0引言

　　中國是一個農業大國，每年生物質能資源十分豐富。目前，生物質在中國能源消費中約占25％，在農村占71％。這些生物質能源除用于工業和飼料外，大部分直接燃燒，多余部分就地燒荒，不僅熱利用效率低，而且嚴重污染環境。因此，研究生物質能轉換技術，將豐富的農業廢棄物資源變廢為寶，轉換為優質大連生物質燃料，對保護生態環境、促進農業可持續發展具有重要意義。

　　秸稈的能源化利用對于新農村建設，改善農村生產生活環境，全面實現節能減排，提高農村生活質量，促進農民節收增支等方面均具有重要意義。秸稈成型是農業廢棄物資源再利用的一個必要條件。

　　1生物質秸稈致密成型技術及其發展現狀

　　生物質致密成型技術是指具有一定粒度的農林廢棄物(鋸屑、稻殼、樹枝、秸稈等)干燥后在一定的壓力作用下(加熱或不加熱)，可連續擠壓制成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料的加工工藝，壓縮成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料，方便貯存和運輸，提高生物質的可利用性和利用率。

　　山東省農作物秸稈主要包括玉米、小麥、水稻和花生等作物的秸稈，且各種秸稈產量大、范圍廣。秸稈經過成型后，成為高品位的能源產品加以利用，完全可以作為燃料替代煤。工業化生產過程中產生大量的蔗渣、中藥渣、糠醛渣、木漿泥等工業垃圾，這些垃圾的處理成大難題，也是主要的污染源。秸稈成型機的研究開發既可以減輕此致類物質直接焚燒所造成的大氣污染，又為企業降低了生產、生活成本，為秸稈利用、變廢為寶提供了商業化、產業化的新途徑，且符合國家環保政策，可實現CO2、SO2盛排，減少溫室效應，是保護生態環境的有效方法，環保效益明顯。在國際國內能源13益緊張的情況下，生物質致密成型技術為廢棄農作物秸稈和蔗渣、中藥渣等工業垃圾的利用帶來了新出路。

　　1.1國外技術研發現狀

　　國外成型燃料的發展大體分為三個階段，20世紀30年代一50年代為研究、示范、交叉引進階段，研究的著眼點以代替化石能源為目標；20世紀70年代—90年代為第二階段，各國普遍重視化石能源對環境的影響，對數量較大、可再生的生物質能源產生了興趣，開展生物質固化成型燃料研究，到0年代，歐洲、美洲和亞洲的一些國家在生活領域中比較大量應用生物質固化成型燃料；20世紀90年代后期至今為第三階段，首先以丹麥為首開展了規模化利用的研究工作，丹麥著名的能源投資公司BWE率先研制成功了第一座生物質固化成型燃料發電廠，目前，美國已經在25個州興建了樹皮成型燃料加工廠，每天生產燃料超過300t，但生物質固化成型燃料以歐洲的一些國家如丹麥、瑞典、奧地利發展最快。例如，瑞典人均生物質固化成型燃料消耗量達到160kg／a，歐洲現有近百家生物質固化成型燃料加工廠，農場以秸稈為原料，靠近城市的加工廠以木屑為原料，南非在2013年建成了14座以木柴加工廢棄物為原料，年產量達到120×104t的成型燃料加工廠。國外生物質固化成型燃料技術發展有如下特點：原料以木屑等林業廢棄物為主，一般不利用農作物秸稈；生產技術大部分已經成熟，并達到規模化和商品化；成型燃料的用途已經由燒壁爐等生活用能為主轉向了生產應用；設備制造比較規范，但能耗高，價格高。

　　1.2國內研發現狀

　　1.2.1研發現狀

　　中國從20世紀80年代起開始致力于生物質固化成型燃料技術的研究，主要引進韓國、日本、中國臺灣等成套設備。隨后，荷蘭、比利時等國家的技術和設備也相繼引入中國，已成功研制出各種類型的生物質固化成型燃料生產設備。

　　1.2.2各類型設備性能介紹

　　a)活塞沖壓式成型機。該機由河南農業大學和中國農業機械化科學研究院研制，河南農業大學率先對沖壓式生物質固化成型設備進行了應用研究，所設計的往復式活塞雙向擠壓成型機具有創新性。生產試驗和分析結果表明：該成型機可顯著提高易損件的使用壽命，降低單位產品能耗，工作平穩，成型可靠，成本低，投入回收期短，經濟效益和環保效益明顯，生產以秸稈為主的生物質原料，推廣前景廣闊，但該類型設備所生產的燃料密度比較小；

　　b)螺旋擠壓式成型機。中國林業科學研究院林產化學工業研究所率先開始研制螺旋擠壓式棒狀燃料成型機，主要由加熱裝置、螺旋擠壓裝置和控制裝置組成，但這些設備存在一些諸如成型筒及螺旋軸磨損嚴重、壽命較短、電耗大等缺點；

