小型柱塞式生物質(zhì)成型機設(shè)計及試驗

陳碩千，許小鋒，張林超

（浙江農(nóng)林大學(xué)光機電工程學(xué)院，浙江 杭州 311300）

0 引言

當(dāng)前，盡快實現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和已成為國際社會的共識，約130 多個國家將在本世紀(jì)中葉達(dá)成碳中和的目標(biāo)。我國是一個能源消費偏煤，能源利用效率偏低，石油天然氣供給風(fēng)險偏高的發(fā)展中國家。我國碳中和目標(biāo)的提出，深入貫徹了“綠水青山就是金山銀山”的理念，通過對經(jīng)濟結(jié)構(gòu)進行適當(dāng)調(diào)整，促進低碳綠色經(jīng)濟發(fā)展的轉(zhuǎn)型[1]。生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源，它僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量的第4 位[2]。我國生物質(zhì)資源豐富，每年可利用的生物質(zhì)資源折合成標(biāo)準(zhǔn)煤可達(dá)6～7 億t，其中可能源化利用的標(biāo)準(zhǔn)煤為2.47 億t，此數(shù)據(jù)隨著未來生物質(zhì)能源的大規(guī)模開發(fā)還會進一步增加[3-4]。生物質(zhì)成型燃料燃燒熱效率最高可達(dá)89%。生物質(zhì)成型燃料NOx 的排放量僅為燃煤的1/5，SO2的排放量僅為燃煤的1/10，因此生物質(zhì)成型燃料是一種高效、清潔的燃料[5]。生物質(zhì)燃料的研究不僅有助于我國能源結(jié)構(gòu)從化石能源向非化石能源過渡，還能在一定程度上解決因廢棄原料的不正確處理而導(dǎo)致的環(huán)境污染問題[6]。

山核桃（學(xué)名：CaryacathayensisSarg.）是胡桃科山核桃屬植物，廣泛分布于中國浙江省和安徽省。其果仁味美可食，果殼可制活性炭。但其核桃蒲殼無法食用，除少數(shù)蒲殼就地還林做肥料外，大多數(shù)蒲殼會被農(nóng)戶隨意丟棄，倒入河道、溪流、溝渠、污水終端池等地方，對沿河流域的水土造成嚴(yán)重污染。有的農(nóng)戶將蒲殼燃燒，其產(chǎn)生的殼灰含堿，在一定程度上會對土地造成污染[7]。因此，研究將核桃蒲殼的再利用問題具有重要的現(xiàn)實意義。目前，核桃蒲殼大多被用做吸附劑材料[8-9]、栽培原料、磨料等，但仍處于發(fā)展階段，并未達(dá)到理想形態(tài)。本文以臨安山核桃蒲殼為研究對象，通過試驗，確定了核桃蒲殼為原料進行生物質(zhì)成型的最合適工藝參數(shù)，研究設(shè)計了一款生物質(zhì)成型機。

1 柱塞式成型機設(shè)計與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的柱塞式成型機由成型機構(gòu)、傳動機構(gòu)、動力機構(gòu)以及機架構(gòu)成，三維透視圖如圖1 所示。機架內(nèi)裝有設(shè)置物料槽的環(huán)模部件，其內(nèi)設(shè)有成型孔。物料槽內(nèi)設(shè)有柱塞式壓輥部件，其與環(huán)模部件嚙合傳動。在靠近柱塞式壓輥部件一端的機架上設(shè)有擋料部件，擋料部件包括刀片式擋板和伸縮裝置。伸縮裝置的伸縮桿伸入機架內(nèi)與擋板鉸接，壓縮物料時擋板會在環(huán)模部件外側(cè)壁上擋住成型孔，擋料部件可使壓輥和環(huán)模部件轉(zhuǎn)動多圈后讓物料在成型密度最高時從成型孔落出，這樣物料不易松散[10-11]。

