農(nóng)作物秸稈是重要的資源，種類多，數(shù)量大，,可再生。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，人們對農(nóng)作物秸稈資源的認識越來越深，對農(nóng)作物秸稈的利用也日益重視，在如何科學有效地利用秸稈資源上已取得進展，但發(fā)展速度較慢，這不僅與人們對開發(fā)利用秸稈資源的認識程度有關(guān)，更重要的是與相關(guān)技術(shù)、設(shè)備的研究嚴重滯后有關(guān)。為解決生物質(zhì)的合理利用問題，歐美工業(yè)化國家如美國、荷蘭、瑞典、丹麥、德國等在生物質(zhì)壓縮成型方面作了大量的研究。20世紀80年代，我國也引進了螺旋擠壓式
秸稈壓塊機，許多學者對螺旋壓塊機的成型參數(shù)進行探討并對秸稈壓塊機進行了改進，但仍然存在螺旋桿端部在高溫、于摩擦下磨損嚴重（平均修復周期60—80 h）和單位產(chǎn)品能耗高達125kWh/t等突出問題。為開發(fā)和利用國內(nèi)以秸稈為主的生物質(zhì)能源，河南農(nóng)業(yè)大學于1994～1998年研制成功以液壓為驅(qū)動動力的雙出桿油缸往復活塞雙向擠壓式小型秸稈壓塊機（HPB-I型）。生產(chǎn)試驗表明：該壓塊機具有顯著提高易損件的使用壽命、成型可靠的優(yōu)點，但同時也有液壓油發(fā)熱快、生產(chǎn)率低等缺點。因此，只有對HPB-I型成型機進行大型優(yōu)化設(shè)計，并在保留HPB-I型成型機優(yōu)點的同時解決其運行過程中存在的問題，才能使液壓成型技術(shù)能真正進入推廣應(yīng)用階段和創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益。
1、HPB-Ⅱ型秸稈壓塊機的總體設(shè)計
1.1 HPB-I型秸稈壓塊機存在的問題
在長期生產(chǎn)、試驗中發(fā)現(xiàn)，HPB-I型生物質(zhì)壓塊機存在著很多需要改進的問題，這些問題包括：①HPB-I型壓塊機液壓系統(tǒng)的設(shè)計沒有考慮秸稈成型的特點。由于秸稈松散，在開始壓縮階段所需壓力較小，在成型階段所需壓力較大，定量泵的使用使電機在成型的前半周期內(nèi)負荷嚴重不足，在成型的后半周期內(nèi)使電機滿負荷甚至短時間超載運行，影響電機的使用壽命，也影響了整個設(shè)備的出力。②油溫過高。在運行過程中發(fā)現(xiàn)，壓塊機每運行2—3 h就會由于油溫過高引起油缸內(nèi)露而被迫停止工作。HPB-I型壓塊機用時間繼電器控制沖桿換向，成型周期較難控制。成型周期短，會造成沖桿運行不到前死點位置，使壓塊機不能正常工作；成型周期長，可以保證沖桿運行到前死點，但由于在前死點停留的時間段壓力最大，定量泵泵出的高壓油全部經(jīng)過溢流閥流回油箱，造成功率損失。雖然一個成型周期內(nèi)的時間很短，但由于液壓油的流量大和壓力高，因此該時間段造成的功率損失很大，這是引起油溫升高的主要原因。③生產(chǎn)率低。為了探索進料口與生產(chǎn)率及生產(chǎn)率和功耗之間的關(guān)系，作者根據(jù)HPB-I型生物質(zhì)壓塊機的實際情況，選取6個沖桿套內(nèi)徑水平(分別為51，56，61，66，71，83 mm)，對其成型部件進行了改造：選取經(jīng)自然干燥后含水率為12%～140/0．原料粒度為2～10mm的玉米秸稈作為試驗對象，成型密度為1.1t/m
3左右，試驗結(jié)果見圖1。
試驗表明，該壓塊機單位能耗高，其能耗和成型設(shè)計參數(shù)有關(guān)。由圖1可以看出，沖桿套內(nèi)徑的增大使生產(chǎn)率增加，單位能耗減少。因此，改進喂料設(shè)施，增大原料可喂入量是提高設(shè)備生產(chǎn)率、降低設(shè)備能耗的主要途徑。
1.2 HPB-Ⅱ型液壓壓塊機的設(shè)計
(1)液壓系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)HPB-1型秸稈壓塊機生產(chǎn)、試驗結(jié)果，總結(jié)了液壓成型的規(guī)律和特點，并根據(jù)這些規(guī)律和特點進行了HPB -Ⅱ型生物質(zhì)壓塊機的設(shè)計，在新設(shè)計的液壓系統(tǒng)中用變量泵代替了原來的定量泵，用行程開關(guān)代替了時間繼電器，為得到兩級預(yù)壓的目的，還相應(yīng)地增加了順序閥，液壓系統(tǒng)見圖2。
(2)成型部件的設(shè)計
