(1.南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇南京210037；2.江蘇省農(nóng)業(yè)機械試驗站，江蘇南京210017；3.湖州師范學院信息與工程學院，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：通過系統(tǒng)地分析國內(nèi)外生物質(zhì)成型設(shè)備固化技術(shù)研究特點和存在的問題，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、固化成型過程等關(guān)鍵技術(shù)研究，以及自動供料系統(tǒng)、水分監(jiān)測與補償系統(tǒng)和聯(lián)控技術(shù)系統(tǒng)的固化成型關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)建議。

　　成型燃料是先進的工業(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，對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、耐燃燒和便于儲存運輸?shù)目稍偕⑶鍧?、無公害生物質(zhì)成型燃料或飼料。

　　本文擬在系統(tǒng)地分析國內(nèi)外生物質(zhì)固化成型設(shè)備技術(shù)研究特點的基礎(chǔ)上，歸納目前生物質(zhì)固化成型存在的問題，然后從固化成型關(guān)鍵技術(shù)及其固化成型關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)等方面提出建議，以促進適應(yīng)中國國情的生物質(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，推進成型燃料項目，緩解能源緊張局面。

　　1國內(nèi)外燃料成型技術(shù)研究特點分析

　　日本、美國及歐洲一些國家生物質(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。我國研究起步較晚，各科研院所從成型機理、生產(chǎn)工藝等多方面進行了研究，取得了豐碩成果，隨著市場需求的增加，也進行了成型燃料燃燒性能方面的探索性研究。但當前主要以實驗室模擬機型進行成型機理和產(chǎn)品性能等深層次的研究為主。

　　1.1成型機理研究

　　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，從而對成型產(chǎn)品機械性能如成型密度、強度、耐久性、伸長率和孔隙率等，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等在實驗室用液壓活塞沖壓成型機壓制棕櫚仁餅，試驗表明：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1184～1226kg／m³、拉伸強度930～1007kPa，添加1.0％～2.0％苛性鈉添加劑可以增加拉伸強度，而淀粉添加劑則無效。HasanYu-mak等用液壓成型設(shè)備開展了風滾草粉碎后(長度≤10mm)在4種成型模具下的成型試驗，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度的關(guān)鍵因素，稻殼作為添加劑在熱壓過程中可以促進致密化。黃明權(quán)口叩等在螺桿成型機理基礎(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生物質(zhì)成型的影響。

　　閆文剛等在液壓驅(qū)動活塞開模成型實驗臺進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，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都是由小變大再變小。

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

　　Nalladurai Kaliyanl等通過建立本構(gòu)模型研究了彈性模數(shù)、強度系數(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，試驗驗證成型模具內(nèi)表面溫度在工作運轉(zhuǎn)60min后達到木質(zhì)素軟化溫度，240min后溫度穩(wěn)定在115～125℃，通過控制原料、模具材料與結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)率等因素，可縮短達到木質(zhì)素軟化點時間，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)模式成型機成型機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，機械鑲嵌作用明顯，成型塊物理品質(zhì)和力學性能較好。吳云玉等建立生物質(zhì)固化成型的微觀接觸幾何模型，確定了壓輥對原料的正壓力與生物質(zhì)顆粒表面斜角之間的數(shù)學關(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)的因素主要有秸稈自身的物理特征、成型密度、成型直徑，以及燃燒過程中的通風效果等。Varun Pan-war等用液壓成型機壓制芒果樹葉、桉樹葉、麥稈和木屑成型試驗和燃燒特性試驗表明：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％)和彎曲強度可達150kgf／cm²的成型塊。A.Debdoubi等研究指出細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；增大通風量可以降低爐膛內(nèi)溫度，揮發(fā)份析出速度相對平穩(wěn)；增大成型密度對成型燃料揮發(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)顆粒燃料所需的點火時間成反比，SO₂、NO_x等污染物排放質(zhì)量濃度遠低于國家標準，但存在著部分生物質(zhì)顆粒燃料灰分含量過大、結(jié)渣嚴重等問題。王民等采用燒水試驗對成型塊和松木塊的燃燒特性參數(shù)進行了測試分析，成型塊除蒸發(fā)速度外其余指標都優(yōu)于或等于松木塊。

　　1.3成型燃料儲存特性研究

　　不同物料的粉碎特征、含水率，以及作業(yè)條件對成型燃料的存儲性能影響較大。但由于不同固化成型設(shè)備適應(yīng)不同的物料特征，當壓制物料含水率超過固化成型機的適應(yīng)范圍時，物料不宜固化成型，當含水率較高時，成型燃料直接分散。Lucywamukonya等在2O℃和50濕度條件下，測試了貯存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、長度方向膨脹率最?。畸溄斩挸尚蛪K的耐久性最差和長度方向膨脹率最大，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)境下存儲生物質(zhì)成型燃料不會產(chǎn)生任何問題。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)成型機的結(jié)構(gòu)、成型原理與應(yīng)用。該成型機采用液壓驅(qū)動往復活塞雙向擠壓成型機構(gòu)，通過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)顆粒開始重新排列位置關(guān)系，并發(fā)生機械變形和塑性流變；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)動往復活塞套筒雙向擠壓成型機構(gòu)能投比低，效率高，工作平穩(wěn)，設(shè)計合理，結(jié)構(gòu)新穎；它為開發(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)濟效益和環(huán)保效益。