圖1 柱塞式成型機三維透視圖

1.2 工作原理

柱塞式環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型機構(gòu)的成型原理如圖2 所示，成型機的成型部件分別是壓輥和環(huán)模。壓輥體附有均勻分布的柱塞，環(huán)模上加工一系列均勻分布的成型階梯孔。為了使生物質(zhì)原料能夠填充進?？字胁⑶也挥绊憠狠佒w的做功，環(huán)模體與壓輥嚙合處形成一定的角度，兩軸心連線與豎直方向的夾角為45°。壓輥和環(huán)模在惰輪的帶動下進行同向轉(zhuǎn)動，在一定的轉(zhuǎn)速比下，使壓輥上的柱塞體與環(huán)模上的成型孔能夠正確嚙合。為了保證壓輥柱塞和環(huán)模孔在旋轉(zhuǎn)過程中，兩者能夠順利地逐個進入嚙合和分離并且不會發(fā)生干涉接觸，在柱塞體頂端和環(huán)?？兹肟谔幖庸さ菇?，成型孔的模孔開口錐度為30°。環(huán)?？椎奈锪鲜窃谥亓铜h(huán)模旋轉(zhuǎn)離心力的共同作用下進行填充，成型顆粒由環(huán)模和壓輥柱塞的連續(xù)嚙合運動擠壓成型。模孔中的物料在不斷地旋轉(zhuǎn)中持續(xù)進料。安裝固定的刮料鏟刀，將堆積的物料刮進成型?？浊夜纬辰Y(jié)在環(huán)模上的物料，不會遮擋孔口使模孔進料困難；壓輥與環(huán)模的偏心傾斜安裝也會阻止物料在模具嚙合成型區(qū)發(fā)生堆積，保證壓輥體不會因為物料堆積過高與壓輥進行摩擦和擠壓。成型顆粒再經(jīng)過原料進入模孔、柱塞旋轉(zhuǎn)嚙合擠壓和持續(xù)旋轉(zhuǎn)壓縮保型的3 個狀態(tài)，生物質(zhì)物料就在壓縮、旋轉(zhuǎn)的作用下致密成型，當(dāng)成型顆粒擠出環(huán)?？椎竭_(dá)一定長度后，由外部切刀將其剪斷。

圖2 柱塞式環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型機構(gòu)的成型原理

1.3 傳動方案設(shè)計

柱塞式環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型機傳動方案如圖3所示，電動機經(jīng)過減速器減速后由聯(lián)軸器傳至環(huán)模主軸帶動環(huán)模旋轉(zhuǎn)，主軸齒輪帶動惰輪運動，再由惰輪進行換向后傳遞給壓輥軸齒輪，使環(huán)模和壓輥做同向嚙合。當(dāng)主軸驅(qū)動環(huán)模和主軸齒輪運動時，惰輪和壓輥齒輪同時被驅(qū)動，實現(xiàn)環(huán)模和壓輥旋轉(zhuǎn)嚙合。

圖3 柱塞式環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型機傳動方案

1.4 成型機關(guān)鍵成型模具設(shè)計

環(huán)模結(jié)構(gòu)如圖4 所示，表1 為環(huán)模結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸。因為設(shè)計轉(zhuǎn)速和生產(chǎn)率的要求，原料在壓縮的過程中，環(huán)模成型孔壁會產(chǎn)生很大的反作用力，容易導(dǎo)致模具變形，為此，材料選擇45 鋼并進行調(diào)質(zhì)處理，硬度要求為240HBS。

表1 環(huán)模結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸

圖4 環(huán)模結(jié)構(gòu)

1.4.2 壓輥結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓輥上的柱塞體與環(huán)模的嚙合運動，保證兩者正常工作，壓輥上柱塞體與環(huán)模孔的數(shù)量比值保持與環(huán)模和壓輥的轉(zhuǎn)速比一致[12]，根據(jù)表1 中的設(shè)計參數(shù)，傳動比為3，所以壓輥上每排柱塞體個數(shù)N1=90/3=30，排數(shù)與環(huán)模成型孔一致且與?？撞季忠粯?。表2 為壓輥結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。

表2 壓輥結(jié)構(gòu)參數(shù)及尺寸

壓輥柱塞結(jié)構(gòu)如圖5 所示，在原料壓縮過程中，壓輥體與柱塞體受到的沖擊壓力和摩擦力會很大，容易變形破壞，所以兩者選擇的加工材料均為45 鋼，并且調(diào)質(zhì)處理，要求硬度為240 HBS。柱塞體頂端加工有30°的倒角，避免與成型孔發(fā)生接觸干涉，能夠在成型嚙合區(qū)域順利運轉(zhuǎn)。在柱塞體安裝進壓輥體時，保證柱塞體不脫落，安裝公差取基孔制過盈配合。為了物料不與壓輥曲面進行摩擦，設(shè)計壓輥外曲面和環(huán)模內(nèi)曲面之間的間隙為8 mm，保證壓縮工作只有柱塞體進行。

圖5 柱塞壓輥結(jié)構(gòu)

2 工藝參數(shù)的確定

在制作生物質(zhì)燃料時，工藝參數(shù)的確定非常重要。生物質(zhì)特性及其性質(zhì)復(fù)雜多樣，并且生物質(zhì)來源和種類也非常廣泛，明確不同的工藝參數(shù)可以顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量，提升生產(chǎn)和能源利用效率。生物質(zhì)燃料的工藝參數(shù)包括成型溫度、原料含水率、模具長徑比等，其直接關(guān)系到生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物組成、產(chǎn)出率及產(chǎn)品質(zhì)量。

