(1.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇南京210037；2.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)站，江蘇南京210017；3.湖州師范學(xué)院信息與工程學(xué)院，江蘇湖州313000；4.泰興市鼎立科技有限有公司，江蘇泰興225400)

　　摘要：通過(guò)系統(tǒng)地分析國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)成型設(shè)備固化技術(shù)研究特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，提出生物質(zhì)固化成型生產(chǎn)線中的固化成型原理和工藝、固化成型過(guò)程等關(guān)鍵技術(shù)研究，以及自動(dòng)供料系統(tǒng)、水分監(jiān)測(cè)與補(bǔ)償系統(tǒng)和聯(lián)控技術(shù)系統(tǒng)的固化成型關(guān)鍵設(shè)備開(kāi)發(fā)建議。

　　成型燃料是先進(jìn)的工業(yè)技術(shù)與再生資源相結(jié)合制造出的產(chǎn)品，是一種新型的生物能源，可代替木柴、原煤、燃油、液化氣等，可廣泛用于取暖、生活爐灶、熱水鍋爐、工業(yè)鍋爐、生物質(zhì)發(fā)電等。在德國(guó)，對(duì)于其立法分類中不能用于物質(zhì)循環(huán)利用的廢棄木材，通常都是作為燃料使用，直接用廢棄木質(zhì)材料等作燃料，因而可對(duì)廢棄木材加工為成型燃料。

　　生物質(zhì)固化成型設(shè)備是燃料成型的關(guān)鍵設(shè)備，通過(guò)將低密度、低熱值、燃燒性能差的農(nóng)林廢棄物(秸稈、枝丫柴等)轉(zhuǎn)化成高密度、高熱值、耐燃燒和便于儲(chǔ)存運(yùn)輸?shù)目稍偕⑶鍧?、無(wú)公害生物質(zhì)成型燃料或飼料。

　　本文擬在系統(tǒng)地分析國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)固化成型設(shè)備技術(shù)研究特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，歸納目前生物質(zhì)固化成型存在的問(wèn)題，然后從固化成型關(guān)鍵技術(shù)及其固化成型關(guān)鍵設(shè)備開(kāi)發(fā)等方面提出建議，以促進(jìn)適應(yīng)中國(guó)國(guó)情的生物質(zhì)固化燃料成型關(guān)鍵技術(shù)及其設(shè)備研制推廣應(yīng)用，推進(jìn)成型燃料項(xiàng)目，緩解能源緊張局面。

　　1國(guó)內(nèi)外燃料成型技術(shù)研究特點(diǎn)分析

　　日本、美國(guó)及歐洲一些國(guó)家生物質(zhì)固化成型燃料設(shè)備已經(jīng)定型，并形成產(chǎn)業(yè)，在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域普遍推廣應(yīng)用。我國(guó)研究起步較晚，各科研院所從成型機(jī)理、生產(chǎn)工藝等多方面進(jìn)行了研究，取得了豐碩成果，隨著市場(chǎng)需求的增加，也進(jìn)行了成型燃料燃燒性能方面的探索性研究。但當(dāng)前主要以實(shí)驗(yàn)室模擬機(jī)型進(jìn)行成型機(jī)理和產(chǎn)品性能等深層次的研究為主。

　　1.1成型機(jī)理研究

　　物料特征如物料類型、粉碎粒度、含水率和添加劑是影響固化成型的關(guān)鍵因素，同時(shí)固化成型設(shè)備的固有特征如成型溫度、工作壓力、作業(yè)速度或預(yù)加熱等特性又要求物料具備相應(yīng)的特性，從而對(duì)成型產(chǎn)品機(jī)械性能如成型密度、強(qiáng)度、耐久性、伸長(zhǎng)率和孔隙率等，以及作業(yè)能耗構(gòu)成影響。Varun Pan-war等研究指出成型密度與物料粒度、含水率、成型速度成反比，與成型壓力成正比。