　　姜洋等利用BIO—C37生物質(zhì)顆粒成型機通過試驗研究了環(huán)模壓縮比、原料種類和原料含水率等因素對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成型條件有明顯影響，粒徑為1～5mm、含水率為12％～18％時，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)計了帶有強制喂料器的生物質(zhì)固體成型燃料模輥式成型機，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)線每小時生產(chǎn)率比單機狀態(tài)下提高17.3％，經(jīng)濟效益提高13.3％，成型率達到98％，堆積密度和顆粒密度也明顯高于單機，但檢測結(jié)果沒有給出最能影響該工藝路線推廣應(yīng)用的功耗指標。

　　侯振東等通過自制秸稈固化成型設(shè)備的試驗研究，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)良且便于儲運的玉米秸稈成型塊的成型機理當壓力60～90MPa、加熱溫度75～100℃、物料含水率8％～12％時，可以生產(chǎn)出性能優(yōu)良且便于儲運的成型塊。

　　Wolfgang Stelte研究了生物質(zhì)燃料造粒生產(chǎn)過程中，顆粒長度、模具溫度、生物質(zhì)含水率和粒度對造粒壓力的影響。研究結(jié)果表明，制粒壓力隨著顆粒增長而增大。比率的增大是依賴于生物物種，溫度、水分含量和顆粒大小。建立了一個預(yù)測壓力的數(shù)學模型，模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)相符合。結(jié)果表明，溫度的增加導致造粒壓力減少。造粒壓力對含水率的影響依賴于原材料的種類。對不同粒徑(直徑從0.5mm至2.8mm)進行了測試，結(jié)果表明，造粒壓力隨粒徑減小而增加。確定了造粒壓力對顆粒密度的影響，結(jié)果表明，造粒壓力在200MPa以上時只導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)備存在問題分析

　　目前我國成型燃料加工以粗放型為主，自動化程度低和生產(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。當物料含水率低于成型要求時，依靠經(jīng)驗采用噴霧或直接潑灑的方式進行水分補償作業(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，以及維護費用高。平均生產(chǎn)率僅能達到60％。

　　國外在固化成型技術(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)性等問題。

　　3成型關(guān)鍵技術(shù)及其研究建議

　　針對目前在技術(shù)方面仍局限于固化成型設(shè)備成型機理的研究，且以實驗室模擬為主，與生產(chǎn)實際差異較大，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雜、能耗高等問題，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，螺桿成型機要解決螺桿和成型套筒磨損嚴重嘲、使用壽命短的技術(shù)問題；活塞／沖壓成型特點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)危險的“放炮”現(xiàn)象和前段工序粉碎消耗功率大等問題。

　　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、相對能耗高等問題。而垂直軸式環(huán)模結(jié)構(gòu)通過環(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題，與平模結(jié)構(gòu)機型成為當前市場主流產(chǎn)品。

　　因此，實際生產(chǎn)中應(yīng)加強環(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，針對不同物料類型、粉碎特征、物料含水率和對應(yīng)主軸轉(zhuǎn)速等確定固化成型設(shè)備的適應(yīng)性。

　　3.2固化成型過程分析

　　固化成型過程比較復雜，高溫、高壓伴隨著物理和化學變化，且受空間限制，無法直接觀測成型過程。針對目前以實驗室模擬機型、計算機軟件模擬、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成型產(chǎn)品的影響，雖對實際生產(chǎn)起到一定指導作用，但還存在很大差異，如實際生產(chǎn)存在物料粒度和含水率不均勻、成型壓力和溫度不宜測量等因素。因此，很有必要開展固化成型過程分析，針對不同原料，分別試驗粉碎／切碎后不同粒度、不同含水率條件下，監(jiān)測主軸轉(zhuǎn)速、電流和?？诇囟龋⑷〕尚蜆悠?，測成型密度和采用顯微觀測成型樣品結(jié)構(gòu)等方法，分析實際生產(chǎn)情況下的固化成型過程。

　　4固化成型關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)分析

　　供料是固化成型設(shè)備作業(yè)過程中不可或缺的一環(huán)，直接影響設(shè)備的自動化程度、穩(wěn)定性、可靠性和工作效率，以及工作環(huán)境安全。因此，需要開發(fā)自動供料系統(tǒng)，以及水分監(jiān)測與補償系統(tǒng)和聯(lián)控技術(shù)系統(tǒng)等，圖1為本文建議的自動化控制系統(tǒng)框圖。通過自動化供料、水分補償和監(jiān)測主軸轉(zhuǎn)速(壓輥轉(zhuǎn)速)或電流變化，調(diào)整供料速度等，實現(xiàn)固化成型設(shè)備的自動化生產(chǎn)，減少勞動強度，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，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、供料自動化成都低和制品質(zhì)量等一些問題，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)在實際生產(chǎn)中，研究針對物料類型、粉碎粒度、物料含水率和對應(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)開展為生物質(zhì)固化成型生產(chǎn)線開發(fā)自動供料系統(tǒng)，以及水分監(jiān)測與補償系統(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)濟效益等。