0引言

　　中國是一個（gè）農（nóng）業大國，每年生物質能資源十（shí）分豐富。目前，生物質在中國能（néng）源消費中約占（zhàn）25％，在農村占71％。這些生物質能源除（chú）用於工業和飼料外，大部分直接燃燒，多餘部分就地燒（shāo）荒，不僅（jǐn）熱利用效率低（dī），而且嚴重汙染環境。因此，研（yán）究（jiū）生物質（zhì）能轉換（huàn）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（rán）料（liào），對保護生態環境、促進農業可持續發（fā）展具有（yǒu）重要意義。

　　秸稈的能（néng）源化利用對於新（xīn）農村建設，改善農村生（shēng）產（chǎn）生活環境，全麵（miàn）實現節能減排，提高農村生（shēng）活質量，促進農民節收增支等方麵均（jun1）具有（yǒu）重要意義。秸稈成型（xíng）是農業廢棄物資源再利（lì）用的一個必要條件。

　　1生物質秸稈致密成型技術及其發展現狀（zhuàng）

　　生物質致密成型（xíng）技術是指具有一定（dìng）粒度的農林廢棄物(鋸（jù）屑、稻殼、樹枝、秸稈等)幹燥後在（zài）一定的壓力作用下(加熱（rè）或不加熱)，可連續擠壓製成棒狀、粒狀、塊狀（zhuàng）等各種成型燃料的加工工藝（yì），壓縮成具有一定形狀、密度較大的固體成型（xíng）燃料，方（fāng）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、水稻和花生等作物的秸稈，且各種秸稈產量大、範圍廣。秸稈經過（guò）成型後（hòu），成為（wéi）高品位的能源產品加以利用，完全可以作為燃料替代煤。工業化生產過程中產生（shēng）大量的蔗渣（zhā）、中藥（yào）渣、糠（kāng）醛渣、木漿泥等工業垃圾，這些（xiē）垃圾的處理成大難題，也是（shì）主要的汙染源。秸（jiē）稈成型機的研究開發既（jì）可以減（jiǎn）輕此致類物質直接（jiē）焚燒所造成的大氣汙染，又為企（qǐ）業（yè）降低了生產、生活成本，為秸稈利用、變（biàn）廢（fèi）為寶提供了（le）商業化、產業化的新途徑，且符合國家（jiā）環保政（zhèng）策，可實現CO2、SO2盛排，減少溫室效應（yīng），是保護生態環境的有效方法，環保效益明（míng）顯。在國際國內能源13益緊張的情況（kuàng）下，生物質（zhì）致密成型技術為廢棄（qì）農作物秸稈（gǎn）和蔗渣、中藥（yào）渣等工業（yè）垃圾的利（lì）用帶來了新出（chū）路。

　　1.1國外技（jì）術研發（fā）現狀

　　國外成型燃料的發展大（dà）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（yán）究的著眼（yǎn）點以代替化石能源為目標；20世紀70年代—90年代為第二階（jiē）段，各國（guó）普遍重視化石能源對環境的影響，對數量較大、可再生（shēng）的生物質能源產生了興（xìng）趣，開展生物質固化成型燃料研究，到0年代，歐洲、美洲和亞洲的一些國家在生活領域中比（bǐ）較大量應用生物質固化成（chéng）型燃料；20世紀（jì）90年代（dài）後（hòu）期至今為第三階（jiē）段，首先（xiān）以（yǐ）丹麥為首開展了規模化利用的研究工作，丹麥（mài）著名的能源投資公司BWE率先研製成功了第一座生物質固化成型燃料發（fā）電廠，目前，美國已經在25個州興建了樹皮成型燃料加工廠，每天生產燃料超過300t，但生物質固化成（chéng）型燃料以歐洲的（de）一（yī）些國家如丹麥、瑞典、奧地（dì）利發（fā）展最（zuì）快。例如，瑞典人均生物質固化成型燃料消（xiāo）耗量達到160kg／a，歐（ōu）洲現有近百（bǎi）家生物質固化成型燃料加（jiā）工廠，農（nóng）場以秸稈為原料，靠近城市的加工廠以木屑為原料，南非在2013年建成了14座以木柴加工廢棄物為原料，年產量達到120×104t的成型（xíng）燃料加工廠。國外生物（wù）質固（gù）化成型燃料技術發展有（yǒu）如下特點：原料以木屑等林業廢棄物為主，一般不利用農作物秸稈；生產技術大部分已經成熟，並達到規模化和商品化（huà）；成型（xíng）燃（rán）料的用（yòng）途已經由燒壁爐等生活用能為主轉向了生產應用；設備製造比較（jiào）規範，但能耗高，價格高。

