摘要：該文介紹了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)壓塊成型設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了生物質(zhì)壓塊成型設(shè)備的主要類型及特點(diǎn)，分析國(guó)內(nèi)現(xiàn)有成型設(shè)備存在的問(wèn)題，并針對(duì)目前黑龍江省生物質(zhì)秸稈資源的特點(diǎn)及成型設(shè)備設(shè)備存在的主要問(wèn)題，提出了適用于黑龍江地區(qū)秸稈原料的生物質(zhì)秸稈壓塊成型設(shè)，我們河南省富通新能源科技有限公司生產(chǎn)銷售的秸稈壓塊機(jī)如下圖所示：
我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，有著豐富的農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源。作為我國(guó)主要糧食產(chǎn)區(qū)之一的黑龍江省，糧食產(chǎn)量在全國(guó)占有較大份額，尤其是玉米、水稻和大豆，產(chǎn)品量占全國(guó)1/3以上。伴隨著較大份額的糧食產(chǎn)量出現(xiàn)的是龐大的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量，根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2013年秸稈資源總量6521萬(wàn)噸、可收集利用秸稈資源總量5542萬(wàn)噸，其中玉米、水稻、大豆等3種主要農(nóng)作物秸稈占全省秸稈資源總量的95%，其中又以玉米秸稈為主。秸稈壓塊機(jī)壓制的玉米秸稈塊狀顆粒燃料如下所示；
秸稈顆粒機(jī)壓制的圓柱狀顆粒燃料如下所示：
近年來(lái)，隨著化石燃料的需求和使用量加大，出現(xiàn)了日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，生物質(zhì)能源以其數(shù)量巨大、可再生轉(zhuǎn)換、可運(yùn)輸儲(chǔ)存等特點(diǎn)，顯示出越來(lái)越重要的戰(zhàn)略地位。生物質(zhì)固體成型技術(shù)具有原料豐富，易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，已逐漸顯現(xiàn)優(yōu)勢(shì)。有效利用生物質(zhì)能源不僅可以實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，緩解能源緊張，而且有助于治理環(huán)境污染問(wèn)題。與其他地區(qū)秸稈相比，黑龍江地區(qū)秸稈具有高大粗壯、瓤多皮厚、表皮硬度高、含水率高，且秸稈收獲時(shí)節(jié)氣溫低等特點(diǎn)，引進(jìn)秸稈壓塊成型技術(shù)并不適用于黑龍江地區(qū)的秸稈原料。因此，本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外秸稈壓塊成型設(shè)備的介紹及綜合分析，闡述秸稈壓塊成型設(shè)備存在的問(wèn)題，并提出黑龍江地區(qū)成型設(shè)備的研究方向。
1、生物質(zhì)壓塊成型設(shè)備的發(fā)展歷程
1.1國(guó)外生物質(zhì)壓塊成型設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r
最早的成型設(shè)備是1880年由WilliamSmith發(fā)明的，該設(shè)備將加熱到66℃的鋸末和其他廢木材利用蒸汽錘加工成致密的成型塊。19世紀(jì)50年代，在日本市場(chǎng)開(kāi)始出現(xiàn)螺旋成型機(jī)，60年代初美國(guó)出現(xiàn)了螺旋式擠壓機(jī)，70年代初美國(guó)又開(kāi)發(fā)了滾筒式顆粒成型機(jī)，并開(kāi)始生產(chǎn)。
生物質(zhì)固化成型設(shè)備以歐洲的一些國(guó)家發(fā)展最快。例如，意大利的努普公司開(kāi)發(fā)出的一種聯(lián)合收割成型一體機(jī)，能夠在田間將秸稈收割、切碎、榨汁、烘干、成型，生產(chǎn)出固體成型燃料。德國(guó)若浮公司研制的RB-100型成型機(jī)可以對(duì)一些木屑、秸稈、刨花等材料進(jìn)行壓縮。在亞洲，日本對(duì)生物質(zhì)成型設(shè)備和引進(jìn)較為領(lǐng)先l81。20世紀(jì)50年代，日本開(kāi)始了機(jī)械活塞式生物質(zhì)成型設(shè)備的研究，主要用來(lái)處理木材廢棄物，1954年研制成功棒狀生物質(zhì)成型機(jī)，1983年日本從美國(guó)引進(jìn)顆粒成型設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展形成了日本壓縮成型工業(yè)體系，至1987年，已經(jīng)有172家顆粒成型工廠投入運(yùn)行。80年代開(kāi)始，泰國(guó)、菲律賓、印度等國(guó)家先后研制成了加粘結(jié)劑和不加粘結(jié)劑的生物質(zhì)固化成型設(shè)備。
