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平模制粒機加工生物質燃料的工作特性分析

生物質能的利用技術主要有生物質熱裂解氣化技術、生物質熱裂解液化技術、沼氣技術、和生物質固化成型技術等。其中,固化成型技術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,在瑞典等歐洲國家已得到廣泛應用。據統計,2005年,世界生物質固體成型燃料的產量已突破420萬噸。我國對生物質固化成型技術的研究始于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都有所突破。平模制粒機加工生物質顆粒是固化成型技術的一種,近幾年在生物質制粒產業的發展過程中,平模機以其堅固耐用、原料適應性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
Figure 1  Flat die pellet mill

    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,一定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
Figure 2  The process of pelletization

    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更新,粒子間所有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,壓力繼續增加,粒子本身發生變形和塑性流動,在垂直于最大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軟化,粘合力增加,軟化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內部,粒子結合牢固但不甚穩定。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消除,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冷卻和篩分,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
Figure 3  the manufacturing processes of biomass fuel pellets

    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,因此應當在滿足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,其最大顆粒外形尺寸要求小于2×2×30mm,而對于木質原料,則要求更嚴格一些。

    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,從而促進原料成型。但是含水率過大時,水分容易在顆粒之間形成隔離層,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尤為重要。一般從自然界中收集的生物質原料含水率大部分分布在20-40%之間,高的能達到55%,平模制粒機加工生物質原料時,要求原料的水分在10-14%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,然而不得不承認這一環節會耗費掉可觀的能量。筆者認為,如今太陽能干燥技術已較為成熟,完全可以用太陽能溫室配備以翻拋設備對生物質原料進行除濕,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,與傳統干燥工藝相比,可以大量節省常規能源,降低固定投資,經濟效益顯著。

    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,這能有效的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、對比來控制液壓系統,使間隙與設定值相一致,并能在生產過程中隨時變化。一般而言,啟動階段,磨輥間隙應當盡量小些,這可以減小啟動力矩,降低電機負荷。進入穩態工作后,磨輥間隙應當稍大,這可以增大壓縮行程,得到堅硬光滑的顆粒?梢詫㈤g隙隨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,需要定期更換,壓輥的服役期可以稍長一點,但最好能夠和平模一起更換。一般,平?梢怨ぷ800-2000小時不等,這要視零件的材質和加工工藝而定。 (責任編輯:wzxny)