　　c)環模擠壓成型。一種是采用內旋式環模結構，擠壓成型；一種采用外旋式環模結構，擠壓成型，這兩種都是由飼料成型設備改進而來。前者以北京盛昌綠能科技有限公司改進美國技術為代表，是目前歐美國家的主流技術，設備采用常溫成型，適用原料為秸稈、木屑等各種農林廢棄物，產品為顆粒狀及方塊狀，環模工作壽命約600h，根據配置其售價30×104元／套一60×104元／套，在北京市大興區禮賢鎮建有年產20000t的示范工廠；后者以國能惠遠公司為代表，常溫成型，主要適用原料為木屑，過于干燥不易成型，成型后需要干燥處理，有黏結劑易于成型，產品為顆粒狀，生產能力約300k～500kg／h，模具工作壽命約400h，售價約30×104元／套，河北石家莊萬通機械廠生產的YIG-500型，外旋式結構，生產能力為500kg／h，售價在8×104元／套，主要適用原料以玉米秸稈為主，但外旋式大盤采用軸承采用的是6188型，密封不能徹底解決，因秸稈成型機的工作環境所致，故障不斷；

　　d)平模擠壓成型。由飼料成型設備改進而成，以濟南三農能源科技有限公司為代表。設備采用常溫成型，主要適用原料為木屑、玉米秸稈(須處理得很細)等，產品圓柱狀，設備生產能力50kg/h～300kg/h，平模工作壽命約400h，售價5×104元／套15×104元／套，在國內有不少應用，也存在密封、成型率、能耗、產量等問題。

　　總體來說，中國生物質固化成型燃料有如下特點：在全國范圍內，還處于研究示范試點階段，設備技術原理比較先進，成本低廉，適合中國國情；規模化和市場化較差；管理不規范，支持政策缺乏，推廣速度緩慢。

　　2生物質致密成型技術主要研究的內容

　　2.1致密成型技術

　　致密成型一般是輥壓成型，有水平軸式環模擠壓成型、垂直軸式環模擠壓成型和平面輥壓成型。冷壓致密成型工藝常用于含水量較高的原料，原料進入成型室后，在壓輥或壓模的轉動作用下，進入壓模與壓輥之間，然后擠入成型孔，從成型孔擠出的原料被擠壓成型，再用切刀切割成一定長度的顆粒狀或塊狀燃料。冷壓致密成型主要用于木材加工廠的木屑和秸稈碎料，成型設備一般比較簡單，價格較低，但由于死角較大，引起無用能耗大，成型部件磨損較快。工作中易出現輥輪和成型孔堵塞現象，且由于燃料濕度較大，不含黏結劑，易吸濕變形，不利于長期保存、運輸和使用。

   　2.2生物質致密成型技術的研究重點

　　對各類成型機進行比較，綜合其優、缺點進行深入分析，針對成型設備存在的各種問題做了大量研究試驗，本項目所涉及的主要是動輥式平模式秸稈成型機，包括粉碎機、輸送設備、成型機、電控柜等。成型是整個過程的決定性步驟，故成型機的性能決定了產品質量和生產成本，因物料種類、含水率、回性程度等的差異，造成成型技術的復雜性和工藝的不確定性。物料的壓縮是大盤和壓輪配合完成的，即大盤和壓輪必須在1mm一3mm的范圍內才能在較快的擠出速度下獲得較大密度的成型燃料。二者均是在較高溫度和壓力下工作的，壓輪和大盤與物料始終處于干磨擦狀態，導致大盤和壓輪磨損非常快。當磨損到一定程度時，二者失去尺寸配合，成型就無法進行。由于成型大盤和壓輪的工作環境極端惡劣，使得其使用壽命一般在200h以下。

　　3項目研發過程中遇到的主要問題和解決方案

　　3.1研發過程中遇到的主要問題

　　阻礙生物質致密成型技術的推廣應用的問題主要是大盤、壓輪磨損問題，二者壓縮區域的磨損程度決定了大盤的使用壽命。因此大盤和壓輪的使用壽命成為生物質致密成型技術實用價值的決定性因素。

　　3.2解決方案

　　下面從兩個方面來分析磨損問題，大盤是被固定在機座上，物料從靜止的模孔中擠出，被切斷后形成顆粒狀，這種大盤靜止的工作方式有利于顆粒成型率的提高，作為成型機的核心工作部件，大盤的結構參數是否合適直接決定了顆粒質量的優劣和產量的高低。

　　加工不同的物料，應當配備不同厚度的大盤，大盤的開孔面積、模孔尺寸、模孔排布方式等要素都是決定壓塊性能的重要因素，大盤是易損件，需要定期更換。

　　一般情況下模孔長徑比越小，產量越大，相對應壓塊密度就越小，質量也越差，相反長徑比過大，產量低、密度大，還容易出現堵機。與環模相比，平模的優勢在于結構簡潔、體積緊湊、能正反使用、成本低廉。

　　在壓輥方面，平模機壓輥的特點是轉速較低、直徑大，與某些型號的環模機相比，其轉速甚至不到環模壓輥的一半，而較大的直徑可以增大壓輥的攫取角，這使工作中的壓輥對物料有較強的攫取力，并且降低了打滑的可能性，但是工作中的壓輥并非整體在做純滾動，從其軸向上看，壓輥的里側與外側都會發生滑動，這種滑動作用是由平模機的工作原理決定的，并不因物料的改變而改變。滑動作用的存在固然在一定程度上加快了壓輥的磨損，但是客觀上卻增強了壓塊機的擠壓性能，使平模式壓塊機在加工含粗纖維較多的生物質原料方面成為佼佼者。下面將從運動分析和受力分析方面對壓輪磨損問題進行討論。

