生物质压缩成型参数分析

王文明+丁广文+高英敏

摘要：压缩成型后的生物质既可以用作饲料，也可以用作燃料。本文介绍了生物质压缩成型的加工方法及其各加工方法的特点，论述了生物质压缩成型过程中主要影响参数对成型质量的影响作用，也指出了生物质压缩成型过程中存在的问题及解决方向。

关键词：生物质；压缩；参数分析

基金项目：河北省高等学校科学技术研究重点项目——生物质压缩成型参数分析及工程应用研究，项目编号：ZD2014095

中图分类号： S216 文献标识码： A DOI编号： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.06.061

中国生物质资源丰富，每年产生大批的农作物秸秆，主要有玉米秸秆、小麦秸秆、稻草、棉花秆和高粱秆[1]，除了丰富的草、灌木、水生植物资源外，每年还有大量的林业加工废弃物产生[2]。这些生物质资源为生物质综合利用提供了条件。生物质资源的特点是本身松散，不容易收集、储存和运输，也不容易直接利用，最有效的利用方法是对其进行压缩成型处理。压缩成型处理后的生物质体积可以大大减小而密度增大，将其压缩成捆状或块状，可以用作饲料使用，也可以当作燃料使用。

1 生物质压缩成型方法

生物质压缩成型有压捆处理和压块处理两种方式，是一种干储方法，压捆处理的物料密度相对较低，常用作饲料，物料经过切割晾晒后，使用方草捆压捆机或圆捆压捆机进行压缩处理。压块处理的物料密度较高，其既可以用作饲料，也可以用作燃料，物料经过切割晾晒后，利用各种类型的压块机压缩成型。无论是压捆机还是压块机，其作用原理都是物料在机械压缩力的作用下，让物料通过压缩室或通过模具型腔后压缩成型。

2 生物质压缩工作原理

物料在压缩室内压缩的作用原理图见图1。由曲轴带动活塞在一个矩形截面的导向槽内移动，松散的物料从开口处喂入。当材料与活塞接触并被向前推进时就被相对压缩，进入压缩室的材料达到所要求的密度时，物料克服相对于压缩室的静摩擦阻力，物料被推动向出口移动而被压出压缩室。

3 生物质压缩成型的影响参数

生物质压缩成型质量的影响参数较多，其成型机理也比较繁杂，国内外学者对压缩成型的影响参数进行过大量的试验研究，对于各参数的最优选择并不一致，因为生物质的种类很多，压缩时采用的方法也不尽相同。影响压缩成型质量的主要参数包括以下几个方面。

3.1物料品种

不同品种的物料，其压缩时呈现的物料特点也不相同，物料的品种对压缩后能得到的压捆或压块的密度有影响，对压缩设备的生产效率及其能量消耗也会产生影响。

3.2物料含水率

物料含水率也是生物质压缩成型的主要影响参数，其和产品的密度和压缩过程中所需的压缩力有直接关系。如果物料的水分适宜则压缩成型后质量将会得到改善，物料含水率如果不在要求的范围之内则成型质量就得不到保证。有学者研究发现，在热压成型中，物料的水份含量过高会影响传热，使物料与模具之间的摩擦力增大；而含水量过低，会导致物料在压缩过程中物料之间的抗压强度加大，最终导致能量消耗增加。研究者研究还表明，当施加的压力一定时，随着物料含水量的增加，可以得到较大的物料压缩密度。当要求的物料压缩后的密度一定时，随着含水率的增加，压缩所需要的压力也在增加。目前国内外对于物料含水率最佳值的研究还存在不同意见，主要是因为物料在压缩时所用的压缩方法及压缩设备不相同造成的。

3.3物料的颗粒度

颗粒度越小的物料越容易被压缩。有关研究者在对同颗粒度的物料进行压缩试验，结果表明，颗粒度越小，压缩成型越容易，在小颗粒度条件下，这种倾向性表现得更加显著。物料的颗粒度对物料压缩时的生产效率也有较大影响，物料颗粒度越大，成型设备的能耗就越高，生产效率越低。物料的颗粒大小不均匀将导致成型制品质量的下降，使压缩成型制品的表面出现裂纹，使其密度和强度降低。

3.4压缩时的压力与模具型式

生物质压缩时，必须施加合适的压力才能得到合适密度的压缩块。研究者曾经在试验中研究模具直径与压缩所用的比能耗的关系，结果表明，随着模具直径的增大，当压缩成型物料的密度一定时，压缩所用的比能耗呈指数级下降[5]。有的研究者也用试验研究模具直径与压缩所用比能耗的关系，得出结论，随着模具直径的减小，物料与模具壁的摩擦力减小，从而引起比能耗也随之减小。国内压缩成型用的模具多为圆柱体模具，使用锥形模和矩形模进行压缩的相对较少。锥形模具的尺寸，如模具的锥度、长度和入口直径都是影响压缩质量的主要因素，因为其能引起物料压缩过程中摩擦力和压缩能的变化。学者研究发现，在用锥形模具压缩成型时，模具的锥度对压缩时物料的流动性有影响，模具锥角过大或过小都会影响压缩质量。

3.5加工温度

生物质在热压成型过程中，加工温度对成型质量会产生重要影响，其对物料块的质量和加工生产时的效率都有影响。研究者研究发现，热压成形时的加工温度必须适宜，如果加工溫度太高，会造成模具的耐磨性降低，直接影响模具的使用寿命，影响压缩成型质量。物料水分含量过高时，温度过高容易产生高压蒸汽，引起物料成型表面出现裂纹；如果加工温度过低，尤其当模具直径比较大时，热量传递不到被压缩物料的中心，就会影响最终的成型质量。有的研究者还发现，在其他压缩条件相同时，如果不是热压成型，则不同的加工温度不会影响加工质量的变化。

4结论

当前，国内外对生物质压缩成型理论已经有了研究的积累，但能耗高、生产率低、关键部件磨损严重的问题在压缩成型中仍比较突出，导致生物质压缩产品前期投入和加工成本大，这也是制约生物质压缩成型燃料、压块饲料等产品推广应用的主要瓶颈。因此，进一步研究影响生物质压缩成型质量的主要参数及各参数对压缩质量的影响规律，为获得高品质的生物质成型制品提供理论基础具有重要意义。

参考文献

[1]谢光辉，王晓玉，任兰天.中国作物秸秆资源评估研究现状[J].生物工程学报，2010，26（07）：855-863.

[2]刘祖军，张大红，米锋，等.生物质成型燃烧产业发展前景分析[J].林业经济，2010，（03）.

[3]Cz.卡那沃依斯基.收获机械[M].北京：中国农业机械出版社，1983.

[4]北京农业工程大学.农业机械学（下册）[M].北京：中国农业出版社，1999.

[5]卞兆娟，姚勇.秸秆压块成型的试验研究[J].江苏农机化，2011，（06）：30-32.