0引言

　　中國是一個農業大國（guó），每年（nián）生物質（zhì）能資源十分豐富。目前，生物質在中（zhōng）國能源消費中約占25％，在農村占71％。這些生物質能源除用於工業和飼料外，大部分直接燃燒，多餘部分就地燒（shāo）荒，不僅熱利用效率低，而且嚴重汙染環境。因此，研究生物質能轉換（huàn）技術，將豐富的農業廢棄物資源變廢（fèi）為寶，轉換為優質大連生物質燃料，對保護生態環境、促進農業可持（chí）續發展具有重要意義。

　　秸稈的能源化利（lì）用對於（yú）新農村建設，改（gǎi）善農村生產生活環境，全麵實（shí）現節能（néng）減排，提高農村生活（huó）質量，促（cù）進農民節收增支等方麵均具有重要意義。秸稈成型是農業廢棄物資源再利用的（de）一個（gè）必要條件。

　　1生物質秸稈致（zhì）密成型技術及其發展現狀

　　生（shēng）物質致密成型技術是指具（jù）有一定粒度的（de）農林廢棄物(鋸屑、稻殼、樹枝（zhī）、秸稈等（děng）)幹燥後（hòu）在一定的壓力作用下(加熱或不加熱)，可連續擠（jǐ）壓製成棒狀、粒狀、塊狀等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（zhì）的可利（lì）用性和利用率。

　　山東省農作物秸稈主要包括玉（yù）米（mǐ）、小麥、水稻和花生等作物的秸稈，且各種秸稈產量大、範圍廣。秸稈經過成型後，成為高品位的能源產品加以利用，完（wán）全可以作為（wéi）燃料替代煤。工業化（huà）生產過程中產（chǎn）生大量的蔗渣、中藥渣、糠醛（quán）渣、木漿泥等工業垃（lā）圾（jī），這些垃圾的處理成大難題，也是主要（yào）的汙（wū）染源。秸稈成型機的研究開發既可以（yǐ）減輕此致類物質（zhì）直接焚燒所造成的大氣汙染（rǎn），又為企業降低了生產、生活成本，為秸稈利用、變廢為寶提供了（le）商業化、產（chǎn）業化的新途徑，且（qiě）符合國家環保政策，可（kě）實現CO2、SO2盛排，減少溫室效應（yīng），是保護生態環境的（de）有（yǒu）效方法，環保效（xiào）益明顯。在國際國內能源13益緊張的情況下，生物質致密成型技（jì）術（shù）為廢棄農作物秸稈和蔗渣、中（zhōng）藥渣（zhā）等工業垃圾的利用帶來了新出路。

　　1.1國外（wài）技術研發現狀

　　國外成型（xíng）燃料的發展大體分為（wéi）三個階段（duàn），20世紀（jì）30年代一50年代為研究、示範、交叉引進階（jiē）段，研究的（de）著眼點以代替化石能源（yuán）為目（mù）標；20世紀70年代—90年（nián）代為第二階段，各國普遍重（chóng）視化石能源對環（huán）境的影響（xiǎng），對數量較大、可（kě）再生的生物質能源產（chǎn）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（jiā）在生活領（lǐng）域中比（bǐ）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，首先以丹麥為首開展了規模化利用的研究工作，丹麥著名的（de）能源投資公司BWE率先研製成功了第（dì）一座生物質固化成（chéng）型燃料發（fā）電（diàn）廠（chǎng），目前，美國已經在25個州興建了樹皮成型燃料加工廠，每天（tiān）生產燃料超過300t，但（dàn）生物質固化成型燃料以歐洲的一些（xiē）國（guó）家如丹麥、瑞典、奧地利發展最快。例如（rú），瑞典人均生物質固化成型燃料消（xiāo）耗量達（dá）到160kg／a，歐（ōu）洲現有近百家生物質固化成型燃料加工廠，農場（chǎng）以秸稈為原（yuán）料，靠近城市的加（jiā）工廠以木屑為原料，南非在2013年建成了14座以（yǐ）木柴加工廢棄物為原料（liào），年產量達到120×104t的成型燃料加（jiā）工（gōng）廠。國外生物質固化成型（xíng）燃料技術（shù）發（fā）展（zhǎn）有如下特點：原料以木屑等林業（yè）廢棄物（wù）為主，一般不（bú）利用（yòng）農作物秸稈；生產技術大部分已經成熟，並達（dá）到規模化和（hé）商品化；成型燃料的（de）用途已經由燒壁爐等生活用能為主轉（zhuǎn）向了生產（chǎn）應用；設備製造比較規範（fàn），但能耗高，價格高。

