0、引言
    生物質(zhì)資源在我國十分豐富，主要包括農(nóng)林廢棄物、畜禽排泄物和有機(jī)垃圾等。生物質(zhì)可加工成飼料、肥料和燃料，生物質(zhì)能源是僅次于煤炭、石油、天然氣的第4大能源，在世界能源總消費(fèi)量中占14%。生物質(zhì)成型顆粒燃料具有便于儲(chǔ)存、運(yùn)輸、使用方便、衛(wèi)生，制作燃料燃燒效率高，是清潔能源，有利于環(huán)�！，F(xiàn)有的生物質(zhì)顆粒成型設(shè)備存在著一些不足之處，制粒時(shí)，物料經(jīng)高溫、高壓有效成分易產(chǎn)生變化，動(dòng)力利用效率低，經(jīng)過生物質(zhì)成型機(jī)械顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等制粒后需要冷卻系統(tǒng)：同時(shí)，這種制粒機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件較多，維護(hù)困難，工作性能不穩(wěn)定，連續(xù)工作時(shí)間較短。為了克服以上制粒機(jī)存在的缺點(diǎn)，由農(nóng)業(yè)部多年研制成功的新型空心對輥式生物顆粒成型機(jī)，在我國還屬首例，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。試驗(yàn)表明，該機(jī)結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)合理，能夠滿足生物顆粒成型機(jī)的特殊要求，該項(xiàng)技術(shù)與設(shè)備研發(fā)促進(jìn)了我國生物顆粒成型產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
1、結(jié)構(gòu)組成、工作原理及主要技術(shù)參數(shù)
1.1  結(jié)構(gòu)組成及工作原理
新型空心對輥式生物顆粒成型機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示。
 
    該成型機(jī)由主電機(jī)、動(dòng)力傳動(dòng)裝置、空心對輥輪、進(jìn)料斗、攪拌裝置、出料斗、振動(dòng)篩、振動(dòng)電機(jī)、刮刀和機(jī)架等組成。動(dòng)力傳動(dòng)裝置主要包括主電動(dòng)機(jī)、皮帶、皮帶輪、減速器、聯(lián)軸器、過載保護(hù)裝置、齒輪箱和主、被動(dòng)傳動(dòng)軸，在聯(lián)軸器與齒輪箱之間裝有過載保護(hù)裝置。當(dāng)有較大、較硬異物落入兩空心對輥輪之間時(shí)，通過過載保護(hù)裝置作用使動(dòng)力傳遞中斷，避免部件的損壞，起到對整個(gè)設(shè)備的保護(hù)作用。齒輪箱中裝有一對大小動(dòng)力傳遞齒輪，通過大小齒輪的傳動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)兩空心對輥輪做差速相向運(yùn)轉(zhuǎn)。由于兩空心對輥輪的差速轉(zhuǎn)動(dòng)，使物料在進(jìn)入兩空心對輥輪上的成型孔時(shí)受到剪切力和兩對輥輪與物料間產(chǎn)生摩擦力的聯(lián)合作用，使物料相互易于搭接、包絡(luò)和進(jìn)入成型孔成型，因而可以提高物料的成型率和成型密度。在兩空心對輥輪上分別制有多排相互間隔的兩端呈喇叭口狀的成型通孔，如圖2所示。在成型通孔的進(jìn)料端喇叭口較小，出料端喇叭口較大，中間為圓柱狀的成型通孔，進(jìn)口處制成小喇叭狀為了使物料更易于進(jìn)入成通孔成型，防止物料在壓力作用下向上移動(dòng)從而影響物料成型效果；出料口處制成大喇叭狀是為了使成型后顆粒易于脫模出料，中間成型通孔的直徑的長度應(yīng)根據(jù)成型物料與成型顆粒大小粒度的不同而定。在進(jìn)料斗的進(jìn)料口處安裝有物料攪拌裝置，該裝置一方面起到將物料定時(shí)定量地送往兩空心對輥輪之間，另一方面有對物料向下推進(jìn)作用，以減小物料由于受到壓力作用而向上移動(dòng)，強(qiáng)迫物料進(jìn)入成型孔成型。在成型顆粒出口處設(shè)有振動(dòng)篩，振動(dòng)篩在振動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下不斷振動(dòng)，成型脫模后的顆粒落入振動(dòng)篩中，振動(dòng)篩上部的成型顆粒最后掉入物料輸送機(jī)構(gòu)帶走，振動(dòng)篩下部的碎物料經(jīng)收集后再放到進(jìn)料斗中重新成型。刮刀固定在機(jī)架上，放到兩空心對輥輪成型顆粒出口處，可將成型后的物料切斷。
