生物質(zhì)壓縮成型參數(shù)分析

王文明+丁廣文+高英敏

摘要：壓縮成型后的生物質(zhì)既可以用作飼料，也可以用作燃料。本文介紹了生物質(zhì)壓縮成型的加工方法及其各加工方法的特點，論述了生物質(zhì)壓縮成型過程中主要影響參數(shù)對成型質(zhì)量的影響作用，也指出了生物質(zhì)壓縮成型過程中存在的問題及解決方向。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；壓縮；參數(shù)分析

基金項目：河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究重點項目——生物質(zhì)壓縮成型參數(shù)分析及工程應(yīng)用研究，項目編號：ZD2014095

中圖分類號： S216 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.06.061

中國生物質(zhì)資源豐富，每年產(chǎn)生大批的農(nóng)作物秸稈，主要有玉米秸稈、小麥秸稈、稻草、棉花稈和高粱稈[1]，除了豐富的草、灌木、水生植物資源外，每年還有大量的林業(yè)加工廢棄物產(chǎn)生[2]。這些生物質(zhì)資源為生物質(zhì)綜合利用提供了條件。生物質(zhì)資源的特點是本身松散，不容易收集、儲存和運輸，也不容易直接利用，最有效的利用方法是對其進(jìn)行壓縮成型處理。壓縮成型處理后的生物質(zhì)體積可以大大減小而密度增大，將其壓縮成捆狀或塊狀，可以用作飼料使用，也可以當(dāng)作燃料使用。

1 生物質(zhì)壓縮成型方法

生物質(zhì)壓縮成型有壓捆處理和壓塊處理兩種方式，是一種干儲方法，壓捆處理的物料密度相對較低，常用作飼料，物料經(jīng)過切割晾曬后，使用方草捆壓捆機或圓捆壓捆機進(jìn)行壓縮處理。壓塊處理的物料密度較高，其既可以用作飼料，也可以用作燃料，物料經(jīng)過切割晾曬后，利用各種類型的壓塊機壓縮成型。無論是壓捆機還是壓塊機，其作用原理都是物料在機械壓縮力的作用下，讓物料通過壓縮室或通過模具型腔后壓縮成型。

2 生物質(zhì)壓縮工作原理

物料在壓縮室內(nèi)壓縮的作用原理圖見圖1。由曲軸帶動活塞在一個矩形截面的導(dǎo)向槽內(nèi)移動，松散的物料從開口處喂入。當(dāng)材料與活塞接觸并被向前推進(jìn)時就被相對壓縮，進(jìn)入壓縮室的材料達(dá)到所要求的密度時，物料克服相對于壓縮室的靜摩擦阻力，物料被推動向出口移動而被壓出壓縮室。

3 生物質(zhì)壓縮成型的影響參數(shù)

生物質(zhì)壓縮成型質(zhì)量的影響參數(shù)較多，其成型機理也比較繁雜，國內(nèi)外學(xué)者對壓縮成型的影響參數(shù)進(jìn)行過大量的試驗研究，對于各參數(shù)的最優(yōu)選擇并不一致，因為生物質(zhì)的種類很多，壓縮時采用的方法也不盡相同。影響壓縮成型質(zhì)量的主要參數(shù)包括以下幾個方面。

3.1物料品種

不同品種的物料，其壓縮時呈現(xiàn)的物料特點也不相同，物料的品種對壓縮后能得到的壓捆或壓塊的密度有影響，對壓縮設(shè)備的生產(chǎn)效率及其能量消耗也會產(chǎn)生影響。

3.2物料含水率

物料含水率也是生物質(zhì)壓縮成型的主要影響參數(shù)，其和產(chǎn)品的密度和壓縮過程中所需的壓縮力有直接關(guān)系。如果物料的水分適宜則壓縮成型后質(zhì)量將會得到改善，物料含水率如果不在要求的范圍之內(nèi)則成型質(zhì)量就得不到保證。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在熱壓成型中，物料的水份含量過高會影響傳熱，使物料與模具之間的摩擦力增大；而含水量過低，會導(dǎo)致物料在壓縮過程中物料之間的抗壓強度加大，最終導(dǎo)致能量消耗增加。研究者研究還表明，當(dāng)施加的壓力一定時，隨著物料含水量的增加，可以得到較大的物料壓縮密度。當(dāng)要求的物料壓縮后的密度一定時，隨著含水率的增加，壓縮所需要的壓力也在增加。目前國內(nèi)外對于物料含水率最佳值的研究還存在不同意見，主要是因為物料在壓縮時所用的壓縮方法及壓縮設(shè)備不相同造成的。

