0、前言
    生物質(zhì)成型顆粒燃料已經(jīng)受到社會各界的高度重視，在拓展其應(yīng)用范圍過程中，不斷降低燃料的生產(chǎn)成本是研究人員的主要任務(wù)。在成型燃料成本構(gòu)成中，當成型原理確定之后，降低其加工成本的潛力有限，因此，降低原料成本就成為降低成型燃料成本的關(guān)鍵。生物質(zhì)原料的分散性特點決定了運輸成本高于原料自身價格，開發(fā)高度集成的可移動成型設(shè)備，可以實現(xiàn)在原料產(chǎn)地生產(chǎn)成型燃料，節(jié)省原料運輸成本，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。我們在固定式成型設(shè)備基礎(chǔ)上，通過對系統(tǒng)中各結(jié)構(gòu)單元的優(yōu)化集成，研制出可移動的生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備。本文探討了設(shè)備集成原理，研究了不同原料的成型條件，測試了設(shè)備的技術(shù)性能，分析了成型燃料的成本。
1、工藝流程的確定
    根據(jù)設(shè)備可以隨時移動的要求，整套系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu)緊湊，且整體設(shè)備體積不能過大，并要求操作簡單、運行穩(wěn)定，經(jīng)過反復論證確定工藝流程如圖1。
    原料經(jīng)粉碎機粉碎（或直接投入粉料）后，經(jīng)可調(diào)速的螺旋輸送機輸送到顆粒機的攪拌輸送系統(tǒng)，然后進入顆粒機主機，在顆粒機主機環(huán)模和壓輥的擠壓下形成顆粒，經(jīng)切刀切斷后通過顆粒輸送機、旋風分離器把制成的顆粒輸送到冷卻系統(tǒng)，顆粒在冷卻系統(tǒng)中經(jīng)過冷卻后通過成品篩后由人工裝袋包裝。
2、主要設(shè)備的選擇及系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1成型設(shè)備的選擇
    目前，顆粒機的結(jié)構(gòu)主要有2種，一種為平模結(jié)構(gòu)．另一種為環(huán)模結(jié)構(gòu)。無論是平模顆粒機還是環(huán)模顆粒機，都是由壓輥將粉碎好的原料擠過壓�？讈硗瓿芍屏５摹－h(huán)模顆粒機（圖2）在動力帶動下，壓模旋轉(zhuǎn)，由壓料入孔的正壓力所產(chǎn)生的摩擦力帶動壓輥自轉(zhuǎn)。因為環(huán)模與壓輥均是圓柱形的，所以環(huán)模內(nèi)壁上各點線速度都一樣，為vl=WiR，輥柱面上各點的線速度也一樣，在足夠摩擦力作用下，其線速度V2=Vl，即Wi=WiR，保證了模輥間的純滾動，二者之間的相互作用力比較均勻。平模顆粒機（圖3）在輥子轉(zhuǎn)速一定的情況下，其孔帶區(qū)各點線速度y=WiR隨著R的增大而增大，但圓柱壓輥柱面上的線速度必須是一致的，這樣在模輥之間除了產(chǎn)生滾動摩擦之外，還產(chǎn)生了滑動摩擦，這必將損失更多的功率，產(chǎn)生更多的熱量。由于模輥的磨損加劇，其壽命也相應(yīng)地縮短。
    另外，通過理論計算，在同樣壓輥半徑的情況下，環(huán)模的壓實層比平模的壓實層厚，壓實區(qū)域大，這使環(huán)模的擠壓力對各種不同的原料具有更大的適應(yīng)力，壓制出的顆粒質(zhì)量也會更好。因此，為了使移動式顆粒燃料設(shè)備系統(tǒng)能夠高效率的運轉(zhuǎn)，同時又能滿足生產(chǎn)不同生物質(zhì)顆粒燃料的需要，本系統(tǒng)采用環(huán)模顆粒機作為制粒主機。
    通過合理的設(shè)計，確定顆粒機主要由主電機、齒輪箱減速裝置、主軸、驅(qū)動軸、環(huán)模、壓輥、強制喂料器、切刀組件及機身和門等組成。經(jīng)上料絞龍輸送來的物料，由喂料器和前板上2個偏轉(zhuǎn)刮刀均勻地送入2個壓輥與環(huán)模組成的壓制區(qū)，通過環(huán)模和壓輥2個相對旋轉(zhuǎn)件對物料逐漸擠壓而擠入環(huán)�？�，在模孔中成型，并不斷向外端擠出，由切刀把成型顆粒切成需要的長度，最后成型顆粒排出機外。
2.2系統(tǒng)內(nèi)其它主要單元的設(shè)計
    根據(jù)我們研究固定式設(shè)備的經(jīng)驗以及實際生產(chǎn)的需要，本套系統(tǒng)還配置了粉碎機、輸送機、廂式冷卻器、布袋除塵器和通風機等幾個主要設(shè)備。從結(jié)構(gòu)上看，與固定式設(shè)備有明顯區(qū)別的是顆粒輸送機和除塵設(shè)備系統(tǒng)，在原有的固定式設(shè)備上采用的結(jié)構(gòu)由于占用空間較大，不適合在小型設(shè)備上使用，下面詳細論述這2種設(shè)備的選擇。