在生產(chǎn)生物質(zhì)燃料時，若未確定合適的工藝參數(shù)，則可能導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下、質(zhì)量不穩(wěn)定、利用率低，產(chǎn)生廢棄物等問題。因此，確定生物質(zhì)燃料的工藝參數(shù)非常重要。本文通過試驗和模擬等手段來確定最佳的工藝參數(shù)，采用控制變量法和轉(zhuǎn)換法，控制物料粒度、成型模具長徑比、成型溫度、原料含水率4 個單因素變量，將生物質(zhì)燃料產(chǎn)品質(zhì)量的好壞轉(zhuǎn)換成成型顆粒的松弛密度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，其具體試驗過程如下。

2.1 材料選取

收集山核桃加工廠的廢棄核桃蒲殼并將其通過粉碎機粉碎，用篩網(wǎng)篩選出原料粒度在3 mm和5 mm 的2 種物料，將物料粒度、成型模具長徑比、成型溫度、原料含水率分別作為變量探究對成型特性的影響[13]。在進行單因素試驗時，模具長徑比選為1.5∶1、3.0∶1、5.0∶1；成型溫度的梯度為80、90、100、110、120 ℃；原料含水率的梯度設(shè)置為12%、14%、16%、18%、20%。試驗所需主要設(shè)備為烘烤箱、粉碎機、電子秤（精度0.1 g）、游標(biāo)卡尺、噴壺、濕度測量計、篩網(wǎng)（3 mm 和5 mm 孔徑）以及生物質(zhì)顆粒成型模具。

生態(tài)經(jīng)濟首先是一個系統(tǒng)工程。有人把生態(tài)經(jīng)濟亦稱為循環(huán)經(jīng)濟，這就更加形象地說明了他是一個系統(tǒng)工程，其重要目的是達(dá)到資源的循環(huán)利用，這樣一方面可以達(dá)到低消耗高產(chǎn)出的要求，另一方面又可以達(dá)到低排放(甚至零排放)、低污染的要求。循環(huán)經(jīng)濟還需要運用一系列的清潔技術(shù)。經(jīng)濟發(fā)展嚴(yán)格遵循自然客觀規(guī)律。一方面要嚴(yán)格按自然生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)律辦事，不損害自然生態(tài)系統(tǒng)。另一方面又要求給予自然生態(tài)系統(tǒng)積極的回報，以不斷優(yōu)化自然生態(tài)系統(tǒng)。還要求盡量利用可再生能源，以更好地節(jié)約自然資源，減少污染。

2.2 試驗過程

將加熱片溫度調(diào)至80 ℃，將配好的物料放入模具加料室中，通過沖模對模具凹模進行加壓，每次加壓持續(xù)10 s，加壓1 次后取出凸模繼續(xù)加料，重復(fù)上述步驟直到松散物料固化成型為致密柱棒。分別控制物料粒度、成型模具長徑比、成型溫度、原料含水率4 個單因素變量，進行150 組試驗。H為模具的長徑比，由于模具孔徑為15 mm，由長徑比為1.5∶1、3.0∶1、5.0∶1 可知X的取值為22.5、45.0、75.0 mm。

2.3 生物質(zhì)燃料評價指標(biāo)

本試驗以生物質(zhì)成型顆粒的松弛密度作為評價指標(biāo)，記錄不同試驗因素下生物質(zhì)成型顆粒密度并得出最佳成型工藝及條件[14]。松弛密度即為所制成的生物質(zhì)燃料顆粒隨時間推移其外層物料逐漸脫落最終并趨于穩(wěn)定時的密度值。其計算依據(jù)是將燃料置于通風(fēng)干燥的環(huán)境中存放，經(jīng)10 天后測得燃料體積和質(zhì)量，其質(zhì)量與體積的比值即為原料的松弛密度[15]，如下式所示：

式中：

ρ——成型燃料松弛密度，g/cm3；

m——燃料稱取質(zhì)量，g；

V——燃料體積，cm3；

d——直徑，cm；

l——成型燃料長度，cm。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗結(jié)果

對不同成型工藝條件下所得成型燃料的松弛密度進行測定，試驗結(jié)果見表3。

表3 成型燃料松弛密度統(tǒng)計表 單位：g/cm3

3.2 結(jié)果分析

1）物料在含水率為16%、長徑比3.0∶1 的條件下成型溫度對顆粒成型特性的影響如圖6 所示。

圖6 溫度對顆粒成型特性影響

成型顆粒的密度隨溫度的升高而呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢。原料中富含的木質(zhì)素、纖維素等成分易受溫度影響，對原料加熱到110 ℃時木質(zhì)素會軟化，當(dāng)溫度升高到160 ℃時所含木質(zhì)素融化，軟化后木質(zhì)素將會富有一定的粘性從而促進粒子間結(jié)合，并且在分子內(nèi)部蛋白質(zhì)受熱變性后分子結(jié)構(gòu)被破壞，使其更易受分子引力的吸引從而形成致密的生物質(zhì)原料。