　　1.2國內研發現狀

　　1.2.1研發現狀

　　中國從20世紀80年代起開始致（zhì）力於生（shēng）物質固化成型燃料技術的研（yán）究，主要引進韓國、日本、中國（guó）台灣等成套設備。隨後，荷蘭、比利時等（děng）國家的技術和設備也相繼引入中國，已成功研製出各種類型的生物質固化（huà）成型（xíng）燃料生產設備。

　　1.2.2各類型設備性能介紹（shào）

　　a)活塞衝壓式成（chéng）型機。該機由河南農業大學和中國農業機械化科學研究院研製，河南農業大（dà）學率（lǜ）先對衝壓式生物質（zhì）固化成型設備進行（háng）了應用研究，所設（shè）計的往複式活塞雙向擠壓成型機具有創新性（xìng）。生產試驗（yàn）和分析結果表明：該成型機可顯著提高易損件的使用壽命，降低單位產品能耗，工作平穩（wěn），成（chéng）型（xíng）可靠，成本低，投入回（huí）收期短，經濟效益和環保效益明顯，生產以秸（jiē）稈為主的（de）生物質（zhì）原料，推廣（guǎng）前景廣闊，但該類型設備所生產的燃（rán）料密度（dù）比較小；

　　b)螺旋擠壓式成型機。中（zhōng）國林業科學研究院林產化學工業研究所率先開始研製（zhì）螺（luó）旋擠壓式棒狀燃料成型機，主要（yào）由加熱裝置、螺旋擠壓裝置和控（kòng）製裝置組成，但這些（xiē）設備存在一些諸如成型筒及螺旋軸磨損嚴重、壽命較短、電耗大等（děng）缺點；

　　c)環模（mó）擠壓（yā）成型。一種是（shì）采用內旋式環模結構，擠（jǐ）壓成型；一種采用外（wài）旋式環模結構，擠壓成型，這兩（liǎng）種都是由飼料成型設備（bèi）改進（jìn）而來。前者以北京盛昌綠能科技有限公司改進美（měi）國技術為代表，是目前歐美國家的主流技術，設備采用常溫成型，適用原料為秸稈、木屑等各種農林廢棄物，產品為顆粒（lì）狀及方塊狀，環模工作壽命約600h，根據配置其售價30×104元（yuán）／套一60×104元／套，在北京市（shì）大興區禮賢鎮建有（yǒu）年產20000t的示範工廠；後者以國能惠遠公司為代表，常溫（wēn）成型，主要適用原料為木屑，過於幹燥不易成型，成型後需要幹燥處理，有黏結劑易於（yú）成型，產品為顆粒狀，生產能力約300k～500kg／h，模具工作壽命約400h，售（shòu）價約30×104元／套（tào），河北石家莊萬通機械廠生產的YIG-500型（xíng），外旋式結（jié）構，生產能力為（wéi）500kg／h，售價在8×104元（yuán）／套，主要適用原料以玉米（mǐ）秸稈為主，但外旋式大盤采用軸承采用的是6188型，密封不能徹底解決，因秸稈成型機的工作環境所致，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（yuán）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（liào）為木屑、玉米秸稈(須處理得（dé）很細)等，產（chǎn）品圓柱狀，設備生產能力50kg/h～300kg/h，平模工（gōng）作壽命約（yuē）400h，售價5×104元／套15×104元／套，在國內有不少應用，也存在密封、成型率、能耗、產（chǎn）量等問題。

　　總體來說，中國（guó）生物質固化成型燃料有如（rú）下（xià）特點：在全國範圍內，還處於研究示範試點階段，設備（bèi）技術原理（lǐ）比較先進，成本低廉，適合中國國情；規模（mó）化和市場化較（jiào）差；管理不（bú）規範，支（zhī）持政策缺乏，推廣速度緩慢。

　　2生物質致密成型技術主要研究的內容

　　2.1致密成型技術

　　致密成型一（yī）般是輥壓成型，有水平軸式環（huán）模擠壓（yā）成型、垂（chuí）直軸式環模擠壓成型和平麵輥壓成型（xíng）。冷壓致密成型工藝常用於含水（shuǐ）量（liàng）較高的原料，原料進入成型（xíng）室後，在壓（yā）輥或壓模的轉動作用下，進入壓模與壓輥之間，然後擠入成型孔，從成（chéng）型孔擠（jǐ）出的原料被擠壓成型，再（zài）用切刀切割成一定長度的顆粒狀或塊狀燃料。冷壓（yā）致密成型主要用（yòng）於木材加工廠的木屑和秸稈碎料，成型設備一般比較簡單，價格較低，但由於死角較大，引起無用能耗大，成型部件磨損較快。工作中易出現輥輪和成型孔堵塞現象，且由於（yú）燃料濕度較大，不含黏結劑，易（yì）吸濕變形，不利於（yú）長期保存、運輸和使用。

