平模制粒机加工生物质燃料的工作特性分析

生物质能的利用技术主要有生物质热裂解气化技术、生物质热裂解液化技术、沼气技术、和生物质固化成型技术等。其中，固化成型技术生产的生物质燃料颗粒，可用于工业燃料、电厂发电和农村居民做饭取暖等领域，在瑞典等欧洲国家已得到广泛应用。据统计，2005年，世界生物质固体成型燃料的产量已突破420万吨。

我国对生物质固化成型技术的研究始于20世纪80年代，在生物质螺旋挤压成型、活塞压缩成型和制粒机挤压成型等方面都有所突破。平模制粒机加工生物质颗粒是固化成型技术的一种，近几年在生物质制粒产业的发展过程中，平模机以其坚固耐用、原料适应性强等优点逐渐取得生产者的青睐，本文将就平模制粒机加工生物质颗粒的工作原理，生物质原料的成型机理，平模机加工生物质颗粒的工艺以及特点等方面进行介绍和讨论。
   
平模制粒机的工作过程与颗粒成型机理 1.电动机 2.传动箱 3.主轴 4.喂料室5.压辊6.均料板 7.平模 8.切刀 9.扫料板 10.出料口图1 平模制粒机Figure 1 Flat die pellet mill 按执行部件的运动状态分，平模制粒机有动辊式、动模式、模辊双动式三种，后两种常见于小型平模制粒机，较大机型一般用动辊式。按磨辊的形状分，又可以分为锥辊式和直辊式两种。直辊动辊式平模制粒机工作原理如图1所示：电动机通过减速箱驱动主轴，主轴带动磨辊，磨辊绕主轴公转的同时也绕磨辊轴自转。加工颗粒时，生物质原料被送入平模机的喂料室，在分料器和刮板的共同作用下均匀地铺在平模上，主轴带动的压辊连续不断地滚过料层，将物料挤压进入模孔，物料在模孔中经历成型、保型等过程，一定时间后以圆柱状态被挤出，旋转的切刀将物料切断，形成颗粒，由扫料板将颗粒送出。生物质原料主要含有纤维素、半纤维素和木质素等物质，其平模机模辊间的成型机理如下供料区内的物料在重力作用下紧贴在平模上，当压辊向前滚动，物料进入变形压紧区，这时因受到挤压，原料粒子不断进入粒子间的空隙内，间隙中的空气被排出，粒子间的相互位置不断更新，粒子间所有较大的空隙逐渐都被能进入的粒子占据。

随着压辊继续滚动，被压实的原料进入挤压成型区，部分楔形区、模孔的锥孔部分和前半部分都属于挤压成型区，该区内，压力继续增加，粒子本身发生变形和塑性流动，在垂直于最大主应力的方向被延展，并继续充填周围较小的空隙，由于压辊和物料间的摩擦作用加剧而产生大量热量，导致原料中含有的木质素软化，粘合力增加，软化的木质素和生物质中固有的纤维素联合作用，使生物质逐渐成形，这时部分残余应力贮存于成型块内部，粒子结合牢固但不甚稳定。成型块在挤压作用下进入模孔的保型段，在该段不利于形状保持的残余应力被消除，颗粒被定型。工艺过程与试验 平模机加工生物质颗粒基本工艺过程如图3所示，生物质原料经过破碎和粉碎后进入干燥环节。水分合适的物料经混合调质后进入平模机制粒。从制粒机出来的颗粒经过冷却和筛分，得到成品，然后包装或者散装出厂。

生物质燃料制粒工艺Figure 3 the manufacturing processes of biomass fuel pellets 生物质制粒的基本工艺步骤大体类似，然而由于原料的物性不同、成型机的工作原理不同，具体的工艺过程还是有所区别，对平模机制粒的关键工艺步骤具体介绍如下：粉碎环节,平模机制粒时，原料粒径越小，粒子之间越容易互相充填、嵌合，因此制粒机的单位产量平均能耗就越小，平模和压辊等易损件的磨损速度也较慢，制成颗粒的抗渗水性和硬度等指标也越高，然而一味追求粒径的减小会使粉碎环节的能耗骤升，因此应当在满足平模制粒机加工要求的前提下，使粒径尽量大些。

事实上，能够压制大粒径的原料是平模机的优势之一，一般对作物秸秆等原料，其最大颗粒外形尺寸要求小于2×2×30mm，而对于木质原料，则要求更严格一些。干燥环节,干燥的主要目的是调节原料的含水率，使其稳定均一，适合制粒机加工，在制粒成型过程中，合适的水分一方面能够传递压辊的压力，另一方面能起到润滑剂的作用，辅助粒子互相填充，从而促进原料成型。但是含水率过大时，水分容易在颗粒之间形成隔离层，使得层间无法紧密结合，挤出的颗粒容易膨胀散开，不能成型，因此控制合适的原料含水率在加工过程中尤为重要。一般从自然界中收集的生物质原料含水率大部分分布在20-40%之间，高的能达到55%，平模制粒机加工生物质原料时，要求原料的水分在10-14%之间，当加工玉米秸秆一类含糖较多的原料时含水量可允许稍高。

常规的干燥工艺一般用带式干燥器、滚筒干燥器、厢式干燥器等设备进行，然而不得不承认这一环节会耗费掉可观的能量。笔者认为，如今太阳能干燥技术已较为成熟，完全可以用太阳能温室配备以翻抛设备对生物质原料进行除湿，一般生物质原料的干燥，要求温度水平较低，大约在40－70℃之间，这正好与太阳能利用领域中的低温利用相适应，与传统干燥工艺相比，可以大量节省常规能源，降低固定投资，经济效益显著。制粒环节，干燥好的物料进入制粒环节，可以不用调质处理，直接加工。有条件的生产厂家可选配自动控制系统和模辊自动调隙装置。自动控制系统根据主机电流的变化调节喂料电机的变频器，从而实时调节喂料量，这能有效的避免堵机现象的发生。
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