     工作時(shí)，電機(jī)動(dòng)力經(jīng)動(dòng)力傳動(dòng)裝置最后傳遞給兩空心對輥輪，使其做差速運(yùn)轉(zhuǎn)，與此同時(shí)粉碎后的物料經(jīng)進(jìn)料斗的進(jìn)料攪拌裝置，源源不斷地將物料送往兩空心對輥輪之間，并形成一定的向下推進(jìn)力，物料在進(jìn)入兩空心對輥輪處受到物料與兩空心對輥輪之間產(chǎn)生的摩擦力、由兩空心對輥輪做差速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的剪切力、由進(jìn)料攪拌裝置產(chǎn)生的向下。
 
1.2  主要技術(shù)參數(shù)
    成型機(jī)外形尺寸/mm：500 X2000 X1760
    整機(jī)質(zhì)量/kg：2000～3000
    配套總動(dòng)力/kW: 35
    空心對輥輪直徑/mm：450
    顆粒規(guī)格/mm：8mm
    生產(chǎn)能力/t/h：1～4
    顆粒成型率／%：>95
    兩空心對輥輪轉(zhuǎn)速/rad．min。1：80～200
    成型顆粒平均抗壓強(qiáng)度lN：10～50
2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
2.1  一機(jī)多用（多功能性）
    該機(jī)通過更換兩空心對輥輪，根據(jù)生產(chǎn)要求可將生物質(zhì)加工成大小不同的飼料、肥料或燃料，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多功能。該機(jī)采用兩對輥輪相向滾壓成型的原理，在工作過程中，工作零部件磨損較少，工作推力和兩空心對輥輪運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的相互擠壓力的聯(lián)合作用，使物料源源不斷地被強(qiáng)制進(jìn)入成型孔成型，再經(jīng)刮刀切斷后落入振動(dòng)篩，最終落入輸送機(jī)構(gòu)帶走，從而完成物料制粒的整個(gè)過程。性能穩(wěn)定可靠，在制顆粒飼料或肥料時(shí)可在常溫下工作，這樣能夠保持物料原有成分，可較長時(shí)間連續(xù)工作。
2.2  傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    傳動(dòng)系統(tǒng)是由皮帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)聯(lián)合傳動(dòng)作業(yè)，由減速器、齒輪箱和在減速器與齒輪箱輸入軸間安裝一個(gè)過載保護(hù)聯(lián)軸器組成。通常齒輪箱中齒輪是由一對大小齒輪組成，可實(shí)現(xiàn)兩空心對輥輪差速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)由于種種原因出現(xiàn)過載時(shí)，過載保護(hù)聯(lián)軸器就會(huì)產(chǎn)生斷裂或脫離，切斷動(dòng)力傳遞，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器的保護(hù)功能。
2.3  兩空心對輥輪及其成型通孔
    在綜合考慮整機(jī)外形尺寸、質(zhì)量、生產(chǎn)率及物料在兩輥輪間產(chǎn)生的壓力角等因素，確定兩對輥輪的直徑為450mm，寬度為40～70mm。在對輥輪上制有多排相互間隔的成型通孔，成型通孔分3段（如圖2所示）。進(jìn)料端呈小喇叭口狀，出料端呈大喇叭口狀，目的是便于物料進(jìn)入成型孔成型和成型后顆粒脫模；中間為圓柱狀的成型通孔，成型通孔的直徑及其長度應(yīng)根據(jù)物料成型顆粒的大小而定。
3、試驗(yàn)分析
