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平模制粒机加工生物质燃料的工作特性分析

生物质能的利用技术主要有生物质热裂解气化技术、生物质热裂解液化技术、沼气技术、和生物质固化成型技术等。其中,固化成型技术生产的生物质燃料颗粒,可用于工业燃料、电厂发电和农村居民做饭取暖等领域,在瑞典等欧洲国家已得到广泛应用。据统计,2005年,世界生物质固体成型燃料的产量已突破420万吨。我国对生物质固化成型技术的研究始于20世纪80年代,在生物质螺旋挤压成型、活塞压缩成型和制粒机挤压成型等方面都有所突破。平模制粒机加工生物质颗粒是固化成型技术的一种,近几年在生物质制粒产业的发展过程中,平模机以其坚固耐用、原料适应性强等优点逐渐取得生产者的青睐,本文将就平模制粒机加工生物质颗粒的工作原理,生物质原料的成型机理,平模机加工生物质颗粒的工艺以及特点等方面进行介绍和讨论。

    平模制粒机的工作过程与颗粒成型机理


1.电动机 2.传动箱 3.主轴 4.喂料室5.压辊
6.均料板 7.平模 8.切刀 9.扫料板 10.出料口
图1 平模制粒机
Figure 1  Flat die pellet mill

    按执行部件的运动状态分,平模制粒机有动辊式、动模式、模辊双动式三种,后两种常见于小型平模制粒机,较大机型一般用动辊式。按磨辊的形状分,又可以分为锥辊式和直辊式两种。直辊动辊式平模制粒机工作原理如图1所示:电动机通过减速箱驱动主轴,主轴带动磨辊,磨辊绕主轴公转的同时也绕磨辊轴自转。加工颗粒时,生物质原料被送入平模机的喂料室,在分料器和刮板的共同作用下均匀地铺在平模上,主轴带动的压辊连续不断地滚过料层,将物料挤压进入模孔,物料在模孔中经历成型、保型等过程,一定时间后以圆柱状态被挤出,旋转的切刀将物料切断,形成颗粒,由扫料板将颗粒送出。


图2 颗粒成型机理示意图
Figure 2  The process of pelletization

    生物质原料主要含有纤维素、半纤维素和木质素等物质,其平模机模辊间的成型机理如下(见图2):供料区内的物料在重力作用下紧贴在平模上,当压辊向前滚动,物料进入变形压紧区,这时因受到挤压,原料粒子不断进入粒子间的空隙内,间隙中的空气被排出,粒子间的相互位置不断更新,粒子间所有较大的空隙逐渐都被能进入的粒子占据。随着压辊继续滚动,被压实的原料进入挤压成型区,部分楔形区、模孔的锥孔部分和前半部分都属于挤压成型区,该区内,压力继续增加,粒子本身发生变形和塑性流动,在垂直于最大主应力的方向被延展,并继续充填周围较小的空隙,由于压辊和物料间的摩擦作用加剧而产生大量热量,导致原料中含有的木质素软化,粘合力增加,软化的木质素和生物质中固有的纤维素联合作用,使生物质逐渐成形,这时部分残余应力贮存于成型块内部,粒子结合牢固但不甚稳定。成型块在挤压作用下进入模孔的保型段,在该段不利于形状保持的残余应力被消除,颗粒被定型。

    工艺过程与试验

   平模机加工生物质颗粒基本工艺过程如图3所示,生物质原料经过破碎和粉碎后进入干燥环节。水分合适的物料经混合调质后进入平模机制粒。从制粒机出来的颗粒经过冷却和筛分,得到成品,然后包装或者散装出厂。


图3 生物质燃料制粒工艺
Figure 3  the manufacturing processes of biomass fuel pellets

    生物质制粒的基本工艺步骤大体类似,然而由于原料的物性不同、成型机的工作原理不同,具体的工艺过程还是有所区别,对平模机制粒的关键工艺步骤具体介绍如下:

    粉碎环节,平模机制粒时,原料粒径越小,粒子之间越容易互相充填、嵌合,因此制粒机的单位产量平均能耗就越小,平模和压辊等易损件的磨损速度也较慢,制成颗粒的抗渗水性和硬度等指标也越高,然而一味追求粒径的减小会使粉碎环节的能耗骤升,因此应当在满足平模制粒机加工要求的前提下,使粒径尽量大些。事实上,能够压制大粒径的原料是平模机的优势之一,一般对作物秸秆等原料,其最大颗粒外形尺寸要求小于2×2×30mm,而对于木质原料,则要求更严格一些。

    干燥环节,干燥的主要目的是调节原料的含水率,使其稳定均一,适合制粒机加工,在制粒成型过程中,合适的水分一方面能够传递压辊的压力,另一方面能起到润滑剂的作用,辅助粒子互相填充,从而促进原料成型。但是含水率过大时,水分容易在颗粒之间形成隔离层,使得层间无法紧密结合,挤出的颗粒容易膨胀散开,不能成型,因此控制合适的原料含水率在加工过程中尤为重要。一般从自然界中收集的生物质原料含水率大部分分布在20-40%之间,高的能达到55%,平模制粒机加工生物质原料时,要求原料的水分在10-14%之间,当加工玉米秸秆一类含糖较多的原料时含水量可允许稍高。常规的干燥工艺一般用带式干燥器、滚筒干燥器、厢式干燥器等设备进行,然而不得不承认这一环节会耗费掉可观的能量。笔者认为,如今太阳能干燥技术已较为成熟,完全可以用太阳能温室配备以翻抛设备对生物质原料进行除湿,一般生物质原料的干燥,要求温度水平较低,大约在40-70℃之间,这正好与太阳能利用领域中的低温利用相适应,与传统干燥工艺相比,可以大量节省常规能源,降低固定投资,经济效益显著。

    制粒环节,干燥好的物料进入制粒环节,可以不用调质处理,直接加工。有条件的生产厂家可选配自动控制系统和模辊自动调隙装置。自动控制系统根据主机电流的变化调节喂料电机的变频器,从而实时调节喂料量,这能有效的避免堵机现象的发生。模辊自动调隙装置能采集模辊间隙数据,通过反馈、对比来控制液压系统,使间隙与设定值相一致,并能在生产过程中随时变化。一般而言,启动阶段,磨辊间隙应当尽量小些,这可以减小启动力矩,降低电机负荷。进入稳态工作后,磨辊间隙应当稍大,这可以增大压缩行程,得到坚硬光滑的颗粒。可以将间隙随时间变化的设置输入控制系统,启动后,机器可以自动调节模辊间隙。压辊和平模都是易磨损件,需要定期更换,压辊的服役期可以稍长一点,但最好能够和平模一起更换。一般,平模可以工作800-2000小时不等,这要视零件的材质和加工工艺而定。 (责任编辑:wzxny)