由沖桿套內(nèi)徑對生產(chǎn)率和單位能耗的影響可知，沖桿套內(nèi)徑是影響壓塊機生產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。由于秸稈碎料的堆積密度很�。ㄖ挥�30～50 kg/m
3），并且秸稈在進料過程中的填充率也只有0.6左右，因此，單靠增大沖桿套內(nèi)徑來保證壓塊機的生產(chǎn)率是不現(xiàn)實的。取沖桿套內(nèi)徑D=160 mm，長度=250 mm．要使生產(chǎn)率達到500 kg/h，則進入沖桿套內(nèi)的秸稈量必須達到預(yù)壓量的9倍。為此，本機采用垂直和水平兩級預(yù)壓來輔助進料。
成型錐套的錐度和錐長是影響成型密度的關(guān)鍵因素之一。試驗結(jié)果表明：在成型錐套大、小端直徑確定的情況下，改變其錐度和錐長，成型密度將隨著錐度的減小和錐長的增加而增加：成型直徑不同時，成型錐套的大、小端直徑的差值相同時，成型直徑大的錐套的大、小端端面面積比減�。ㄒ姳�1），導致成型密度降低。因此，增加成型直徑的同時，應(yīng)增加成型錐套大、小端的端面面積比，才能保證成型密度達到設(shè)計要求。當成型直徑為55～130 mm時，成型錐套的大、小端的端面面積比應(yīng)在1.23～1.778為宜。HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機成型錐套選取的參數(shù)：大端直徑160 mm，成型直徑130 mm，錐長160 mm。
表1 成型錐套錐度、錐長與成型密度的關(guān)系
|
成型直徑/mm |
大端直徑/mm |
錐度° |
錐長mm |
密度g/cm3 |
|
55 |
61 |
8.53 |
20 |
1.0217 |
|
55 |
61 |
5.71 |
30 |
1.0539 |
|
55 |
61 |
4.50 |
40 |
1.0875 |
|
65 |
71 |
8.53 |
20 |
0.7256 |
|
65 |
71 |
4.00 |
50 |
0.7439 |
|
65 |
85 |
2.86 |
60 |
0.7679 |
|
75 |
85 |
11.31 |
25 |
0.8341 |
|
75 |
85 |
7.13 |
40 |
1.025 |
|
75 |
160 |
4.76 |
60 |
1.132 |
|
120 |
160 |
14.04 |
80 |
0.840 |
|
120 |
160 |
11.31 |
100 |
0.976 |
|
120 |
160 |
7.80 |
150 |
1. 107 |
|
120 |
160 |
5.44 |
210 |
1.207 |
|
130 |
160 |
8.53 |
100 |
0.951 |
|
130 |
160 |
6.58 |
130 |
1.087 |
|
130 |
160 |
5.36 |
160 |
1.172 |
(3)HPB-Ⅱ液壓秸稈壓塊機原理與結(jié)構(gòu)
HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機采用熱壓成型工藝，即將物料加熱到200℃左右，并施與一定的=壓力擠壓成型。圖3為HPB-Ⅱ型壓塊機結(jié)構(gòu)簡圖，它是由風力輸送裝置、成型部件、動力裝置、2級預(yù)壓裝置、儲料斗、電氣柜、主油缸、油箱、加熱裝置、防護罩等組成。
該機的突出特點是增加了2級預(yù)壓喂人機構(gòu)，液壓泵輸出壓力，通過電液閥、順序閥、行程開關(guān)控制，使雙出桿油缸帶動左右沖桿作往復運動。物料由風力輸送裝置送入儲料斗（旋風分離器）后進入下部的一級預(yù)壓室（垂直方向），物料在一級預(yù)壓油缸作用下預(yù)壓并被送至二級預(yù)壓室（水平方向）；在二級預(yù)壓油缸作用下，將經(jīng)過2次預(yù)壓的物料分別送至壓塊機兩端的沖桿套筒內(nèi)。主油缸兩端的沖桿開始擠壓沖桿套筒內(nèi)的生物質(zhì)，使原料顆粒重新排列位置，并在調(diào)定溫度的成型套內(nèi)發(fā)生機械變形和塑性流變。在垂直于最大應(yīng)力方向上，粒子主要以相互嚙合的形式結(jié)合：在垂直于最小應(yīng)力方向上，粒子主要以相互靠緊的形式結(jié)合，從而使生物質(zhì)的體積進一步減小，密度顯著增大。成型棒內(nèi)部咬合，外部焦化，具有一定的形狀和強度，并由兩端成型套簡中交替擠出，成為棒狀產(chǎn)品。
2、試驗結(jié)果分析
