關(guān)鍵詞：檸條；成型加工；顆粒飼料；成型顆粒燃料；影響因素
0、引言檸條，學(xué)名Caragana korshinskiliKom，別名又叫檸條錦雞兒，屬于多年生灌木。其廣泛分布于陜西、山西、內(nèi)蒙古、河北、東北沙區(qū)和溫暖干旱地帶。不僅可以防風(fēng)固沙，保持水土、美化環(huán)境，而且還能提供飼料、燃料等加工利用資源，生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益顯著。
檸條的枝、葉、花、莢果、種子都富含家畜所需的粗蛋白質(zhì)、粗脂肪，比玉米秸稈的含量要高，消化率明顯要好，是干旱丘陵和沙漠地區(qū)牧草中的主要蛋白質(zhì)飼料來(lái)源之一。因而檸條是極好的畜牧飼料，將其加工成成型顆粒飼料對(duì)養(yǎng)殖牲畜業(yè)的生產(chǎn)有很大積極作用，且便于運(yùn)輸和貯存，解決了春、冬季節(jié)動(dòng)物牧草短缺的問(wèn)題，還能促進(jìn)實(shí)現(xiàn)牛、羊的圈養(yǎng)，減少放養(yǎng)，對(duì)我國(guó)退牧還林、減少沙漠化起到重要作用。
另外，檸條枝條表面具蠟質(zhì)層，易點(diǎn)燃、火力旺、發(fā)熱量大，是優(yōu)質(zhì)的生物能源。檸條中灰分含量較低（而灰分中主要成分是SO2），若將檸條制成生物能源燃燒將對(duì)環(huán)境污染危害急劇減少。檸條熱值可達(dá)到4376.1j/kg，相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)煤，是極好的生物質(zhì)能源，1.6kg的干檸條相當(dāng)于lkg標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)熱量。只要經(jīng)營(yíng)得法，檸條是“取之不盡用之不竭”的優(yōu)質(zhì)生物能源。
檸條每4~5年需要進(jìn)行1次平茬，檸條的發(fā)枝力和再生能力極強(qiáng)，平茬間隔期短，產(chǎn)量高。目前，沒(méi)有被充分利用，造成很大的資源浪費(fèi)。
綜上所述，檸條資源豐實(shí)，研究檸條成型加工在顆粒燃料和飼料方面的應(yīng)用，具有很好的應(yīng)用意義。因此，設(shè)計(jì)了一種既能生產(chǎn)檸條顆粒飼料又能生產(chǎn)顆粒燃料的小型成型加工機(jī)械�？紤]生產(chǎn)所需，檸條顆粒飼料和顆粒燃料的適用范圍和目的不同，要求它們的密度、硬度不同，需要研究影響顆粒飼料和顆粒燃料成型的因素（含水率、粒度等）和成型部件的設(shè)計(jì)要求。為此，本文對(duì)顆粒加工裝備設(shè)計(jì)參數(shù)選擇及其影響因素進(jìn)行了分析，為加工裝備的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1、檸條顆粒加工成型裝備型式選擇
目前，國(guó)內(nèi)外顆粒飼料和顆粒燃料的成型設(shè)備主要有螺旋擠壓成型、活塞壓縮成型和輥模碾壓成型3種，使用較多的是輥模碾壓式。輥模擠壓式又分為環(huán)模式和平模式。生物質(zhì)顆粒燃料的輥模碾壓成型技術(shù)是在顆粒飼料生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，二者的主要區(qū)別在于纖維性物料含量的多少和成型密度的高低。