    生物質(zhì)壓縮成型受多個(gè)因素影響，這些因素有的與生物質(zhì)自身的生化特性有關(guān)，有的與外部壓縮條件、模具類型、壓縮方式、成型工藝等有密切聯(lián)系，它們都從根本上影響或制約著成型物內(nèi)部的粘結(jié)方式和粘結(jié)力大小、直接造成成型物的物理品質(zhì)差異。對于一臺設(shè)計(jì)好的顆粒成型機(jī)，原料的種類、含水率、粒度、溫度及工作壓力是影響顆粒成型的主要因素。
3.1不同原料顆粒成型的結(jié)果分析
    試驗(yàn)的生物質(zhì)原料為粉碎后的農(nóng)作物秸稈及鋸木，經(jīng)干燥后含水率為20%～3 0%，原料粒度為2～10mm，在成型溫度為140～60℃時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由于成型使用的原材料種類的不同，使得成型機(jī)的產(chǎn)量、單位產(chǎn)品耗電量、成型密度及成型率都有所不同。從表1看出，使用鋸木材料的生產(chǎn)率、成型密度和成型率都較農(nóng)作物秸稈材料大，而單位產(chǎn)品能耗卻較小，說明鋸木材料較秸稈材料易于成型。
3.2  原料含水率和粒度對顆粒成型的影響
    以玉米秸稈為原料進(jìn)行試驗(yàn)，測得成型機(jī)性能指標(biāo)和成型顆粒的基本特性，測得數(shù)據(jù)如表2所示。

    由表2可知，原料的粒度對成型機(jī)性能指標(biāo)的影響，隨著物料粒度的增加成型的產(chǎn)量減小，耗電量在增加，對成型顆粒的成型率和成型密度影響不大；成型機(jī)的產(chǎn)量和耗電量以及成型顆粒的成型率和成型密度在原料一定范圍的含水率內(nèi)，隨著原料含水率增加而增加，當(dāng)含水率超過30%時(shí)，隨著原料含水率增加，除耗電量仍增加外，其余指標(biāo)都在減小。由此可見，原料成型適宜含水率在25%～28%之間，粒度應(yīng)在1～6mm之間。
3.3  成型壓力和溫度對顆粒成型的影響
    據(jù)有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，由于成型物料中木質(zhì)素、半纖維素和纖維素含量不同，成型所需的壓力和溫度也不同。壓力過低不能使物料壓緊壓實(shí)，導(dǎo)致物料顆粒成型率下降；在制顆粒燃料時(shí)，溫度過低，不足以使木質(zhì)素塑化，即使有足夠壓力，也不能使物料成型。生物質(zhì)在受熱時(shí)可分解轉(zhuǎn)化為液態(tài)、固態(tài)和部分氣態(tài)產(chǎn)物，將生物質(zhì)熱解技術(shù)與壓縮成型工藝相結(jié)合，利用熱解反應(yīng)產(chǎn)生的液態(tài)熱解油或焦油作為壓縮成型的粘結(jié)劑，有利于物料壓縮成型并可提高成型燃料的品位和熱值。但成型溫度過高也會(huì)造成成型燃料表面嚴(yán)重?zé)岱纸�，出現(xiàn)裂縫，降低強(qiáng)度，甚至于不能成型。因此，成型時(shí)選擇合適的壓力和溫度是必要的。
4、結(jié)論
    通過對顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)性能指標(biāo)和成型顆粒的基本特性試驗(yàn)結(jié)果分析，表明該空心對輥式生物顆粒成型機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)都能滿足生物質(zhì)顆粒成型的要求。同時(shí)，可通過更換兩空心對輥輪，采用不同的制粒工藝和參數(shù)，以適合生產(chǎn)生物有機(jī)顆粒肥、顆粒飼料和顆粒燃料的生產(chǎn)目的要求，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的功能。試驗(yàn)表明，該機(jī)生產(chǎn)效率高、工作性能穩(wěn)定、設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)新穎、磨損件較少，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間連續(xù)化作業(yè)。該機(jī)的研發(fā)可為包括秸稈和鋸木在內(nèi)的生物質(zhì)提供了有效的制粒途徑，促進(jìn)了生物質(zhì)資源的有效利用可持續(xù)化發(fā)展。