稻草秸秆压缩研究及制粒机械设计

谭季秋，刘军安，朱培立，宋晓波，戴 明

（1.湖南工程学院 机械学院，湘潭411101；2.湖南工程学院 机械学院机械设计0502班，湘潭411101；）

0 引 言

中国作为农业大国，具有丰富的可再生能源和新能源资源，仅农作物秸秆每年产量达9亿多吨，这些资源不仅没有得到有效利用，在有些地方甚至成为负担.＂节能减排＂、新能源和可再生能源开发利用是当今国际上的一大热点[1].新华社曾经呼吁：《给科学家出道难题－帮助农民找到处理秸秆的办法》.如何开发利用秸秆问题，是当代农业发展的重大课题之一.

生物质能是可再生能源十分重要的组成部份，资源十分丰富，是取之不竭的可持续利用的能源.它的合理、高效开发利用，对解决人类的能源危机和改善人们生存环境起着十分积极作用[2].生物质燃料发展很快，在西欧及日本等国已成为一种产业，一些国家还在这方面开展了国际合作.我国“中国新能源和可再生能源发展纲要 （1996－2010年）”中提出要将＂发展高效的直接燃烧技术、致密固化成型技术、气化液化技术＂作为今后工作的一个主要方面来抓.坚持自主开发与引进消化吸收相结合的技术路线，积极开展对外交流与合作[3].稻草秸秆自身密度小，很不利于运输和储存，影响其深加工或二次开发利用[4].稻草秸秆压制后，具有很高的压缩比，极大地方便了生物质资源的运输和储存，同时改善了生物质燃料的燃烧性能，提高了生物质资源的利用效率.在国家调整农村能源结构中，推广和应用秸秆压缩制粒机，有着巨大的社会效应、经济效益和广阔的发展前景.

本文基于生物质压缩成型技术，对稻草秸秆成型机理及成型参数进行了实验研究，设计了一种平模制粒压缩机.制粒机压辊挤压平模上已粉碎的稻草秸秆，从模孔挤出的相对高密度稻草棒粒燃料，是一种可以替代原煤的新型环保燃料[5].该机械能有效地降低能耗、减少磨损，有着较高的生产率.

1 生物质压缩燃料成型原理及工艺

生物质压缩燃料，是以稻草秸秆、木屑、树皮等农林剩余物为原料，在高压加热条件下，压缩成颗粒状、棒状、块状等质地坚实的成型物，可作为工业锅炉、民用炉灶、家庭取暖炉以及农业暖房的燃料[5].

虽然不同的植物其组成成分不同，但纤维素、半纤维素和木素是植物体的主要成分，一般占植物体成分的2／3以上.木素属非晶体，在常温下木素主要部分不溶于任何有机溶剂，没有熔点但有软化点.当温度达70～110℃ 左右时，软化粘合力开始增加；在200～300℃时，软化程度加剧而达到液化，此时加以一定压力，可使其与纤维素紧密粘接，同时与邻近的秸秆颗粒互相交接.稻草秸秆植物细胞中含有纤维素、半纤维素和木质素（或称木素），自然密度小，通常为0.03～0.05.当达到一定的温度并加以适当压力，可不用任何粘接剂，经过一定形状的成型孔眼，形成具有固定形状的压缩成型棒粒燃料.

影响生物质压缩成型的主要因素有：原料种类、含水率、粒度、成型压力和压缩成型模具的形状尺寸及加热温度等.

通过调查，稻草秸秆压缩成型质量，关键因素是秸秆热成型工艺及成型设备.粗加工处理后的原材料，在高温状态、不添加任何黏合剂的情况下，通过机械挤压，使其由松散态变成密缩态，变成具有一定的形状、强度和密度的成型棒粒料.稻草秸秆成型工艺流程如图1.

图1 稻草秸秆成型工艺流程

2 稻草秸秆压缩机械

生物质热压成型技术发展到今天，市场上有着多种不同成型方式的制造设备，这些设备各有优点，但普遍存在着能耗较高，生产率较低的缺点.目前世界各地研制生产的成型燃料主要有两类.一类是压缩块 （Briquette），另一类是压缩粒，根据成型原理的不同，压缩成型机可分为以下三种类型：

（1）活塞压块机（Piston press），其产品是压缩块，如图2所示.

图2 活塞压块机压缩成型示意图

（2）螺旋压块机（Extruder pres），螺旋压块机又可分为不加热（如图3）和加热（如图4）两种.图4生物质中的木炭素受热塑化后具有粘性，使生物质原料热压成型.

图3 螺旋压块机压缩成型示意图

图4 电加热螺旋压块机

（3）模压造粒机（Matrix pellet pre）其产品是压缩粒.一种是平板模造粒机（Disk matrix peet press），如图5.平板模上有4～6个滚子随滚子轴作圆周运动.原料在滚子与模板间受挤压，多数原料被挤入模板孔中.切割刀将模板孔中挤出的压缩条，按需要长度切割成粒.另一种是环板模造粒机（Ring matrix pellet press），如图6.其结构较简单，工作时模板与滚子的磨损较少，故能耗量也较低.通过调研比较，本设计选用平板模制粒机.