　　1.2國內研（yán）發（fā）現狀

　　1.2.1研發現狀

　　中國從20世紀80年代（dài）起開始致力於（yú）生物質固（gù）化成（chéng）型燃料技術的研究，主要引進韓國、日本、中國台灣等成套設備。隨後，荷蘭、比（bǐ）利時等國家的技術和設備也相繼引入（rù）中國，已成功研製出各種類型的生物質固（gù）化成型燃料（liào）生產設備（bèi）。

　　1.2.2各類型設備性能介紹

　　a)活塞衝壓（yā）式成型機。該機（jī）由河南農業大（dà）學和中國農業（yè）機械（xiè）化科學研究院研製，河南農業大學率先對衝壓式生（shēng）物質固化成型設備進行了應用研究，所設（shè）計的往複式活塞雙向擠壓成（chéng）型機具有創新性。生產試驗和分析結果表明：該成型機（jī）可顯著提高易損件的使用（yòng）壽命，降低單位產（chǎn）品能耗（hào），工作平穩，成型可靠，成（chéng）本低，投入回收期（qī）短，經濟效益和環保（bǎo）效益明顯，生（shēng）產以（yǐ）秸稈為主的生物質原料，推廣前景廣闊（kuò），但該（gāi）類型設備（bèi）所生產的燃料密度比較小；

　　b)螺旋擠壓式成型機。中國林業科學研究院林產化學工業研（yán）究所率先開始研製螺旋擠壓式棒（bàng）狀（zhuàng）燃料（liào）成型機，主要（yào）由加熱裝置、螺旋擠壓（yā）裝置和控製裝置組成，但（dàn）這（zhè）些設備存（cún）在一些諸如成型筒及螺旋軸磨損嚴重、壽命較短、電耗大等缺點（diǎn）；

　　c)環模擠壓成型（xíng）。一種是采用內旋式環模結構，擠壓（yā）成型；一種采用外旋式（shì）環模結構，擠（jǐ）壓成型，這兩種都（dōu）是由飼（sì）料成型（xíng）設備改進而來。前者以北京盛昌綠能科技有限公司改進美國技術為（wéi）代（dài）表（biǎo），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（nóng）林廢棄物，產（chǎn）品為顆粒狀及方塊狀，環模工作（zuò）壽命約600h，根據配置其（qí）售價30×104元／套（tào）一60×104元／套，在北京市大興區（qū）禮賢鎮建有年產20000t的示範工（gōng）廠（chǎng）；後者以國能惠遠公（gōng）司為代表，常溫成型，主要適用原料為木（mù）屑，過於（yú）幹燥（zào）不易成型，成型後需要（yào）幹燥處理，有黏結劑易於成型，產品為顆粒狀，生產能力約300k～500kg／h，模（mó）具工作壽命約400h，售價約30×104元／套，河北石家莊萬通機械廠生產的YIG-500型，外旋式結構，生產能力為（wéi）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（huán）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（yǐ）濟南三（sān）農能源科技（jì）有限公司為（wéi）代表。設備采用常溫成型，主要適用原（yuán）料（liào）為木屑、玉米秸稈（gǎn）(須處理（lǐ）得很細)等，產（chǎn）品圓柱狀，設備生產能力50kg/h～300kg/h，平模（mó）工作壽命約400h，售價5×104元（yuán）／套15×104元／套，在國內有不少應用，也存在密封、成型率、能耗、產量等問題（tí）。