平模式顆粒成型機(jī)與環(huán)模式顆粒成型機(jī)相比：①平模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，使用維修方便，制造成本低廉，特別適用于壓制纖維性物料，但產(chǎn)量比環(huán)模機(jī)低。環(huán)模加工較復(fù)雜，制造成本高；平模兩面均可使用，使用壽命長(zhǎng)。②平模式成型機(jī)有利于提高產(chǎn)量。首先，平模式壓輥不受模徑的限制，可以取較大的直徑，有利于提高產(chǎn)量；其次，平模成型機(jī)壓粒室空間相對(duì)較大，可安裝較多壓輥，也可以提高產(chǎn)量；再次，平模式成型機(jī)壓粒室人料比較流暢，可采用厚度較大的壓輥，也有利于提高產(chǎn)量。③平模更適用于壓制粗料，加工粗料的電能消耗以及產(chǎn)量變化比環(huán)模小。綜合考慮各種因素且因檸條纖維素含量較高，對(duì)模具的磨損較嚴(yán)重，平模更換方便，而且平模兩面均可使用可以延長(zhǎng)平模的使用壽命，因此檸條顆粒成型機(jī)選擇平模式成型機(jī)比較適宜。
2、檸條顆粒飼料與燃料成型機(jī)理比較
檸條顆粒飼料和顆粒燃料的成型原理一樣。檸條中含有纖維素72.71%、半纖維素22.81%、木質(zhì)素19.72%。木質(zhì)素屬非晶體，在常溫下木質(zhì)素主要部分不溶于任何有機(jī)溶劑，沒(méi)有熔點(diǎn)但有軟化點(diǎn)。在平模顆粒成型機(jī)壓制室內(nèi)，物料在壓輥的作用下被擠入�？變�(nèi)，由于壓輥與物料的摩擦作用加劇而產(chǎn)生大量的熱，當(dāng)溫度達(dá)70～110℃左右時(shí)，木素軟化粘合力開(kāi)始增加：在200～300℃時(shí)，軟化程度加劇而達(dá)到液化，此時(shí)加以一定壓力，可使其與纖維素緊密粘接，同時(shí)與鄰近的秸稈顆�；ハ嘟唤�。由于生物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松、密度較小，當(dāng)受到外力后，原料將經(jīng)歷重新排列位置、機(jī)械變形、彈性變形、塑性變形階段。非彈性或粘彈性纖維素分子之間的相互纏繞和絞合，使體積縮小，密度增大，使生物質(zhì)逐漸成形，這時(shí)部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部。粒子結(jié)合牢固但不穩(wěn)定，成型塊在擠壓作用下進(jìn)入�？椎谋Ｐ碗A段，該階段不利于形狀保持的殘余應(yīng)力被消除，顆粒被定型。在模具的擠壓下，形成表面光滑、具有一定硬度和密度的顆粒狀飼料或燃料。
3、檸條顆粒成型的影響因素分析
3.1原料化學(xué)成分及添加劑的影響
檸條顆粒燃料的原料通常比較單一，一般不添加任何添加劑。而檸條顆粒飼料通常需要在原料中添加一些蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、糖類等輔助配料，其目的是增加顆粒飼料的營(yíng)養(yǎng)成分和適口性。同時(shí)，由于飼料的配方是影響成型的主要因素，各種添加劑對(duì)顆粒成型均有促進(jìn)作用。蛋白質(zhì)在成型過(guò)程中受力然后容易變性塑化，有利于顆粒的成型。脂肪是良好的潤(rùn)滑劑，有利于減少模具的磨損。纖維素的含量越高，說(shuō)明植物細(xì)胞機(jī)械組織越發(fā)達(dá)，顆粒成型時(shí)就需要更大的壓力。檸條纖維素含量高達(dá)72.71%，是玉米秸稈纖維素含量的2.6倍。由此可見(jiàn)，檸條顆粒的成型比秸稈成型需要更大的壓力，檸條顆粒成型比玉米秸稈成型要難很多，檸條顆粒的成型對(duì)磨具的要求更高一些。
3.2原料粒度的影響
物料的粒度可分為粗粒、中粒和細(xì)粒。通常，小于3mm的原料，密度較大且有較大表面吸收蒸汽，發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)。因此，中粒和細(xì)粒有較好的制粒能力，能夠提高顆粒的產(chǎn)量和質(zhì)量、降低能耗、延長(zhǎng)壓模的壽命，而粗粒則容易使得成型的顆粒開(kāi)裂。
檸條顆粒飼料的直徑一般為4～6mm，選用粉碎后物料介于2~2.5mm的中�；蛐∮�2mm的細(xì)粒。檸條顆粒燃料的直徑一般為8～10mm，選用粉碎后物料介于2～2.5mm的中�；虼笥�3mm的粗粒均可。