2.2.1顆粒輸送設(shè)備的選擇
    一般大中型固定式輸送設(shè)備往往采用斗提式輸送機，占地面積小，輸送量大，但需要一定的空間，不適于在可移動設(shè)備上應(yīng)用。螺旋輸送機也是常用的輸料設(shè)備，但這種輸送方式不僅需要一定傾角，占用很大的空間，而且其內(nèi)部的螺旋片轉(zhuǎn)動時也會破壞顆粒，影響顆粒外觀質(zhì)量，所以也不能采用。皮帶輸送機需要傾角較小，但占地面積較大，也不適合采用。由于顆粒燃料密度相對較小，因此可以采用風送的方式來解決這一問題，即選用合適的風機和管徑，利用風的力量把主機生產(chǎn)出來的顆粒輸送到冷卻器中。這種氣力輸送系統(tǒng)占地面積小，可以比較任意地安排輸送線路，并且設(shè)備簡單、操作方便，容易實現(xiàn)自動化，非常適合在這種可移動的設(shè)備上使用。具體參數(shù)計算如下。
    (1)氣體速度的確定
    從氣力輸送的角度考慮，氣體速度只要超過最大顆粒的沉降速度即可，為確保操作的順利進行，在氣力輸送中，氣體速度往往取最大顆粒沉降速度的幾倍至幾十倍。
    根據(jù)上述計算，我們確定濾袋過濾面積為10.4m2，濾袋袋數(shù)9個，單個濾袋直徑230mm，單個濾袋長度1 600 mm，濾袋間距為260 mm。
2.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
    為了實現(xiàn)可以隨時移動的要求．我們把上述設(shè)備按照工藝流程合理地固定在一個共同的底座上，采用槽鋼和鋼板焊接而成，有可靠的牢固性，并且根據(jù)重心要求設(shè)有4個吊點，使整個系統(tǒng)能夠方便地吊裝和運輸。共同底座的大小根據(jù)目前載重貨車的車廂尺寸要求進行設(shè)計，最終確定底座尺寸為4 200mmx2 150 mm。
    由于本系統(tǒng)采用風送的方式進行物料的輸送，管路很多，而且設(shè)備總體排布后有一定高度，最高處將達到4.3 m．如果采用汽運將超過交通部門規(guī)定的標準高度，因此，我們采取管路現(xiàn)場安裝的方式進行解決，各管路連接處采用標準法蘭連接，簡單方便。運輸?shù)臅r候把高出的管路拆下來，單獨存放，待設(shè)備固定下來后，經(jīng)過簡單安裝就可以進行生產(chǎn)。
    在由粉碎機到上料輸送機的管路系統(tǒng)中，由于粉碎機的風量很難控制，如果直接連接到料斗上，容易使部分風量直接進入成型機主機中，對顆粒的成型產(chǎn)生影響，顆粒出料口處也會因為風量過大，吹出很多灰塵．影響環(huán)境衛(wèi)生。為此我們在輸送機料斗的人口處增加1臺關(guān)風機來解決這一問題。關(guān)風機的作用是物料能順利通過而風量會被里面的葉片阻擋，不會進入主機，經(jīng)過實際測試，效果很好。
    原料在擠壓過程中，會有很少一部分原料（約5%左右）沒有成型就被吸到冷卻器中，和制成的顆�；煸谝黄穑瑸榱四馨堰@些粉料、碎料分開，我們在冷卻器的下面安裝了震動篩裝置，放料裝袋時啟動震動器，在震動器和篩子的作用下，能有效地把成品顆粒與粉末、碎料分離，提高了顆粒的整體外觀質(zhì)量。
    最終的設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示，由圖5可以看出，該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，集成化程度高。
3、成型條件的研究
3.1設(shè)備的技術(shù)指標
    我們以玉米秸稈、蘆葦、鋸末、豆稈4種物料為原料，對系統(tǒng)能耗及成型顆粒產(chǎn)品的密度進行測試。
測試結(jié)果見表1。
3.2不同含水率物料的成型條件
    圖6，7是以秸稈和蘆葦為原料的成型燃料密度與含水率的關(guān)系。由圖6，7可見，玉米秸稈含水率低于12%時，成型燃料密度隨含水率增加而迅速增加，含水率為12%～18%時，燃料密度變化不大，含水率超過18%時，燃料密度迅速下降。以蘆葦為原料的測試結(jié)果有所不同，原料含水率為15%時燃料密度達到最大，但含水率為12%~20%時，可以獲得密度很高的成型燃料。