　　Razuan等在實(shí)驗(yàn)室用液壓活塞沖壓成型機(jī)壓制棕櫚仁餅，試驗(yàn)表明：成型壓力、溫度、含水率和粘合劑是影響成型燃料密度和拉伸強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，在成型壓力64.38MPa、溫度80～100℃和含水率7.9％條件下，成型密度可達(dá)1184～1226kg／m³、拉伸強(qiáng)度930～1007kPa，添加1.0％～2.0％苛性鈉添加劑可以增加拉伸強(qiáng)度，而淀粉添加劑則無(wú)效。HasanYu-mak等用液壓成型設(shè)備開(kāi)展了風(fēng)滾草粉碎后(長(zhǎng)度≤10mm)在4種成型模具下的成型試驗(yàn)，成型條件是含水率7％～10％、壓力15.7～31.4MPa和溫度85～105℃。Chuen-Shii Chou等指出熱壓成型溫度是影響成型塊密度和耐壓強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，稻殼作為添加劑在熱壓過(guò)程中可以促進(jìn)致密化。黃明權(quán)口叩等在螺桿成型機(jī)理基礎(chǔ)上研究了原料含水率、成型溫度、原料種類和螺桿裝配尺寸等對(duì)生物質(zhì)成型的影響。

　　閆文剛等在液壓驅(qū)動(dòng)活塞開(kāi)模成型實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了草坪修剪剩余物不同含水率不同錐度模具的成型試驗(yàn)，研究表明：隨著生物質(zhì)原料含水率增加，常溫成型塊密度和壓縮力的變化趨勢(shì)都是由小變大再變小。

　　由于固化成型過(guò)程比較復(fù)雜，高溫、高壓伴隨著物理和化學(xué)變化，且受空間限制，無(wú)法直接觀測(cè)成型過(guò)程。因此采用建立數(shù)學(xué)模型和顯微觀察的方式也是一種有效的研究方法。

　　Nalladurai Kaliyanl等通過(guò)建立本構(gòu)模型研究了彈性模數(shù)、強(qiáng)度系數(shù)、應(yīng)變硬化指數(shù)、粘滯系數(shù)、摩擦損耗因子與成型壓力、物料粒度、含水率、預(yù)熱溫度的關(guān)系。孫清等建立力學(xué)模型，利用AN-SYS軟件分析提出分段填料壓縮可提高成型物的耐久性，采用緩慢壓縮和提高物料的軟化程度等方法可以防止成型物出現(xiàn)裂紋。杜紅光等建立生物質(zhì)成型模具的摩擦熱分析模型，試驗(yàn)驗(yàn)證成型模具內(nèi)表面溫度在工作運(yùn)轉(zhuǎn)60min后達(dá)到木質(zhì)素軟化溫度，240min后溫度穩(wěn)定在115～125℃，通過(guò)控制原料、模具材料與結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)率等因素，可縮短達(dá)到木質(zhì)素軟化點(diǎn)時(shí)間，提高成型質(zhì)量。孫亮口等采用四元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)和響應(yīng)面分析方法，并利用SPSS和Matlab研究了成型壓力、加熱溫度、含水率和粘結(jié)劑添加量對(duì)稻殼成型塊松弛密度的影響次序及最優(yōu)成型特征。

　　霍麗麗等采用顯微形貌觀察指出環(huán)模式成型機(jī)成型機(jī)理為間斷性分層壓縮。田瀟瑜等利用電子立體顯微鏡觀察玉米秸稈固化成型后的顆粒間的結(jié)合方式和顯微形貌，指出在成型壓力60～90MPa、物料溫度75～100℃、含水率8％～16％下成型塊內(nèi)部顆粒結(jié)合緊密，機(jī)械鑲嵌作用明顯，成型塊物理品質(zhì)和力學(xué)性能較好。吳云玉等建立生物質(zhì)固化成型的微觀接觸幾何模型，確定了壓輥對(duì)原料的正壓力與生物質(zhì)顆粒表面斜角之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

