0引言

　　中國是一個農業大國，每（měi）年生（shēng）物質能資源十分豐富。目前，生物質（zhì）在中國能源消費中約占25％，在（zài）農村占71％。這些生物質能源除用於工業和飼料外，大（dà）部分直接燃燒，多餘部分就地（dì）燒荒，不僅熱利用效率低，而且嚴重汙染環（huán）境。因此，研究生物質能（néng）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（duì）保護生態環境、促進農業可持續發展具有重要意義。

　　秸（jiē）稈的能源化利用對於新農村建設，改善農村生產生（shēng）活環境（jìng），全麵實現節能減排，提高農村生活質量，促（cù）進農民節收增（zēng）支等方麵（miàn）均具（jù）有重要意義。秸稈成型是農業廢棄物資源再利用的一個必（bì）要（yào）條件。

　　1生物（wù）質秸稈致密成型技術及其發展現狀

　　生物（wù）質致密（mì）成型技術是指具有一定粒度的農林廢棄（qì）物(鋸屑、稻殼、樹枝、秸稈等)幹燥（zào）後在一定的壓力作用下(加熱或不（bú）加熱（rè）)，可連續擠壓製成棒（bàng）狀、粒狀、塊狀等（děng）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（shuǐ）稻和花生等作物的秸稈，且（qiě）各種（zhǒng）秸稈產量大、範圍廣（guǎng）。秸稈經過成型後，成為高品位的能源產品加以利（lì）用，完全可以作為（wéi）燃料替（tì）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（chù）理成大難題，也是主要的汙染源。秸稈成型機的研究開發既可（kě）以減輕此致類物質直接（jiē）焚燒所造成的大氣汙染（rǎn），又為（wéi）企業降低了生產、生活成本，為秸稈利用、變廢為寶提供（gòng）了商業化、產業化的新途徑，且符合國家環保政策，可實現（xiàn）CO2、SO2盛排，減（jiǎn）少溫室效應，是保護生態環境的（de）有效（xiào）方法，環保效益（yì）明顯。在國際國內能源（yuán）13益緊張的情況下，生（shēng）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（xīn）出路。

　　1.1國外技術研發現狀

　　國（guó）外成型燃料的發（fā）展大體分為三個階段，20世紀30年代一50年代為研究、示範、交叉引進階段，研究的著眼點以代（dài）替化石能源（yuán）為目標；20世紀（jì）70年代—90年代為第二階段，各（gè）國普遍重視化石（shí）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（zhǎn）生物（wù）質固化成型燃料研究，到0年代，歐洲、美洲和（hé）亞洲（zhōu）的一些國家在生活領（lǐng）域中比較大量應用生物質固化成型燃料；20世紀90年代後期至今為第三階段，首先以丹麥為首（shǒu）開展了規模化利用的研（yán）究工作，丹麥著名的能源（yuán）投資公（gōng）司（sī）BWE率先研製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（shēng）產燃料超過300t，但生物質固化成型燃料以歐洲的一些（xiē）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（dá）到160kg／a，歐洲現（xiàn）有近百家生物質固化成（chéng）型燃料加工廠，農場以秸（jiē）稈為（wéi）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（qì）物（wù）為原料，年產量達到120×104t的成型燃料（liào）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（lín）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，並達到規模化（huà）和商品化（huà）；成型燃料的用（yòng）途已經由燒壁爐等生活（huó）用能為主轉向了生產應（yīng）用；設備製造比較規範（fàn），但能耗（hào）高，價格（gé）高。

　　1.2國內研發現（xiàn）狀

　　1.2.1研（yán）發現狀

　　中國從20世（shì）紀80年代起開始致力於生物質固（gù）化成型（xíng）燃料技術的研究，主要引進韓國、日本、中國台灣等成（chéng）套設備。隨後，荷蘭、比利時等（děng）國家的技術和設（shè）備也相繼引入中國，已成功研製出各種（zhǒng）類型的生物質固化（huà）成型燃料生產（chǎn）設備。