溫度過低時木質(zhì)素未軟化粘結(jié)度較低，并且物料與模具摩擦系數(shù)增加，阻力增大使成型壓力增加從而導(dǎo)致機器能耗增大甚至造成物料堵塞無法成型。

溫度過高時會導(dǎo)致破壞蛋白質(zhì)及其它分子結(jié)構(gòu)，使其失去粘接特性，過高的溫度也會使原料內(nèi)部水分快速蒸發(fā)，從而不能及時排除出現(xiàn)爆鳴聲造成燃料表面裂紋增加甚至無法成型。

2）物料在110 ℃、長徑比3.0∶1 的條件下含水率對顆粒成型特性的影響如圖7 所示。

圖7 含水率對顆粒成型特性影響

成型顆粒的密度隨含水率的升高而呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢。原料中所含水分在成型時傳導(dǎo)熱量和壓力并起粘接和潤滑作用從而增強分子內(nèi)部的粘接作用[16]，在擠壓成型的過程中水分在原料間流動，減少粒子摩擦力從而有助于粒子滑動和嵌合[17]。

含水率過少時成型模具與原料之間的摩擦阻力增大，增加了成型壓力提高了機器能耗，并且含水率低時粒子在成型過程中得不到充分延展使其結(jié)合不夠緊密導(dǎo)致質(zhì)量下降。

含水率過多時由于摩擦或者模具溫度升高從而產(chǎn)生過量的水蒸氣，導(dǎo)致原料顆粒間距離增大從而影響熱量傳遞，降低顆粒間粘接力。過量的水蒸氣無法排出時可能會造成燃料表面粗糙產(chǎn)生裂紋甚至在機器內(nèi)部產(chǎn)生爆鳴聲[18]。

3）物料在110 ℃、含水率為16%條件下模具長徑比對成型顆粒成型特性的影響如圖8 所示。

圖8 模具長徑比對顆粒成型特性影響

從圖8 可以看出長徑比為3.0∶1 時成型顆粒密度最大，密度隨長徑比呈現(xiàn)先增高后減小的趨勢。一般來說成型模具長徑比增大，模具對生物質(zhì)原料所施阻力也增大，其致密成型所需壓力也逐漸增大。如果長徑比過大時會造成原料堵塞在模具內(nèi)無法擠出，如果長徑比過小時物料在模具內(nèi)的保壓時間不夠，會在被擠出模具時物料膨脹回彈，從而導(dǎo)致密度減小無法致密成型。

4）原料顆粒度對成型的影響。上述試驗可知，核桃物料取3 mm 左右的粒度較5 mm 的物料成型致密效果更好。一般情況下顆粒度較大的原料其壓縮困難致密效果不太理想[19]。顆粒度越小在其擠壓成型時變形和延伸率也逐漸增大，流變性和填充性則更好從而更易成型[20]，原料越大時成型所需的能耗也越高并且成型塊的質(zhì)量也會有降低[21]，因此在實際生產(chǎn)時要確定適宜的顆粒度大小。

4 結(jié)論

控制單一變量，在其他參數(shù)一定的情況下，以表面松弛密度作為評價標(biāo)準(zhǔn)，在物料粒度為3 mm、溫度為110 ℃、模具長徑比為3.0∶1、含水率為16%時，加工成型的核桃殼燃料粒度品質(zhì)最好，密度最高。試驗生成的生物質(zhì)顆粒燃料如圖9 所示。

圖9 生物質(zhì)顆粒燃料

本文設(shè)計了生物質(zhì)顆粒成型機，并通過試驗研究了將山核桃蒲殼制成生物質(zhì)燃料的最適工藝參數(shù)，為臨安山核桃蒲殼廢棄物的再利用提供了一種有效途徑，不僅可以提高農(nóng)林廢棄物的利用率，減少環(huán)境污染，還可為全國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。但試驗并未測定其制成后核桃蒲殼生物質(zhì)燃料的熱值以及燃燒效率，同時默認(rèn)文中核桃蒲殼原料都是褪去“青衣”外殼的干核桃，這是本文研究的不足之處。下一步將研究帶“青衣”皮以及“青衣”皮與干核桃殼混合制備的工藝及參數(shù)，并測量其燃燒熱值及效率。