　　1.2成型燃料燃燒特性研究

　　影響成型燃料燃燒特性(熱值、排放和灰分等指標(biāo))的因素主要有秸稈自身的物理特征、成型密度、成型直徑，以及燃燒過(guò)程中的通風(fēng)效果等。Varun Pan-war等用液壓成型機(jī)壓制芒果樹(shù)葉、桉樹(shù)葉、麥稈和木屑成型試驗(yàn)和燃燒特性試驗(yàn)表明：這4種成型燃料熱值均高于印度燃煤熱值的1／2，可用于替代煤和木材。Chuen-Shii Chou等研究發(fā)現(xiàn)粉碎的稻秸稈成型塊熱值與稻殼含量和熱壓溫度成正比。Stefan等推薦的成型燃料為900kgf／cm²壓力下壓制的熱值為12.72MJ／kg(含水率15％)和彎曲強(qiáng)度可達(dá)150kgf／cm²的成型塊。A.Debdoubi等研究指出細(xì)莖針茅部分熱解后在較大壓力下致密化能夠獲得較高的熱值。

　　馬孝琴等研究表明：秸稈成型燃料燃燒初期揮發(fā)份析出速度隨溫度升高而加快，但燃燒平穩(wěn)性越差；增大通風(fēng)量可以降低爐膛內(nèi)溫度，揮發(fā)份析出速度相對(duì)平穩(wěn)；增大成型密度對(duì)成型燃料揮發(fā)份的析出速度起到了一定抑制作用，燃燒初期的平均燃燒速度隨成型直徑和成型質(zhì)量的增加而增大，但在燃燒中后期揮發(fā)份的析出速度相對(duì)穩(wěn)定。羅娟等研究了8種生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性及污染物排放特性指出：揮發(fā)份含量與含水率、生物質(zhì)顆粒燃料所需的點(diǎn)火時(shí)間成反比，SO₂、NO_x等污染物排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但存在著部分生物質(zhì)顆粒燃料灰分含量過(guò)大、結(jié)渣嚴(yán)重等問(wèn)題。王民等采用燒水試驗(yàn)對(duì)成型塊和松木塊的燃燒特性參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析，成型塊除蒸發(fā)速度外其余指標(biāo)都優(yōu)于或等于松木塊。

　　1.3成型燃料儲(chǔ)存特性研究

　　不同物料的粉碎特征、含水率，以及作業(yè)條件對(duì)成型燃料的存儲(chǔ)性能影響較大。但由于不同固化成型設(shè)備適應(yīng)不同的物料特征，當(dāng)壓制物料含水率超過(guò)固化成型機(jī)的適應(yīng)范圍時(shí)，物料不宜固化成型，當(dāng)含水率較高時(shí)，成型燃料直接分散。Lucywamukonya等在2O℃和50濕度條件下，測(cè)試了貯存2周后的成型秸稈塊的含水率和耐久性，鋸屑與刨屑的成型塊耐久性最好、長(zhǎng)度方向膨脹率最?。畸溄斩挸尚蛪K的耐久性最差和長(zhǎng)度方向膨脹率最大，而和鋸屑的混合料成型塊耐久性得到了提高。

　　R.N.Singh在40％～85％環(huán)境濕度條件下研究指出在高濕度環(huán)境下存儲(chǔ)生物質(zhì)成型燃料不會(huì)產(chǎn)生任何問(wèn)題。K.Theerarattananoon等研究指出由于成型顆粒脫模后膨脹，含水率與堆積密度、真比重成反比，應(yīng)根據(jù)物料類型確定一個(gè)最佳的水分含量，以滿足生物質(zhì)顆粒穩(wěn)定生產(chǎn)、耐久性和合適的儲(chǔ)存環(huán)境的需要。