通過大型優(yōu)化設(shè)計．HPB-Ⅱ型秸稈液壓成型機生產(chǎn)率可達400～500 kg/h，產(chǎn)品能耗60～80kWh/t，達到了預(yù)定的設(shè)計指標，如表2所示。該裝置保留了HPB-1型生物質(zhì)壓塊機的優(yōu)點，顯著地提高了磨損件的使用壽命，其維修周期可達200—300 h．并在成型套筒內(nèi)安裝了可方便拆卸的耐磨鑄鐵套。與HPB-1型秸稈成型機相比HPB-Ⅱ型秸稈壓塊機還具有以下顯著特點。
表2 秸稈壓塊機試驗測試結(jié)果
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原料 |
生產(chǎn)率kg/h |
單位能耗kwh/t |
成型棒密度t/m3 |
成型周期s |
維修周期h |
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玉米秸稈 |
400～460 |
60～80 |
1.0～1.2 |
15～20 |
200～300 |
|
小麥秸稈 |
430～480 |
60～80 |
0.9～1.0 |
15～20 |
200～300 |
|
稻桿 |
440～500 |
60～80 |
0.9～1.0 |
15～20 |
200～250 |
①采用了變量泵和行程開關(guān)，使能量的利用更加合理，不僅顯著地降低了能耗，而且有效地控制了油溫。變量泵能隨出口壓力大小自動保持近似的恒功率，泵的實際使用功率
N=PQ/ (60n)
式中P為泵的實際使用壓力，MPa；
Q為泵的實際流量1/min；
N為泵的總效率，可近似地取0.85～0.9。
該泵的選取符合秸稈成型的特點，即預(yù)壓縮時，秸稈松散，所需壓力較小而流量大，使一次預(yù)壓和二次預(yù)壓過程分別在1s和2 s內(nèi)完成：在成型階段所需壓力較大時，其流量相對降低。整個過程不僅保證了成型壓力，而且使電機運行穩(wěn)定，同時由于其輸出功率與負載工作速度和負載大小相適應(yīng)，沒有節(jié)流調(diào)速那樣的溢流損失和節(jié)流損失．加之行程開關(guān)的使用使沖桿到達預(yù)定位置后迅速換向，所以系統(tǒng)工作效率高，發(fā)熱少，能耗低。
②該設(shè)備對原料粒度的要求大大放寬，玉米秸稈和稻草只需用鍘草機進行簡單切碎，長度小于30 mm的麥秸則不需要粉碎便可直接輸入成型機擠壓出成型燃料。這不但降低了粉碎秸稈的能耗，減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)和勞動力，還有效地提高了生產(chǎn)效率。
③生物質(zhì)熱壓成型的基本條件是要有合適的成型溫度，螺旋式成型還要求原料的含水率小于13%。采用活塞套筒往復機構(gòu)，原料的含水率在18%左右仍可正常成型，原料經(jīng)過簡單的晾曬即可達到該含水率，不需要烘干，降低了原料烘干的能耗；在成型過程中，如果加熱溫度過高或原料含水率超標，就會發(fā)生“放氣”或“放炮”現(xiàn)象。為保證裝置運行過程中的安全性，在成型部件前部加裝了防護安全罩。
④該設(shè)備充分利用液壓傳動易于控制的特點，增設(shè)了兩級預(yù)壓機構(gòu)，使生產(chǎn)率在很大程度上得到了提高。該設(shè)備采用風力自動上料機構(gòu)，不僅節(jié)約了人力，同時也改善了勞動者的勞動環(huán)境。
3、結(jié)論
①HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機改進了HPB-l型液壓秸稈壓塊機的的不足。其中變量泵和行程開關(guān)的應(yīng)用，適合秸稈成型的特點，使能量利用更為合理：液壓系統(tǒng)的發(fā)熱現(xiàn)象得到明顯的改觀，使液壓壓塊機比能耗大大降低，解決了螺旋式和機械沖壓式成型工藝存在的突出問題。
②HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機采用自動上料方式，節(jié)約了人力，提高了勞動生產(chǎn)率，也改善了勞動者的工作環(huán)境。
③HPB-Ⅱ型液壓秸稈壓塊機運行穩(wěn)定，生產(chǎn)率可達400～500 kg/h，產(chǎn)品能耗為60～80kWh/t，該設(shè)備目前正處于中試階段。該設(shè)備的推廣應(yīng)用，減少了農(nóng)民荒燒秸稈造成的污染，有效地利用了秸稈類生物質(zhì)，這對我國實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。
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