1.2國(guó)內(nèi)生物質(zhì)壓塊成型設(shè)備發(fā)展?fàn)顩r
我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的，主要是從國(guó)外引進(jìn)成型技術(shù)和設(shè)備。但由于國(guó)情不同，國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備并不適合在我國(guó)推廣，因此一些學(xué)者和企業(yè)開(kāi)始研制適合我國(guó)國(guó)情的成型技術(shù)和設(shè)備。
湖南省某廠于1985年研制了第一臺(tái)ZT-63型生物質(zhì)壓縮成型機(jī)；江蘇省連云港東海糧食機(jī)械廠于1986年引進(jìn)了一臺(tái)OBM-88棒狀燃料成型機(jī)；1990年前后，陜西武功輕工機(jī)械廠河南鞏義包裝設(shè)備廠等單位先后研制和生產(chǎn)了幾種不同規(guī)格的生物質(zhì)成型機(jī)和碳化機(jī)組；1994年河南農(nóng)大，中國(guó)農(nóng)機(jī)能源動(dòng)力所分別研究出PB-I型、CYJ-35型機(jī)械沖壓式成型機(jī)。1997年到2006年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出HPB-I到HPB-V型液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)I15-181。
21世紀(jì)以來(lái)，生物質(zhì)固體成型技術(shù)得到較快的發(fā)展，成型設(shè)備的生產(chǎn)和應(yīng)用已經(jīng)初具規(guī)模。到2007年底，我國(guó)已有50余家生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)廠。
2、生物質(zhì)成型設(shè)備
2.1生物質(zhì)成型設(shè)備簡(jiǎn)介
現(xiàn)已研制開(kāi)發(fā)的生物質(zhì)成型設(shè)備按成型原理主要有螺旋擠壓式成型設(shè)備、活塞沖壓式成型設(shè)備和壓輥碾壓式成型設(shè)備三大類。
2.1.1螺旋擠壓式
螺旋擠壓式成型設(shè)備是最早研制生產(chǎn)的熱壓成型設(shè)備，其原理是利用螺桿輸送推進(jìn)和擠壓生物質(zhì)。原料依靠重力落入螺旋壓縮成型機(jī)械中，錐形螺桿旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，推動(dòng)原料進(jìn)入橫截面積漸漸變小的壓縮成型筒內(nèi)，原料在錐形螺桿和壓縮成型筒的作用下，內(nèi)壓應(yīng)力越來(lái)越大，在壓縮成型筒的頂端達(dá)到最大內(nèi)壓應(yīng)力而成型，再經(jīng)過(guò)一段應(yīng)力松弛段，被推出螺旋壓縮成型機(jī)械，成為成型物料。隨后又開(kāi)發(fā)了加熱螺旋壓縮技術(shù)，即在螺旋壓縮機(jī)壓縮成型筒外設(shè)置一加熱裝置，使生物質(zhì)中的木素受熱塑化后具有粘性，從而降低螺旋壓縮成型設(shè)備的功耗。這種成型設(shè)備具有運(yùn)行平穩(wěn)、生產(chǎn)連續(xù)、所產(chǎn)成型棒料表面有炭化層，更易燃燒。存在的問(wèn)題是成型部件磨損嚴(yán)重，使用壽命短，單位能耗高。
2.1.2活塞沖壓式
活塞沖壓式成型設(shè)備中原料的成型是依靠活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)推動(dòng)活塞裝置的不同，活塞壓縮成型技術(shù)又分為飛輪活塞壓縮和液壓活塞壓縮兩種。飛輪活塞壓縮依靠存儲(chǔ)于飛輪中的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能壓縮成型原料，但其設(shè)備龐大，震動(dòng)強(qiáng)烈且噪音劇烈，推廣和應(yīng)用都有一定困難。液壓活塞壓縮裝置則避免了飛輪活塞壓縮設(shè)備的上述缺點(diǎn)，但是由于生物質(zhì)壓縮成型時(shí)，物料表觀密度增加很多，因此液壓機(jī)械行程很大，導(dǎo)致液壓活塞壓縮裝置生產(chǎn)率低。
2.1.3壓輥碾壓式
目前使用的壓輥碾壓式成型設(shè)備主要有平模式和環(huán)模式成型設(shè)備兩種。
平模成型技術(shù)采用平模盤和與其相配合的圓柱形壓輥為主要工作部件。電動(dòng)機(jī)輸出軸經(jīng)過(guò)減速器減速后驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸帶動(dòng)壓輥公轉(zhuǎn)。同時(shí)，壓輥繞壓輥軸自轉(zhuǎn)，原料進(jìn)入成型室后鋪在平磨盤上，壓棍不斷自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，將平模上的物料不斷擠進(jìn)�？變�(nèi)，物料在模孔內(nèi)密度和溫度不斷升高，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間保壓定型后，被擠出平模形成顆粒。