　　1.4成型生產(chǎn)工藝研究

　　張百良介紹了HPB-I型生物質(zhì)成型機(jī)的結(jié)構(gòu)、成型原理與應(yīng)用。該成型機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)活塞雙向擠壓成型機(jī)構(gòu)，通過(guò)雙出桿油缸兩端的沖桿擠壓成型套筒中的生物質(zhì)，在外力作用下，生物質(zhì)顆粒開(kāi)始重新排列位置關(guān)系，并發(fā)生機(jī)械變形和塑性流變；最后在沖桿的推擠作用下，生物質(zhì)成為棒狀從兩端成型套筒中交替擠出，成為既定形狀。

　　液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)活塞套筒雙向擠壓成型機(jī)構(gòu)能投比低，效率高，工作平穩(wěn)，設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)新穎；它為開(kāi)發(fā)和利用以秸稈為主的生物質(zhì)能提供了有效途徑，減輕直接燃燒作物秸稈造成的環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

　　姜洋等利用BIO—C37生物質(zhì)顆粒成型機(jī)通過(guò)試驗(yàn)研究了環(huán)模壓縮比、原料種類和原料含水率等因素對(duì)顆粒燃料密度的影響，總結(jié)高密度顆粒燃料在較低能耗情況下的成型條件，得出在常溫條件下，生物質(zhì)原料在壓縮成型過(guò)程中，粒子發(fā)生變形后以相互嚙合的形式結(jié)合，而粒子層之間以相互貼合的形式結(jié)合。發(fā)現(xiàn)原料中纖維素含量決定了成型的難易程度，纖維素含量越高，成型越容易。原料粒度和含水率對(duì)成型條件有明顯影響，粒徑為1～5mm、含水率為12％～18％時(shí)，生產(chǎn)的顆粒燃料密度最大。

　　姚宗路等采用模輥式成型原理，設(shè)計(jì)了一種生物質(zhì)固體成型燃料加工生產(chǎn)線及相關(guān)的配套設(shè)備，該設(shè)備采用二次粉碎、連續(xù)喂料與調(diào)節(jié)喂料相結(jié)合的原料混配預(yù)處理工藝，并研究設(shè)計(jì)了帶有強(qiáng)制喂料器的生物質(zhì)固體成型燃料模輥式成型機(jī)，建立了生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線；指出采用生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線每小時(shí)生產(chǎn)率比單機(jī)狀態(tài)下提高17.3％，經(jīng)濟(jì)效益提高13.3％，成型率達(dá)到98％，堆積密度和顆粒密度也明顯高于單機(jī)，但檢測(cè)結(jié)果沒(méi)有給出最能影響該工藝路線推廣應(yīng)用的功耗指標(biāo)。

　　侯振東等通過(guò)自制秸稈固化成型設(shè)備的試驗(yàn)研究，表明引入軸向位移、徑向峰值位移、峰值壓力和名義應(yīng)力等概念衡量成型塊的力學(xué)性能是可行的。研究發(fā)現(xiàn)成型壓力、溫度及物料含水率對(duì)成型塊的松弛密度、抗變形性和抗?jié)B水性影響顯著，性能優(yōu)良且便于儲(chǔ)運(yùn)的玉米秸稈成型塊的成型機(jī)理當(dāng)壓力60～90MPa、加熱溫度75～100℃、物料含水率8％～12％時(shí)，可以生產(chǎn)出性能優(yōu)良且便于儲(chǔ)運(yùn)的成型塊。

　　Wolfgang Stelte研究了生物質(zhì)燃料造粒生產(chǎn)過(guò)程中，顆粒長(zhǎng)度、模具溫度、生物質(zhì)含水率和粒度對(duì)造粒壓力的影響。研究結(jié)果表明，制粒壓力隨著顆粒增長(zhǎng)而增大。比率的增大是依賴于生物物種，溫度、水分含量和顆粒大小。建立了一個(gè)預(yù)測(cè)壓力的數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。結(jié)果表明，溫度的增加導(dǎo)致造粒壓力減少。造粒壓力對(duì)含水率的影響依賴于原材料的種類。對(duì)不同粒徑(直徑從0.5mm至2.8mm)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，造粒壓力隨粒徑減小而增加。確定了造粒壓力對(duì)顆粒密度的影響，結(jié)果表明，造粒壓力在200MPa以上時(shí)只導(dǎo)致顆粒密度微量增加。