3.3含水率的影響
從原料水分方面看，水分含量對(duì)于顆粒的產(chǎn)量和質(zhì)量都有明顯的影響。這是因?yàn)樵趬褐七^(guò)程中，水分可在物料微粒表面形成水膜，使其容易通過(guò)�？�，延長(zhǎng)壓模的壽命。但是水分含量太多則容易使物料打滑，不易于顆粒的成型。原料水分過(guò)高時(shí)，加熱過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽不能順利地排出，結(jié)果造成檸條壓縮成型顆粒表面開(kāi)裂當(dāng)原料含水率太低時(shí)，壓縮成型很困難，這是因?yàn)檫m宜的水分對(duì)檸條木質(zhì)素的軟化、塑化具有促進(jìn)作用。顆粒飼料中的水分主要來(lái)源于原料本身和所添加的添加劑，為了保證檸條顆粒飼料的質(zhì)量，對(duì)含水率要求較嚴(yán)格，原料本身水分在12%~13%為宜，物料總水分為16%～18%為宜。而檸條顆粒燃料對(duì)含水率的要求較為寬泛一些，一般含水率要求15%～20%。
3.4加工裝備喂入量的影響
喂人量的影響主要是由于隨著物料壓縮密度的增加，物料與成型室壁的摩擦力在增加。而摩擦力又與物料與成型室壁的接觸面積有關(guān)，喂人量越多接觸面積越大，壓縮阻力就越大。因此，在加工時(shí)一定要控制好原料的喂人量。
3.5物料溫度的影響
溫度的影響是因?yàn)闄帡l等物料含有較高的木質(zhì)素，在一定溫度下木質(zhì)素會(huì)軟化，并在一定壓力下產(chǎn)生塑性變形，從而使物料變得易于壓縮。一方面溫度升高，水分蒸發(fā)加快，使含水率降低，影響到物料的可壓縮性：另一方面，溫度在物料之間的傳熱既包括輻射傳熱，又包括傳導(dǎo)和對(duì)流，提高溫度能加速水分的運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)對(duì)流換熱，加速物料軟化，使物料又變得較易壓縮。
檸條物料的可壓縮性隨著溫度的增加而增加，隨著喂人量的增加而下降，并且這種影響均隨壓縮密度的增加而更加明顯。因此，為獲得高密度產(chǎn)品，可適當(dāng)采取對(duì)物料加溫、提高物料含水率或減小喂人量等方式，以減小壓縮功耗，提高壓縮設(shè)備的工作性能。
3.6成型壓力的影響
一般成型壓力越大，物料的密度越大，硬度也就越高。檸條顆粒飼料的密度和硬度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于檸條顆粒燃料，但是顆粒燃料的密度也不能超過(guò)1.3g/cm3。因此，檸條顆粒飼料的成型壓力一般取4kN，而檸條顆粒燃料的成型壓力則要高達(dá)5～7kN。
3.7成型模盤(pán)參數(shù)的影響
平模是顆粒成型機(jī)的心臟，模輥間隙、模板厚度、�？字睆健⒛？子行С潭�、模孔的長(zhǎng)徑比、�？椎拇植诙�、�？椎呐帕芯鶆蚨取⒛湍バ院蛪耗５牟馁|(zhì)等，對(duì)檸條顆粒成型的密度和質(zhì)量有很大影響。同一設(shè)備要實(shí)現(xiàn)檸條顆粒飼料和顆粒燃料的成型，必須設(shè)計(jì)不同的模板。
1)模輥間隙一般控制在0.05～0.3mm之間。模輥間隙過(guò)大時(shí)，壓輥對(duì)檸條原料的擠壓力變小，使攫取物料的能力變小，壓輥無(wú)法將料壓進(jìn)模孔內(nèi)，使原料在成型室內(nèi)越積越多，最終導(dǎo)致堵模死機(jī)。間隙過(guò)小時(shí)，喂人原料量少、生產(chǎn)率低、摩擦力大，導(dǎo)致噸燃料能耗高。模輥間隙對(duì)顆粒飼料和顆粒燃料的影響差比不大。
2)平模模板越厚，壓制出的顆粒密度越高、粒度越硬。如果其他因素不變，加工檸條顆粒燃料的模板厚度要比顆粒飼料要厚。但是，一般不調(diào)整模板的厚度，而是通過(guò)改變�？子行чL(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同密度顆粒的成型。