3.3物料的顆粒度

顆粒度越小的物料越容易被壓縮。有關(guān)研究者在對同顆粒度的物料進(jìn)行壓縮試驗，結(jié)果表明，顆粒度越小，壓縮成型越容易，在小顆粒度條件下，這種傾向性表現(xiàn)得更加顯著。物料的顆粒度對物料壓縮時的生產(chǎn)效率也有較大影響，物料顆粒度越大，成型設(shè)備的能耗就越高，生產(chǎn)效率越低。物料的顆粒大小不均勻?qū)?dǎo)致成型制品質(zhì)量的下降，使壓縮成型制品的表面出現(xiàn)裂紋，使其密度和強度降低。

3.4壓縮時的壓力與模具型式

生物質(zhì)壓縮時，必須施加合適的壓力才能得到合適密度的壓縮塊。研究者曾經(jīng)在試驗中研究模具直徑與壓縮所用的比能耗的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著模具直徑的增大，當(dāng)壓縮成型物料的密度一定時，壓縮所用的比能耗呈指數(shù)級下降[5]。有的研究者也用試驗研究模具直徑與壓縮所用比能耗的關(guān)系，得出結(jié)論，隨著模具直徑的減小，物料與模具壁的摩擦力減小，從而引起比能耗也隨之減小。國內(nèi)壓縮成型用的模具多為圓柱體模具，使用錐形模和矩形模進(jìn)行壓縮的相對較少。錐形模具的尺寸，如模具的錐度、長度和入口直徑都是影響壓縮質(zhì)量的主要因素，因為其能引起物料壓縮過程中摩擦力和壓縮能的變化。學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在用錐形模具壓縮成型時，模具的錐度對壓縮時物料的流動性有影響，模具錐角過大或過小都會影響壓縮質(zhì)量。

3.5加工溫度

生物質(zhì)在熱壓成型過程中，加工溫度對成型質(zhì)量會產(chǎn)生重要影響，其對物料塊的質(zhì)量和加工生產(chǎn)時的效率都有影響。研究者研究發(fā)現(xiàn)，熱壓成形時的加工溫度必須適宜，如果加工溫度太高，會造成模具的耐磨性降低，直接影響模具的使用壽命，影響壓縮成型質(zhì)量。物料水分含量過高時，溫度過高容易產(chǎn)生高壓蒸汽，引起物料成型表面出現(xiàn)裂紋；如果加工溫度過低，尤其當(dāng)模具直徑比較大時，熱量傳遞不到被壓縮物料的中心，就會影響最終的成型質(zhì)量。有的研究者還發(fā)現(xiàn)，在其他壓縮條件相同時，如果不是熱壓成型，則不同的加工溫度不會影響加工質(zhì)量的變化。

4結(jié)論

當(dāng)前，國內(nèi)外對生物質(zhì)壓縮成型理論已經(jīng)有了研究的積累，但能耗高、生產(chǎn)率低、關(guān)鍵部件磨損嚴(yán)重的問題在壓縮成型中仍比較突出，導(dǎo)致生物質(zhì)壓縮產(chǎn)品前期投入和加工成本大，這也是制約生物質(zhì)壓縮成型燃料、壓塊飼料等產(chǎn)品推廣應(yīng)用的主要瓶頸。因此，進(jìn)一步研究影響生物質(zhì)壓縮成型質(zhì)量的主要參數(shù)及各參數(shù)對壓縮質(zhì)量的影響規(guī)律，為獲得高品質(zhì)的生物質(zhì)成型制品提供理論基礎(chǔ)具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]謝光輝，王曉玉，任蘭天.中國作物秸稈資源評估研究現(xiàn)狀[J].生物工程學(xué)報，2010，26（07）：855-863.

[2]劉祖軍，張大紅，米鋒，等.生物質(zhì)成型燃燒產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景分析[J].林業(yè)經(jīng)濟，2010，（03）.

[3]Cz.卡那沃依斯基.收獲機械[M].北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1983.

[4]北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué).農(nóng)業(yè)機械學(xué)（下冊）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1999.

[5]卞兆娟，姚勇.秸稈壓塊成型的試驗研究[J].江蘇農(nóng)機化，2011，（06）：30-32.