　　1.2.2各類型設備性能介紹

　　a)活塞衝壓式成型（xíng）機。該機由河南農業大學和中（zhōng）國農業機械化科學（xué）研究院研製（zhì），河南農業大學率先對衝壓式生物質固（gù）化成型設備進行了（le）應用（yòng）研究，所設計的往（wǎng）複式活塞雙向擠壓成型機具有（yǒu）創新性。生產試驗和（hé）分析結果表明：該成型機可顯著提（tí）高易損件的使用壽命，降低單位產品能耗，工作（zuò）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（míng）顯，生產以秸稈為主（zhǔ）的生物質原料（liào），推廣前景廣闊，但該類型設備所生產的燃料密（mì）度比較（jiào）小；

　　b)螺旋擠壓式（shì）成型機。中國林業科學研究院林產（chǎn）化學工業研究所率先開（kāi）始研製螺旋擠壓式棒狀燃料成型機，主要由加熱裝置、螺旋擠壓裝置和控製裝置組成，但這些設備存在一些（xiē）諸如成型筒及螺旋軸磨（mó）損嚴重（chóng）、壽命較短、電耗大等缺點；

　　c)環模擠壓成型。一種是采用內旋（xuán）式（shì）環模結構，擠壓成型；一（yī）種采用外旋式環模結構，擠壓成型，這兩種都是由飼料成型（xíng）設備改（gǎi）進而來。前者以北京盛昌綠（lǜ）能科（kē）技有限公司改進美國技術為代表，是目前歐（ōu）美國家的主流（liú）技（jì）術，設備采（cǎi）用（yòng）常溫成型（xíng），適用原料為秸稈、木屑等各種農林（lín）廢棄物（wù），產品（pǐn）為顆（kē）粒狀及方塊狀，環（huán）模工作壽命約（yuē）600h，根據配置其售價30×104元（yuán）／套一60×104元／套，在北京市大興區（qū）禮賢鎮建有年產20000t的示範（fàn）工廠；後者以國能惠遠公司為代表，常溫成型，主要適用（yòng）原料（liào）為木屑，過於幹（gàn）燥（zào）不易成型，成型後需要幹燥（zào）處理，有黏結（jié）劑易於成（chéng）型，產品為顆粒狀（zhuàng），生（shēng）產能力約300k～500kg／h，模具工作壽命約400h，售價約30×104元／套，河（hé）北石家莊萬通（tōng）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（xuán）式大盤采用軸承采用的是6188型，密封不能徹底解（jiě）決，因秸稈成型機的工作（zuò）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（shè）備采用（yòng）常溫成型，主要適用原料為木屑、玉米秸稈(須處理得很細（xì）)等，產品圓（yuán）柱狀，設備（bèi）生產能力50kg/h～300kg/h，平模工作壽（shòu）命（mìng）約（yuē）400h，售價5×104元（yuán）／套15×104元／套，在國內有不少應用，也存（cún）在密封、成（chéng）型率、能耗、產（chǎn）量（liàng）等（děng）問題。

　　總體來說（shuō），中國生物質固化成型燃料有如下特點：在全國範圍內，還處於研究示範試點階段，設備技（jì）術原理比較先進，成本低廉，適合中國國情；規模化和市（shì）場化較差；管理不規範，支持政（zhèng）策缺乏，推廣速度緩慢。

　　2生物（wù）質致密成型技術主要研究的內容

　　2.1致密成型技術

　　致（zhì）密成型（xíng）一般是輥壓成型，有水平軸式環模（mó）擠壓成型（xíng）、垂直軸式環模（mó）擠壓成型（xíng）和平麵輥壓成型。冷壓致密成型工藝常用（yòng）於含水量（liàng）較高的（de）原料，原料進入成型室後（hòu），在壓輥或壓模的轉動作用下，進入壓（yā）模與壓輥之間，然後擠（jǐ）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（yòng）於木材加（jiā）工廠的木（mù）屑和秸稈碎料，成型設備一般比較簡單，價格較低，但（dàn）由於死角（jiǎo）較（jiào）大，引起無用能耗大，成型（xíng）部（bù）件磨損較快。工作中易出現輥（gǔn）輪和成型孔堵塞現象，且由於燃（rán）料（liào）濕度較大，不（bú）含黏結劑，易（yì）吸濕變形，不利於長期保存（cún）、運輸和使用。