環(huán)模成型技術(shù)采用的是環(huán)模和壓輥為主要工作部件。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由于摩擦力和離心的作用，環(huán)模上的物料帶動(dòng)壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)，物料進(jìn)入壓制室內(nèi)后，隨環(huán)模和壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)，二者相互擠壓，物料存放空間被不斷壓縮，隨著物料內(nèi)部壓力和密度不斷增大，達(dá)到一定密度的物料就被壓入�？字�，在模孔內(nèi)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間保壓定型，被擠出環(huán)模形成顆粒。
環(huán)模成型技術(shù)的特點(diǎn)是產(chǎn)量大，成型顆粒規(guī)格一致，密度較高；壓輥和環(huán)模磨損均衡，能較低易磨損品的消耗；維護(hù)簡(jiǎn)單，容易拆裝，但其電耗普遍偏高。而平模成型機(jī)的特點(diǎn)是耗能��；但是具有產(chǎn)量較低，壓力過(guò)小，顆粒成型質(zhì)量較差，壓輥和平模盤磨損不均衡，拆裝繁瑣，維修困難，不易于維護(hù)等缺點(diǎn)。2.2生物質(zhì)成型設(shè)備研究現(xiàn)狀
隨著對(duì)生物質(zhì)成型設(shè)備的不斷研究，目前我國(guó)研究機(jī)構(gòu)所研制的生物質(zhì)成型設(shè)備種類繁多，特點(diǎn)各不相同。
周葆設(shè)計(jì)研究設(shè)計(jì)了一種秸稈擠壓成型機(jī)機(jī)芯，其特點(diǎn)主要是(1)擠壓滾輪系統(tǒng)和擠出裝置嚙合配合被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。(2)擠壓錐為單層、上下兩層或多層排列。擠壓滾頭數(shù)為2-6頭中的任意一種。(3)通過(guò)在主軸為中心，在搖臂上方加裝多個(gè)有錐度的葉片，增加回轉(zhuǎn)周長(zhǎng)，減少秸稈原料纏繞在搖臂上，減輕搖臂重量，降低能耗。
鄧志勇提出了一種新型壓輥，該壓輥上設(shè)置有多排“錐臺(tái)”形擠料頭，使得壓輥在環(huán)模上作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，擠料頭能夠良好的與成型孔對(duì)位，避免打滑，施力效果明顯，使生物質(zhì)的體積進(jìn)一步縮小，密度進(jìn)一步提高。但這種類齒輪嚙合形式，在擠壓成型過(guò)程中會(huì)增加對(duì)“錐臺(tái)”的沖擊力，縮短使用壽命。
由江蘇某公司所研制的一種秸稈壓塊成型機(jī)，壓輥是半圓的齒輪形，環(huán)模盤將來(lái)對(duì)稱的模盤設(shè)計(jì)成三叉形狀磨盤且為分體式，由多個(gè)擠壓模塊組合而成，上壓板的內(nèi)腔為中空狀，在其底部連接有冷卻介質(zhì)進(jìn)料管和出料管并與兩個(gè)水箱連接，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)，來(lái)冷卻擠壓模內(nèi)的成型溫度。
周萬(wàn)平設(shè)計(jì)的一種稻殼燃料成型機(jī)，采用對(duì)輥式閉式壓縮成型方式，粉碎原料在進(jìn)入對(duì)輥進(jìn)行壓縮之前，進(jìn)行預(yù)壓，保證產(chǎn)品的成型質(zhì)量。該成型機(jī)對(duì)秸稈粉碎原料粒度要求較高，增加了生產(chǎn)成本，同時(shí)小粒度原料（接近粉塵）會(huì)造成生產(chǎn)環(huán)境惡劣。
農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院、江蘇大學(xué)等所設(shè)計(jì)的生物質(zhì)立式環(huán)模壓塊機(jī)，利用左右兩電機(jī)同時(shí)為主軸提供動(dòng)力，保證主軸動(dòng)力，防止壓塊機(jī)因動(dòng)力不足而停機(jī)。環(huán)模由環(huán)模壓盤、環(huán)模托盤和環(huán)模塊組成，且環(huán)模壓盤和環(huán)模托盤上均設(shè)有環(huán)形降溫水道，用于通過(guò)冷卻水，環(huán)模塊上表和下表面均設(shè)置有環(huán)形凹槽，用于放置熱電阻絲。兩相鄰環(huán)模塊形成梯形環(huán)�？�，且進(jìn)口的橫截面積大干出口的橫截面積。組合式環(huán)模結(jié)構(gòu)增加了成型機(jī)的零件數(shù)量，在加工安裝過(guò)程中會(huì)增加誤差，同時(shí)兩臺(tái)電機(jī)提供動(dòng)力，在保證同步性的問(wèn)題上增加了一定的難度。
3、存在的主要問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)
3.1存在的主要問(wèn)題
生物質(zhì)成型技術(shù)發(fā)展至今，已有多樣的成型設(shè)備問(wèn)世，但仍有很多問(wèn)題需要解決。