2.1 平板压模的设计

制粒机械的设计主要有压模、压辊和毂套的设计和驱动电机的选择等几个部分.平板压模是稻草秸秆压缩成型的核心部分.它的性能直接影响秸秆能否压缩成型，成型的密度能否达到要求，影响到产品质量的好坏和生产成本的高低.平模压模示意图如图7.

图7 平板压模示意图

2.1.1 平板压模的材料选择

根据物料的腐蚀性和平模工作压强选择材料，平模的材料一般是碳钢、合金结构钢或不锈钢，对腐蚀性强的物料、模孔小的平模一般选用不锈钢，加工稻草秸秆选用碳钢材料.

2.1.2 平板压模的模孔结构和尺寸参数的确定

稻草秸秆原料在成型过程中，成型机结构、模孔结构以及成型工艺是相关的.根据稻草秸秆压缩成型原理和成型颗粒大小要求，确定模孔结构和尺寸如图8所示.模孔具有不同的进口直径，中央直径和出口直径，入口直径D和中央直径d的平方比，主要决定成型压力；入口角度a和L／D，因不同生物质原料而不同.进行试验时考虑入口角度α＝30°或α＝60°；中央直径Φ＝6mm或Φ＝10mm；模板厚度L＝60mm或L＝70mm.考虑减少摩擦和提高生产效率，确定模孔结构和尺寸如图8所示.

图8 模孔结构示意图

试验表明：成型机结构和模孔结构是影响原料成型的主要因素.成型工艺确定后，通过试验，来测定成型压力、温度、原料粒度和含水率的关系.

2.2 压辊和毂套的设计

经过锤片式粉碎机粉碎过的稻草秸秆从进料斗进入成型机，安装在主轴上的拨盘随主动轴的转动，将稻草秸秆均散在平板压模上，通过毂套带动压辊的不断旋转，对压模产生压挤，将稻草秸秆挤压成型.压辊的材料一般选用碳钢（或合金结构钢）.压辊设计成圆柱型的滚子，圆柱的中心镗空，用于和毂套的安装..毂套的伸出轴与毂套主体部分采用焊接结构，毂套有两个方面的作用：

（1）传动作用.通过键传动，带动安装在它上面的压辊转动；

（2）调整作用.通过调整其上方和下方的对顶螺母来控制压辊对压模的压力和相对距离，即压入模孔中稻草秸秆量的多少.

2.3 电动机的选择

电动机的选择包括容量的选择、电机种类的选择、电压的选择、转速和结构型式等的选择.经过估算比较，选择YCT225－4B型电磁调速异步电动机，参数选择过程（略）.

2.4 制粒机结构设计

制粒机是生产成型燃料的关键设备，它的性能优劣直接影响到产品质量的好坏和生产成本的高低，制粒机械的设计主要有压模的设计、压辊和毂套的设计和驱动电机的选择等几个部分.机械结构示意图如图9所示.

图9 制粒机结构示意图

3 制粒试验及结论

（1）制粒机使用调试：正确控制压辊与压模间隙.制粒过程中，压模与压辊的间隙极为重要，间隙过大，易造成物料在模辊间打滑，产量低，有时还会不出粒；间隙过小，模辊机械磨损严重，影响使用寿命.合适的模辊间隙应为0.05～0.3mm，即压模与压辊刚好接触.压辊与压模整好后，开车空转，检查主轴是否有轴向窜动，如果有轴向窜动，应调整主轴的轴向位置，直到无窜动为止.此外，压辊要转动灵活，止退垫圈要锁好，并要加足黄油，避免轴承温升过快缺油损坏.

（2）稻草秸秆压缩成型参数：颗粒压制成型过程中，压强达到50～100MPa，稻草含水率在10%～15%时就可以成粒.对已干稻草可在加工前8h左右调整含水量.

（3）模孔光整、堵塞处理.新压模有很多原因会造成模孔堵塞，制不出压缩颗粒.新压模出厂前进行光整加工，要达到最高产量还需用物料磨光.堵模浸入油内清理等.

传统制粒技术，制粒成本高，平模压缩制粒机关键和创新点在模孔设计，通过试验＂稻草秸秆压缩燃料制粒机＂机器磨损大大减小，能耗降低，总成本降低很多.

[1]石定寰.中国新能源和可再生能源发展纲要 （1996－2010年）“中国太阳能高级研讨会”上的报告[R].2009－08－05.

[2]蒋剑春.生物质热化学转化行为特性和工程化研究[D].中国林业科学研究院林产化学工业研究所博士学位论文，2003，（4）：17－48.

[3]刘圣友，陈开碇，等.国内外生物质成型燃料及燃烧设备研究与开发现状[J].可再生能源期刊，2002，（4）：14－16.

[3]蒋剑春，刘石彩，等.颗粒成型燃料制粒及应用[J].林业科技开发，2000，（1）：57－61.

[4]王艳云，吴 杰.粉碎棉杆含水率对压缩成型的影响[J].农机化研究，2005，9（5）：164－165.

[5]齐国利，徐艳英.生物质热解气化技术的现状，应用和前景[J].节能技术，2004，10（5）：17－19.