   　2.2生物（wù）質致（zhì）密成型技（jì）術的研究重點

　　對各類成型機進行比較（jiào），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（mù）所涉（shè）及的主（zhǔ）要是（shì）動（dòng）輥式平模式秸稈（gǎn）成型機，包括粉碎機、輸（shū）送設備、成型機、電控櫃等。成型（xíng）是整個過（guò）程的決定性步驟，故成型機的性（xìng）能決定了產品質量和生產成本，因物料（liào）種（zhǒng）類、含水率、回性程度等的差異（yì），造成成型技術的（de）複雜性和工藝（yì）的不確定（dìng）性。物料的壓縮是大（dà）盤和壓輪配合完成的，即（jí）大盤和壓輪必須在1mm一3mm的範圍（wéi）內才能在較快的擠出速度（dù）下獲（huò）得較大密度的成型（xíng）燃料。二者均是在較高溫度和壓力下（xià）工作的，壓輪和大盤與（yǔ）物料始終（zhōng）處於幹磨擦狀態，導致大（dà）盤和壓輪磨損非常快。當磨（mó）損（sǔn）到一定（dìng）程度時（shí），二（èr）者（zhě）失去尺寸（cùn）配合（hé），成型就無（wú）法進行。由於成型大盤和壓輪的工作環境極端惡劣，使得其使（shǐ）用壽（shòu）命一般在200h以下。

　　3項目研發過程中（zhōng）遇（yù）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（zhì）致密成型技術的推廣（guǎng）應（yīng）用的問題主要是大盤、壓輪磨損問題，二者（zhě）壓縮（suō）區域的磨損程度決定了大盤的（de）使用壽命。因此大盤和壓輪的使用壽（shòu）命成為生物（wù）質致密成型技術實用價值的決定性（xìng）因素。

　　3.2解決方案

　　下麵從（cóng）兩個方麵來分析磨（mó）損問題（tí），大盤是被固定在機座上，物料從靜（jìng）止的模孔中擠出，被切（qiē）斷後形成顆粒（lì）狀，這種大盤靜止的工作（zuò）方式有利於顆粒成型率（lǜ）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（de）高低。

　　加工不同的物料，應當配（pèi）備不同（tóng）厚度的大盤，大盤的開（kāi）孔麵積、模孔尺寸、模（mó）孔排布方式等要素都是決定壓（yā）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（mó）孔長徑比越小，產量越大，相對應壓塊密度就越小（xiǎo），質量也越差，相反長徑比過（guò）大，產量低、密度大，還容易出現堵機。與環模相比，平模的優勢在於結構簡潔、體積（jī）緊湊（còu）、能正（zhèng）反使用、成本低廉（lián）。

　　在壓輥方麵，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（jī）相比，其轉速甚至不到環模（mó）壓輥（gǔn）的一半（bàn），而較大的（de）直徑可以增大壓輥的攫取角（jiǎo），這使工作中的壓輥對物料有較強的攫（jué）取力（lì），並且降低了打滑的可（kě）能性，但是工作中的壓輥並非整體在做純滾動，從其軸向上看，壓輥的裏側與外側都會發生滑動，這種滑（huá）動作用是由平模機的工作原理決定的，並不因物料的改變而改變。滑動作用的存在固然在一（yī）定程度上加快了壓輥的磨損（sǔn），但是客觀上卻增強了壓塊（kuài）機的擠壓性能，使平模式壓塊機在加工含粗纖維較多（duō）的生物質原料方麵成為佼佼者。下麵將從運動分析和受力分析方（fāng）麵對壓輪（lún）磨損（sǔn）問題進行（háng）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（yā）輥上必定存在一條純（chún）滾動的圓（yuán）周線，在純滾動線圳勾側，壓輥發生（shēng）超前性滑動，稱之為滑轉滾動；在純滾動線外側，壓輥發生滯後性滑動，稱之為（wéi）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（bì）定沿切線方（fāng）向，但指向有待討論。當機器進入穩態時，壓輥處於平衡狀態，建立如圖所示的柱坐標（biāo）係，以磨輥軸心為（wéi）z軸，磨輥最外截麵圓心為z軸O點，以豎直方向半（bàn）徑為角坐標（biāo）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（zhī）和為零。