由于黑龍江地區(qū)秸稈具有高大粗壯、瓤多皮厚、表皮硬度高、含水率高，會(huì)加劇現(xiàn)有成型設(shè)備的磨損、增加設(shè)備能耗等問(wèn)題，缺少專門針對(duì)東北地區(qū)農(nóng)作物秸稈原料開(kāi)發(fā)的成型設(shè)備，而東北地區(qū)秸稈產(chǎn)量大，在發(fā)展農(nóng)作物秸稈利用進(jìn)程中，急需適合的生物質(zhì)成型設(shè)備。
中國(guó)在生物質(zhì)，尤其是在秸稈壓縮成型理論方面研究還不夠深入，沒(méi)有滿足生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的多方位需求。
目前成型設(shè)備能耗較高，制約著生物質(zhì)燃料的推廣和發(fā)展。
現(xiàn)有成型設(shè)備對(duì)秸稈進(jìn)行壓縮過(guò)程中，主要工作部件磨損嚴(yán)重，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性不高，盡管一些廠家和科研機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行了研究，一定程度上提高了成型部件的耐磨性，但成本較高且生產(chǎn)工藝復(fù)雜，所以磨損問(wèn)題仍是一個(gè)待解決的問(wèn)題。
3.2發(fā)展趨勢(shì)
轉(zhuǎn)變研究形式。目前生物質(zhì)壓塊成型機(jī)的研究主要停留在試驗(yàn)研究階段。研究過(guò)程中不能完全模擬生產(chǎn)過(guò)程，應(yīng)用生產(chǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差。隨著對(duì)生產(chǎn)要求的不斷增加，制作樣機(jī)模擬生產(chǎn)過(guò)程從而改進(jìn)成型機(jī)。
進(jìn)一步研究生物質(zhì)的成型機(jī)理和成型工藝。目前研究的主要熱點(diǎn)還是集中在碾壓式成型機(jī)，存在成型設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差、主要成型部件磨損嚴(yán)重等問(wèn)題。隨著生物質(zhì)成型設(shè)備研究的深入，組合式環(huán)模成型機(jī)、壓輥與環(huán)模將碾壓式改為嚙合式、閉式壓縮等成型方式引起了重視。
大力發(fā)展秸稈收集政策，同時(shí)發(fā)展便于在原料產(chǎn)地推廣使用的生物質(zhì)成型燃料加工設(shè)備，使生物質(zhì)成型燃料加工產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。用于加工生物質(zhì)成型燃料的原料主要是農(nóng)作物秸稈，這些原料具有密度小、收集和運(yùn)輸困難等特點(diǎn)。因此，在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的過(guò)程中，要與原料基地相結(jié)合，減少原料的運(yùn)輸成本。
4、結(jié)論
隨著對(duì)能源的需求越來(lái)越多，生物質(zhì)能源的使用將更加廣泛。生物質(zhì)秸稈壓塊成型設(shè)備已趨于成熟，但大多數(shù)的成型設(shè)備的適用性不高，而且我國(guó)生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)仍屬于小規(guī)模生產(chǎn)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)規(guī)�；a(chǎn)業(yè)。因此，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)及設(shè)備，研究適用于黑龍江地區(qū)秸稈原料的中小型低成本生物質(zhì)秸稈壓塊成型技術(shù)及設(shè)備。
國(guó)內(nèi)現(xiàn)有生物質(zhì)秸稈壓塊成型設(shè)備的成型原理基本相同，但生產(chǎn)的生物質(zhì)秸稈壓塊形狀各不相同、適合的場(chǎng)所和原料也不相同。同時(shí)，現(xiàn)有成型設(shè)備存在著磨損嚴(yán)重、能耗高、成本高等問(wèn)題，制約著生物質(zhì)秸稈壓塊產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，因此應(yīng)加緊對(duì)成型影響因素進(jìn)行研究，找出影響規(guī)律和最佳組合范圍，進(jìn)而確定主要零件的形狀、材料及熱處理工藝。盡快解決現(xiàn)有成型設(shè)備的問(wèn)題，研究制造出適合黑龍江地區(qū)秸稈原料的生物質(zhì)秸稈壓塊成型設(shè)備，使生物質(zhì)秸稈壓塊成型設(shè)備能耗低、穩(wěn)定性高、以保證設(shè)備連續(xù)作業(yè)，從而使生物質(zhì)秸稈壓塊產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
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