   　2.2生（shēng）物質致密成型技術的研究重點

　　對各類成型機進行比較，綜合其優、缺點進行（háng）深入分析，針對成型設（shè）備存在的（de）各種問題做了大量研究（jiū）試（shì）驗，本項目所涉及的主要是動（dòng）輥式平模式秸稈成型機，包括粉碎機、輸送設備、成型機、電控櫃等。成型是整個過程的決定性步驟，故成型機的性能（néng）決定了產品質（zhì）量和生（shēng）產成（chéng）本，因物料種類、含水（shuǐ）率、回性程度等的差異，造成成型技術的複雜性和工藝的不確定性。物料的壓縮是大盤和壓輪配合（hé）完（wán）成（chéng）的，即（jí）大盤和壓輪必須（xū）在1mm一3mm的範圍內才能在較快的擠出速度下獲得較大密度的成型燃料。二者均是在較高溫（wēn）度和壓力下工作的，壓輪（lún）和大盤與物料始終處於幹磨擦狀態，導致大盤和壓輪磨損非常快。當磨損到一定程度時，二者失去尺寸配合，成型就無法進（jìn）行。由於（yú）成型大盤和壓輪的工作環境極端（duān）惡劣（liè），使得其使用壽命一般在200h以下。

　　3項目研發過程中遇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

　　阻礙生物質致密成型技（jì）術的推廣應用的問題主（zhǔ）要是大盤、壓輪磨（mó）損問題，二（èr）者壓縮區域的（de）磨損程度決定了大（dà）盤的使（shǐ）用壽命。因此大盤和壓輪的（de）使用（yòng）壽命成為生物質（zhì）致密成型技術實用價值的決定性因素。

　　3.2解決方案（àn）

　　下麵從兩個方麵來分析磨損問題，大（dà）盤（pán）是被固定在機座上（shàng），物料從（cóng）靜止的模孔中擠出，被切斷後形（xíng）成顆粒狀，這種大盤靜止（zhǐ）的工作方式有利於顆粒成型（xíng）率的提高，作為成型機的核心工作（zuò）部件，大盤的結（jié）構參數是否合（hé）適直（zhí）接決定了顆（kē）粒質（zhì）量的優劣和產（chǎn）量的高低。

　　加工不同的物料，應當配備不同厚度的大盤，大盤的開孔麵積、模孔尺寸、模孔排布方式等要素都（dōu）是決定壓塊性能的重要因素，大盤是易損件，需要定期更（gèng）換（huàn）。

　　一般情（qíng）況下模孔長徑（jìng）比越小，產量越大，相對應壓塊密度就越小，質量也越差，相反（fǎn）長徑比過大，產量低、密度大，還容易出現堵機（jī）。與環模相比，平模的優勢在於結構簡潔（jié）、體積緊（jǐn）湊、能正反使用、成本低廉（lián）。

　　在（zài）壓輥方（fāng）麵，平模機壓輥的特點是轉速較低、直（zhí）徑大，與某些型號的環模機相比，其轉速（sù）甚至不到（dào）環模壓輥的一半（bàn），而較大的直徑（jìng）可以增大壓輥的攫取角，這使工作中的壓輥（gǔn）對（duì）物料有較強的攫取力，並且降低了打滑的可能性，但是工作中的壓輥並非整體在做純滾動，從（cóng）其軸向（xiàng）上看（kàn），壓輥的裏側與外側都會發生（shēng）滑動，這種滑動作用是由平模機的（de）工作原理決定的，並不因物（wù）料的（de）改變而改變。滑動作用的存在固然（rán）在一定程度上加快了壓輥的（de）磨損，但是（shì）客觀上卻增強了壓塊機的擠壓性（xìng）能（néng），使平模式壓（yā）塊機在加工含粗纖維（wéi）較多的生物質（zhì）原料方麵成為佼佼者。下麵將從（cóng）運動分析和受力分析方麵對壓輪磨損（sǔn）問題進行討論。

　　以圖1所示為順時針旋轉的壓輥，平模式顆粒機在工作時，壓輥上（shàng）必定存在一條純滾動的圓周線，在（zài）純滾動線圳勾側，壓輥發生超前性滑（huá）動（dòng），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（yā）物料而受到物料施加給壓輥的反作用（yòng）力Ⅳ，Ⅳ總是沿半（bàn）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（yán）切線方向，但指向有（yǒu）待討論。當機器進入穩態時（shí），壓輥處（chù）於平衡狀態，建立如（rú）圖所示的柱坐（zuò）標（biāo）係，以磨輥軸心為z軸，磨輥最外截麵圓心（xīn）為z軸O點，以豎直方向半徑為角坐標O點。因平（píng）模壓輥的自轉是（shì）從（cóng）動的，不存在驅動力矩，故其自身力（lì）矩之和為零。