　　以圖1所示為順時針旋轉的壓輥，平模式顆粒機在工作時，壓輥上必定存在一條純滾動的圓周線，在純滾動線圳勾側，壓輥發生超前性滑動，稱之為滑轉滾動；在純滾動線外側，壓輥發生滯后性滑動，稱之為滑移滾動。 

　   在壓輥與物料接觸的任意點，其受力如圖1所示，因擠壓物料而受到物料施加給壓輥的反作用力Ⅳ，Ⅳ總是沿半徑指向圓心方向；壓輥與物料之間還可能存在摩擦力F，必定沿切線方向，但指向有待討論。當機器進入穩態時，壓輥處于平衡狀態，建立如圖所示的柱坐標系，以磨輥軸心為z軸，磨輥最外截面圓心為z軸O點，以豎直方向半徑為角坐標O點。因平模壓輥的自轉是從動的，不存在驅動力矩，故其自身力矩之和為零。

　　明確了壓輥的受力情況，就可以分析物料受力，物料受力情況如圖2所示，在與平模接觸的平面，物料受到水平方向上的摩擦力S和鉛直方向上的支撐力T。 

　　從上述的壓輥運動情況和物料受力情況可以做出以下分析：產生滑轉滾動和滑移滾動時，與純滾動相比，相當于在豎直方向和水平方向對作用力進行了重新分配。兩種滑動作用導致了摩擦力的產生，摩擦力F使壓輥和物料之間產生了兩種剪切作用。滑轉滾動區的超前性滑動使磨輥在豎直方向對物料產生了較強的剪切作用，這種剪切作用越靠近模板中心越明顯。摩擦力也就越大，壓輥的受損程度就越深，這種受損程度離大盤中心越明顯。試驗時從出料口往里觀察，發現大盤的中間幾圈模孔出料快，越是里圈和外圈的模孔，出料越慢。如果卸掉切刀觀察，中間幾圈的物料被擠出較短的長度就會斷裂、墜落。而里圈和外圈的模孔中擠出的物料不易自動斷裂和墜落，有許多甚至長至200mm以上才脫離模板。這是由于兩種剪切作用的存在，模板內側和外側的物料受較大剪切力，物料粒子被充分揉切、撕裂進而充填、嵌合，所以越是兩側，成型顆粒質地越密實，出料越緩慢。平模機之所以在加工粗纖維含量較多的物料時具有優越的性能，也正是因為這兩種較強的剪切作用對物料進行了充分的預處理。

　　滑移滾動和滑轉滾動的存在會導致壓輥、大盤的磨損程度增加，但在設計時可將平模設計成對稱結構，能夠正反使用，這將有效降低易損件成本。

　　4項目創新點

　　對大盤的磨損問題，各研究和生產廠家采取了很多辦法，但由于受工藝技術等制約，都沒有從根本上解決問題。經過多臺成型機的實際運行試驗結果表明，大盤和壓輪的磨損只發現在一個導程范圍內，解決這部分的磨損，整個的磨損問題也就解決了。設計了一種保護罩，在原來大盤和壓輪經過調質處理和熱處理后，在大盤和壓輪母體上選擇特殊耐磨材料(如D705焊接材料)、用特殊工藝，在其外層磨損區域焊接電鍍制作一層耐磨保護層。實際運行結果是這種大盤和壓輪使用壽命在800h以上。在經過一段時間運行后，達到一定磨損的程度(在沒有磨損致母體的前提下)可以重復制做此保護罩。大盤的模孔采用圓形孔，方便加工與維修，使用成本低；大盤采用上模孑L與下模孔呈現對稱結構，如果上面模孑L磨損較重可將大盤反轉，使用下面模孔；也可將上模孔與下模孔的軸向高度設計為55mm、46mm、60mm等不同的尺寸，分別適用于各種類別不同的生物質材料，可進一步降低使用成本。另外一種辦法是用模套方式解決磨損問題，模孔以模套形式工作，壓輪以輪套形式工作，既保證了磨損件的制造質量，也降低了零部件的使用成本，提高了生產效率，模套加工采用數控切削方法，解決了壓縮模量漸變的技術難題。

　　5結語

　　通過此項目的研發，研究人員不僅積累了大量的寶貴實踐經驗，而且取得了生物質致密成型過程中的耐磨、密封等多個新成果。項目通過試驗推廣應用，平模式秸稈成型機在降低能耗、提高生產效率、增加大盤壓輪磨損性、降低使用成本和減少故障率等方面有了很大改進，該技術已通山東省農機管理部門的鑒定，列人國家農機推廣補貼目錄。隨著產品的制造工藝、自動化和水分精準化控制等技術的提高，生物質致密成型技術將更加成熟，將產生更大的經濟效益和社會效益。