　　分析上述研究表明：影響生物質(zhì)固化成型的關(guān)鍵因素是成型壓力、含水率和物料粒度；提高主軸轉(zhuǎn)速和增加?？字睆绞翘岣咴O(shè)備生產(chǎn)能力和降低能耗的主要措施；相同成型壓力下，原料粒度越小，成型后的燃料密度越大，成型效果越好。

　　2生物質(zhì)成型燃料固化設(shè)備存在問(wèn)題分析

　　目前我國(guó)成型燃料加工以粗放型為主，自動(dòng)化程度低和生產(chǎn)穩(wěn)定性差。操作人員暴露在粉塵中，尤其是粉碎環(huán)節(jié)，工作環(huán)境惡劣。以1t／h的固化成型生產(chǎn)線為例，連續(xù)生產(chǎn)時(shí)需要2名操作人員供料，采用又或锨將粉碎／切碎的物料連續(xù)拋至輸送裝置。當(dāng)物料含水率低于成型要求時(shí)，依靠經(jīng)驗(yàn)采用噴霧或直接潑灑的方式進(jìn)行水分補(bǔ)償作業(yè)，物料含水率控制較難。由于粉塵和噪聲造成環(huán)境惡劣，難以確保操作人員連續(xù)、穩(wěn)定工作。因此，生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定、連續(xù)性差、生產(chǎn)率低、能耗高和設(shè)備壽命短，以及維護(hù)費(fèi)用高。平均生產(chǎn)率僅能達(dá)到60％。

　　國(guó)外在固化成型技術(shù)方面比較成熟，配套的生物質(zhì)物料前處理技術(shù)也較完善，但價(jià)格高，且由于各地生物質(zhì)物料及其前處理技術(shù)的不同，也存在物料供料散料技術(shù)的適應(yīng)性等問(wèn)題。

　　3成型關(guān)鍵技術(shù)及其研究建議

　　針對(duì)目前在技術(shù)方面仍局限于固化成型設(shè)備成型機(jī)理的研究，且以實(shí)驗(yàn)室模擬為主，與生產(chǎn)實(shí)際差異較大，而企業(yè)主更關(guān)注固化成型設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，即生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，缺乏理論支持，因此需要從成型技術(shù)和成型工藝及設(shè)備開(kāi)展綜合研究。

　　3.1固化成型原理和工藝研究

　　生物質(zhì)固化成型原理主要有冷壓致密成型、熱壓致密成型和碳化致密成型。碳化致密成型由于工藝復(fù)雜、能耗高等問(wèn)題，目前使用較少。熱壓致密成型主要有螺桿致密成型、活塞致密成型和沖壓致密成型，螺桿成型機(jī)要解決螺桿和成型套筒磨損嚴(yán)重嘲、使用壽命短的技術(shù)問(wèn)題；活塞／沖壓成型特點(diǎn)是要求原料含水率較小，要解決成型燃料膨脹、松散、甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)的“放炮”現(xiàn)象和前段工序粉碎消耗功率大等問(wèn)題。

　　冷壓致密成型包括水平軸式環(huán)模、垂直軸式環(huán)模和平模3種結(jié)構(gòu)。水平軸式環(huán)模結(jié)構(gòu)要解決物料容易在模腔中分布不均、下部物料多及上部無(wú)物料而造成模具受力不均和壓輥、模具磨損不均、生產(chǎn)率低、相對(duì)能耗高等問(wèn)題。而垂直軸式環(huán)模結(jié)構(gòu)通過(guò)環(huán)模平放，解決了水平軸式環(huán)模結(jié)構(gòu)的物料分布不均等問(wèn)題，與平模結(jié)構(gòu)機(jī)型成為當(dāng)前市場(chǎng)主流產(chǎn)品。