　　明確了壓輥的受（shòu）力（lì）情況，就（jiù）可以分析物料受力，物料受力情況如圖2所示，在與平模接觸的平麵，物料（liào）受到水平方（fāng）向上的摩擦力S和鉛直方（fāng）向上的支撐力T。 

　　從（cóng）上述的（de）壓輥運動情況和物料受力情況可以做出以下分析：產生滑轉滾動和滑移（yí）滾（gǔn）動時，與純（chún）滾動相比，相當於在豎直方向和水平方向對作用力進行了重新分配。兩種滑動作用導致了摩擦力的產生，摩擦（cā）力F使壓輥和物料之間產生（shēng）了兩種剪切作用。滑轉滾動區的超前（qián）性滑動使磨輥在豎直方向對物料產生了（le）較（jiào）強的剪切作用（yòng），這種剪切作用越靠近模板中心（xīn）越（yuè）明顯。摩擦（cā）力（lì）也就越大，壓（yā）輥的受損程度就越深，這種（zhǒng）受損程度（dù）離大盤中心越明顯。試驗時從（cóng）出料口往裏觀察，發現大盤的中間幾圈模孔出（chū）料快，越是裏圈和外圈（quān）的（de）模孔，出料越慢。如果卸掉切刀觀察，中間幾圈的物料被擠出（chū）較短的長度就會斷裂、墜落。而裏圈和外圈的模孔中擠出的物料不（bú）易自動斷裂和墜落（luò），有許（xǔ）多甚至長至200mm以上才脫離模板。這（zhè）是由於兩種剪切（qiē）作用的存在，模板內側和外側的物（wù）料受較大剪切力，物料粒子被充分揉切、撕裂進而充填（tián）、嵌合，所以越是兩側，成（chéng）型顆粒（lì）質地越密實，出（chū）料越緩慢。平模機之所以在（zài）加工粗纖（xiān）維含量較多的物料時具有優越的性（xìng）能，也正是因為（wéi）這兩種較強的剪切（qiē）作用對（duì）物料進行了充分的預處理。

　　滑（huá）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構（gòu），能夠正（zhèng）反使用，這將有效降低易損件成本。

　　4項目創新點

　　對大盤的磨損問題，各研究和（hé）生產廠家采取了（le）很多辦（bàn）法，但由於受（shòu）工藝技（jì）術等製約（yuē），都（dōu）沒有從根本上解決問題。經過多台成型機的實際運行試驗結果表明，大盤和壓輪的（de）磨損隻發現在一個導程範圍內，解決這部分（fèn）的（de）磨損（sǔn），整個的磨損問題也就解決了。設計了一種（zhǒng）保護罩，在原來大盤和壓輪經過調質處理和熱處理後，在大盤和壓輪母體上選（xuǎn）擇特殊耐（nài）磨材（cái）料（liào）(如D705焊接材料（liào）)、用特殊工藝，在其（qí）外層磨損（sǔn）區域焊接電鍍製（zhì）作一層耐磨保護層。實際運行結果是這種（zhǒng）大盤和壓輪（lún）使用壽命在800h以上。在經過一段時間運行後，達到一定磨損（sǔn）的程度(在沒有磨損致母體的（de）前提下)可以重複製做此保護罩。大盤的模孔采用（yòng）圓形孔，方便加工與維修，使用成本低；大盤采（cǎi）用上模孑（jié）L與下模孔呈現對稱結構，如果上麵模孑L磨損較重可將大盤反轉，使用下麵模孔（kǒng）；也可將上模孔與下模孔的軸（zhóu）向高度設計為55mm、46mm、60mm等不同的尺寸，分別適用於各種類別不同的（de）生物質材料，可進一步降低使用成本。另外一（yī）種辦（bàn）法（fǎ）是用模套方式解決磨損（sǔn）問題，模孔以模套形式工作，壓輪以輪套形式工作，既保（bǎo）證了磨損件（jiàn）的製造質量，也（yě）降低了零部件的使用（yòng）成本，提高了生產（chǎn）效率，模套加（jiā）工采用數控切削方法，解決了壓縮模量漸變（biàn）的（de）技術難題。

　　5結（jié）語

　　通過此項目的研發，研究人員不僅積累了大量的寶貴實踐（jiàn）經驗，而且取得了生物質致密成型過程中的耐磨、密（mì）封等多（duō）個新成果。項目通過試驗推廣（guǎng）應用，平模式秸稈成型（xíng）機在降低能耗、提高生產效率、增加大盤（pán）壓輪磨損性、降低使用成本和減少故障率等方麵有了很大（dà）改進，該（gāi）技術（shù）已通山東省農（nóng）機管理部門的鑒定，列人國家農機推廣（guǎng）補貼目錄。隨著產品的製造工（gōng）藝、自動化（huà）和水分精準化控製等技術的提（tí）高，生物質致密成（chéng）型技術將更加（jiā）成熟，將產生更大的經濟效益（yì）和社會效益。