    上述結(jié)果表明，燃料含水率對環(huán)模成型起著關(guān)鍵的作用。生物質(zhì)壓縮成型分為2個階段：第一階段，在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質(zhì)顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)開始改變，生物質(zhì)內(nèi)部空隙率減少；第二階段，當壓力逐漸增大時，生物質(zhì)大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細小的粒子，并發(fā)生變形或塑性流動，粒子開始充填空隙，粒子間更加緊密地接觸而互相嚙合，一部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，使粒子間結(jié)合更牢固。在這2個階段中，生物質(zhì)機體內(nèi)存在的適量的結(jié)合水和自由水作為潤滑劑，會使粒子間的內(nèi)摩擦變小，流動性增強，從而促進粒子在壓力作用下滑動而嵌合。當生物質(zhì)原料的含水量過低時，粒子得不到充分延展，與四周的粒子結(jié)合不夠緊密，所以不能成型：當含水率過高時，盡管粒子在垂直于最大主應(yīng)力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合：但由于原料中較多的水分被擠出后分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型。
4、與固定式顆粒燃料設(shè)備的比較
    目前，大中型固定式顆粒燃料生產(chǎn)設(shè)備（技術(shù)）已經(jīng)比較成熟，事實證明，在原料充足且比較集中的地區(qū)進行大規(guī)模的生產(chǎn)能夠獲得很好的經(jīng)濟效益。但是在原料比較分散的地區(qū)，采用這種工廠化的設(shè)備生產(chǎn)顆粒燃料就會有很多不足之處，經(jīng)濟效益不明顯。相比之下，可移動式設(shè)備就有很大的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下2個方面。
    ①原料運輸費用上的優(yōu)勢。使用固定式工廠化的設(shè)備生產(chǎn)時，由于這類設(shè)備一般產(chǎn)量較大，每天需要8～10 t的原料才能滿足設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。農(nóng)村地區(qū)一般以村為單位，相臨的村落相距通常2～5 km．為滿足原料供應(yīng)，經(jīng)過初步測算，需要收集半徑為50 km區(qū)域內(nèi)的秸稈原料，其運輸量之大可想而知，相應(yīng)的運費也會增加很多。如果使用這種可移動的設(shè)備，就可以根據(jù)原料情況隨時移動，雖然需要一定的吊裝和運輸費用，但和運輸大量的原料比起來，成本會減少很多。
    ②投資上的優(yōu)勢。大型的設(shè)備往往需要很大的投資，不僅體現(xiàn)在設(shè)備本身的價格很高，而且其配套設(shè)施的費用也很多，比如，需要占用較大的廠房和配備專門的變壓器等。采用這種小型可移動的設(shè)備就不需要這些設(shè)施，只需要一個臨時的場地就可以生產(chǎn)了，往往不需要專用的供電設(shè)備。另外，設(shè)備本身的價格也不是很高，投資人很容易接受，投入的成本半年左右就能全部收回。因此，會節(jié)省很多費用，管理起來也很方便。
5、結(jié)束語
    通過對成型設(shè)備及相關(guān)附屬設(shè)備的優(yōu)化集成研究．設(shè)計加工出可移動的生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備具有如下結(jié)構(gòu)特點。
    ①對成型設(shè)備及相關(guān)附屬設(shè)備進行優(yōu)化集成設(shè)計，減小了設(shè)備體積，滿足了可移動的要求。
    ②顆粒的輸送方式首次選擇了風力輸送的方式，新穎獨特，簡單實用。
    ③連續(xù)的運轉(zhuǎn)實踐表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，協(xié)調(diào)性好，各設(shè)備之間的匹配能力相當。
    ④對各種生物質(zhì)原料的成型試驗表明，只要原料粒度、含水率等條件滿足要求，這些原料都能很好地成型，而且顆粒密度大(≥1.1g/cm3)，系統(tǒng)能耗小(≤100 kWh/t)。
    通過長時間的運行試驗和用戶試用，系統(tǒng)地評價了該設(shè)備的綜合性能，結(jié)果表明該設(shè)備系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、易于維護、自動化程度高、能耗低等優(yōu)點，可移動設(shè)備大幅度降低了生物質(zhì)成型燃料的成本，特別適合于在生物質(zhì)原料相對分散的農(nóng)村地區(qū)使用。