因是花生壳的木质素含量较大，而油菜秸秆的木质素含量较小。
图3 显示， 成型率随物料厚度的增加先增大后减小。由于模辊间隙是固定的，当物料较少时碾压力会很小， 不利于物料从平模底部成型孔中流出。随着物料量的增加，碾压力增大，成型率上升。物料增加到一定量时， 处于厚度中间部位的物料无法得到充分碾压，所以成型率出现了下降。由于花生壳的木质素含量较大，在碾压过程中，花生壳木质素软化后提供的内部粘结力会大一些， 成型相对会容易一些，其成型率相对较高。从图2、图3 得出，充分发挥木质素的粘结性
是提高生物质成型性能的关键。要促使木质素活化，必须对物料进行充分碾压。物料厚度过小或过大都不利于生物质的成型。