3)排列在壓模上的�？字睆皆酱�，則顆粒硬度越小。�？字睆讲灰走^(guò)大或過(guò)小，在高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，孔徑過(guò)小則原料難擠入�？變�(nèi)，在成型孔被摩擦的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生熱量，原料水分蒸發(fā)較快，壓輥無(wú)法將原料順利壓出，導(dǎo)致�？锥氯瑖�(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生放炮、顆粒炭化甚至著火等現(xiàn)象。孔徑過(guò)大，在壓模厚度不改變情況下，成型率難以保證，且壓出的顆粒燃料易松散。一般檸條顆粒飼料的�？字睆綖�4～6mm，檸條顆粒燃料的直徑一般取8～10mm。
4)模孔的長(zhǎng)徑比為�？字睆脚c�？子行чL(zhǎng)度之比。�？椎拈L(zhǎng)徑比關(guān)系到成品的質(zhì)量，長(zhǎng)徑比越小即�？子行чL(zhǎng)度越長(zhǎng)，擠壓阻力越大，形成的顆粒密度也就越大，表面硬度相應(yīng)提高，但能耗大、產(chǎn)量小，容易堵機(jī)；反之則情況相反。當(dāng)物料被擠進(jìn)�？缀�，物料要發(fā)生彈塑性變形，在�？變�(nèi)分層擠壓成型，所以顆粒內(nèi)存在應(yīng)力。因此，物料在成形孔內(nèi)必須有一定的滯留時(shí)間以保證顆粒的成形率，一般其取值范圍在1：4～1：10之間。但對(duì)于檸條這種粗纖維物料，為保證順利出料以及成形率，長(zhǎng)徑比取得較小。檸條顆粒燃料的長(zhǎng)徑比一般取1:4～1:5，檸條顆粒飼料的長(zhǎng)徑比一般取1:5～1:8。
5)平模模板上的直徑確定以后，�？组g的間距越小，�？讛�(shù)量越大，越有利于提高生產(chǎn)率；但是模板和�？资艿降牧υ酱�，越容易損壞。因此，�？椎暮侠砭鶆蚍植家竽？组g距要合理安排，以便在提高生產(chǎn)率的同時(shí)延長(zhǎng)模板的壽命。
6)模板的耐磨性即模板選用的材質(zhì)及熱處理，不僅影響到模板本身的壽命，同時(shí)影響顆粒的質(zhì)量與產(chǎn)量。針對(duì)檸條這種特殊的生物質(zhì)，其物料對(duì)模板的磨損性要遠(yuǎn)大于秸稈等生物質(zhì)，因此需要選用更好的材質(zhì)才能到達(dá)模板的壽命要求。
4、結(jié)論
分析表明，可以選用平模式成型機(jī)實(shí)現(xiàn)檸條顆粒的成型。檸條顆粒飼料要求顆粒直徑4～6mm，密度為小于0.7g/cm3；選擇含水率介于16%～18%以及粒度小于2.5mm的物料，施加4KN的載荷于孔徑為4～6mm、長(zhǎng)徑比介于1：4～1：5的模盤(pán)上。檸條顆粒燃料要求顆粒直徑8~10mm，密度在0.8～1.2g/cm3之間：選擇含水率介于15%～20%及粒度介于于2～3mm的物料，施加5～7kN的載荷于孔徑為8～10mm、長(zhǎng)徑比介于1:5～1：8的模盤(pán)上。欲使成型機(jī)最終要實(shí)現(xiàn)兩種顆粒的成型，可以通過(guò)改變平模�？字睆揭约澳？组L(zhǎng)徑比等因素來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種不同顆粒的加工成型。因此，在后續(xù)顆粒成型設(shè)備的研制中，平模是實(shí)現(xiàn)顆粒飼料與顆粒燃料的核心部件。本研究對(duì)于通過(guò)更換不同模盤(pán)來(lái)加工檸條顆粒飼料或燃料的通用成型加工裝備的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。
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