　　因此，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)加強(qiáng)環(huán)模平放和平模結(jié)構(gòu)固化成型設(shè)備固化成型原理和工藝研究，針對(duì)不同物料類型、粉碎特征、物料含水率和對(duì)應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速等確定固化成型設(shè)備的適應(yīng)性。

　　3.2固化成型過(guò)程分析

　　固化成型過(guò)程比較復(fù)雜，高溫、高壓伴隨著物理和化學(xué)變化，且受空間限制，無(wú)法直接觀測(cè)成型過(guò)程。針對(duì)目前以實(shí)驗(yàn)室模擬機(jī)型、計(jì)算機(jī)軟件模擬、成型后顯微觀察等方式為主，研究物料種類、物料粒度、含水率、成型壓力和成型溫度等對(duì)成型產(chǎn)品的影響，雖對(duì)實(shí)際生產(chǎn)起到一定指導(dǎo)作用，但還存在很大差異，如實(shí)際生產(chǎn)存在物料粒度和含水率不均勻、成型壓力和溫度不宜測(cè)量等因素。因此，很有必要開(kāi)展固化成型過(guò)程分析，針對(duì)不同原料，分別試驗(yàn)粉碎／切碎后不同粒度、不同含水率條件下，監(jiān)測(cè)主軸轉(zhuǎn)速、電流和模孔溫度，并取成型樣品，測(cè)成型密度和采用顯微觀測(cè)成型樣品結(jié)構(gòu)等方法，分析實(shí)際生產(chǎn)情況下的固化成型過(guò)程。

　　4固化成型關(guān)鍵設(shè)備開(kāi)發(fā)分析

　　供料是固化成型設(shè)備作業(yè)過(guò)程中不可或缺的一環(huán)，直接影響設(shè)備的自動(dòng)化程度、穩(wěn)定性、可靠性和工作效率，以及工作環(huán)境安全。因此，需要開(kāi)發(fā)自動(dòng)供料系統(tǒng)，以及水分監(jiān)測(cè)與補(bǔ)償系統(tǒng)和聯(lián)控技術(shù)系統(tǒng)等，圖1為本文建議的自動(dòng)化控制系統(tǒng)框圖。通過(guò)自動(dòng)化供料、水分補(bǔ)償和監(jiān)測(cè)主軸轉(zhuǎn)速(壓輥轉(zhuǎn)速)或電流變化，調(diào)整供料速度等，實(shí)現(xiàn)固化成型設(shè)備的自動(dòng)化生產(chǎn)，減少勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)成本，確保穩(wěn)定、連續(xù)生產(chǎn)。

　　5結(jié)論

　　分析國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)固化成型設(shè)備及燃料成型技術(shù)的研究特點(diǎn)，以及目前生物質(zhì)成型燃料固化生產(chǎn)存在的生產(chǎn)環(huán)境安全、供料自動(dòng)化成都低和制品質(zhì)量等一些問(wèn)題，在分析生物質(zhì)燃料成型系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)上，提出如下建議：

　　1)在實(shí)際生產(chǎn)中，研究針對(duì)物料類型、粉碎粒度、物料含水率和對(duì)應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速等確定固化成型設(shè)備適應(yīng)性的生物質(zhì)燃料固化成型原理和工藝。

　　2)開(kāi)展為生物質(zhì)固化成型生產(chǎn)線開(kāi)發(fā)自動(dòng)供料系統(tǒng)，以及水分監(jiān)測(cè)與補(bǔ)償系統(tǒng)和聯(lián)控技術(shù)系統(tǒng)。

　　3)逐步將各系統(tǒng)應(yīng)用于生物質(zhì)固化成型生產(chǎn)線，試驗(yàn)比較應(yīng)用前后的固化成型設(shè)備工作的穩(wěn)定性、連續(xù)性，以及工作環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益等。