　　明確了壓輥的受（shòu）力情況，就可（kě）以分析物料受力，物料（liào）受力情況如圖（tú）2所示，在與平模（mó）接觸的平麵，物料受到水平方向上的摩擦力S和鉛直方向上（shàng）的支撐力T。 

　　從上述的壓輥運動情況和（hé）物（wù）料受力情況可以做出以下分析：產生滑轉滾（gǔn）動（dòng）和滑移滾動時，與純滾動相比，相當於在豎（shù）直方向和水平方（fāng）向對作用力進行（háng）了重新分配。兩種滑動作用導致了摩（mó）擦力的產生，摩擦力F使壓輥（gǔn）和物料之間產（chǎn）生了兩種剪切作用。滑轉滾動區的（de）超前性滑動使（shǐ）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（dù）就越深，這種受損程度離大盤中心越明顯。試驗時從（cóng）出料口往裏觀察，發現大盤的中間幾（jǐ）圈（quān）模孔出料快，越是裏圈和外圈的模孔（kǒng），出料越慢。如果卸掉切刀觀察，中間幾圈的物（wù）料被擠出（chū）較短的長度就會斷裂、墜落（luò）。而裏圈和外圈（quān）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（yǐ）上才脫離模板。這是由於兩種剪切（qiē）作用的存在（zài），模板內側和外側的物料受（shòu）較大剪切力，物料粒子被充分揉切、撕裂進而充填、嵌合，所（suǒ）以越（yuè）是兩（liǎng）側，成型顆（kē）粒質地（dì）越密實，出料越緩慢。平模機之所以在加工粗纖維（wéi）含量較多的物料時具有優（yōu）越的性能，也正是因為這兩種較強的剪切作（zuò）用對（duì）物料進行了充（chōng）分的預處理。

　　滑移滾動和滑轉滾動的存在會導致（zhì）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（jié）構，能夠正反使用，這將有效降低易損件成本（běn）。

　　4項目創新點

　　對大盤的磨損問題，各研（yán）究和（hé）生產廠家采取了（le）很多辦法，但由於受工藝技術（shù）等製約，都沒有從根本（běn）上解決問題。經過多台成（chéng）型機的實際運行（háng）試驗結果（guǒ）表明，大盤和壓輪的磨損隻發現在一個導程範圍（wéi）內，解決這部分的磨損，整個的磨損問題也（yě）就解（jiě）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後，在大盤（pán）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（sǔn）區域焊接電鍍製作一層耐（nài）磨保護層。實（shí）際運行結果是這種大（dà）盤和壓輪使用壽（shòu）命在800h以（yǐ）上。在經過一段時間（jiān）運行後（hòu），達到一定磨損的程度(在沒（méi）有磨損致母體的前（qián）提下)可以重複製做此保護罩。大盤的模孔（kǒng）采用圓形孔，方便加工與維（wéi）修（xiū），使用成本低；大盤采用上模孑L與下模孔呈現對稱結構，如果上麵模孑L磨損較重可將大盤（pán）反轉，使用下麵模孔；也可將上模孔與下模孔的軸向高度設計為55mm、46mm、60mm等（děng）不同的尺寸，分別適用於各種類別不同的生物質材料，可進一步降低使用成本。另（lìng）外一種辦法是（shì）用模（mó）套方式解決磨損問題，模孔以模套形式工作，壓輪以（yǐ）輪套形式工作，既保證了磨損件的製造質量，也降（jiàng）低了零部件的使用成（chéng）本，提高了生產效率，模套加工（gōng）采用數控切削方法，解決了壓縮模（mó）量漸變的技術難題。

　　5結語

　　通過此項目的（de）研發，研究人員不僅積累了大（dà）量的寶貴（guì）實踐經驗，而且（qiě）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（mó）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麵有了很大改進，該技術已（yǐ）通山（shān）東省農機管（guǎn）理部門的鑒定，列人國家（jiā）農機推廣補貼目錄（lù）。隨（suí）著產品的製造工藝、自動化和水分精準化控製等技術的提高，生物質（zhì）致密成型（xíng）技術將更加成熟，將產（chǎn）生（shēng）更大的經濟效益（yì）和社會（huì）效益。