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

　　2生物質致密（mì）成型技術主要（yào）研究的內容

　　2.1致密成型技術

　　致密（mì）成型一般是輥壓成型，有水平軸式環模擠壓成型、垂（chuí）直軸式環模擠壓（yā）成型（xíng）和平麵輥壓成型。冷壓致密成（chéng）型工藝常（cháng）用（yòng）於含水量較高的原料，原料進入成（chéng）型（xíng）室（shì）後，在壓輥或壓模的轉動作用下，進入壓模（mó）與壓輥之間（jiān），然後擠入成型孔（kǒng），從成型孔擠出的原料被擠壓成型，再用（yòng）切刀切割成一定長度的顆粒（lì）狀或塊狀燃料。冷壓致密成（chéng）型主要用於木材加工廠的木屑和秸稈碎（suì）料，成型設備一般比較簡單，價格較低，但由於死角（jiǎo）較大，引起無用能耗大，成型部件磨（mó）損較快。工作中易（yì）出現（xiàn）輥輪和成型孔堵塞現象，且由於燃料濕度較大，不含黏結劑，易吸濕變形，不利於長期保（bǎo）存、運輸和使用（yòng）。

   　2.2生物質致密成型技術（shù）的研究重點

　　對各類成型（xíng）機進行比較，綜合其優、缺點進行（háng）深入分析，針對成型設備存在的各種問題（tí）做了大量研究試驗，本（běn）項目所涉及的主要是動輥（gǔn）式平模式秸稈成型機，包括粉碎機、輸（shū）送設備、成型機、電（diàn）控櫃等。成型（xíng）是整（zhěng）個過程（chéng）的（de）決定性步驟，故成型機的性能（néng）決定了產品質（zhì）量和生產成本，因物（wù）料種類、含水率、回性（xìng）程度等的差異，造成成型技術的複雜性和工藝的不確定（dìng）性。物料的壓縮是大盤和壓輪配合完成的，即大盤和壓輪必須在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。二者均是在較高溫度和壓力下工作的，壓輪和大盤與物料始終處於幹磨擦狀態，導致大（dà）盤和（hé）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（háng）。由於成型大盤（pán）和壓輪的工作環境極端（duān）惡劣，使得其使用壽命一般在200h以下。

　　3項目（mù）研發過程中遇到（dào）的主要問題和解（jiě）決方案（àn）

　　3.1研發過程中遇到的主（zhǔ）要問題

　　阻礙（ài）生物質致密成型技術的推（tuī）廣應用的問題主要（yào）是大盤、壓輪磨損問題（tí），二者（zhě）壓縮區域的磨損（sǔn）程（chéng）度決定了大盤的使用壽命（mìng）。因此大盤和壓輪的（de）使用壽命（mìng）成（chéng）為生物質致密成型技術實用價值的（de）決定性因素。

　　3.2解決方案

　　下麵從兩個方麵來分析磨損問題，大盤是被固定在機座上，物料從靜止的模孔中擠（jǐ）出，被切（qiē）斷後形成（chéng）顆粒狀，這種大盤靜止的工（gōng）作方式有利於顆粒（lì）成型率的提高，作為成型機的核心工作部（bù）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（liàng）的（de）高低。

　　加工（gōng）不同的物料，應當配備不同厚度的大盤，大盤（pán）的開孔麵積、模孔（kǒng）尺寸、模孔（kǒng）排布方式等要素（sù）都是決定壓塊性能的重要因素，大盤是易損件，需要定期更換。

　　一（yī）般情況下模（mó）孔長徑比越小，產量越大，相對應壓塊（kuài）密度就越小，質量也越差，相反長徑比過大，產（chǎn）量（liàng）低、密度（dù）大，還容易出現堵機（jī）。與環模相比，平模的優勢在於結構（gòu）簡（jiǎn）潔、體積緊湊、能正反使用、成本低廉。

　　在（zài）壓輥（gǔn）方麵，平模機（jī）壓輥的特（tè）點是轉（zhuǎn）速較低、直徑大，與某些（xiē）型號的環模機相比，其轉速（sù）甚至不到環模壓輥的一半，而較大的直徑可以增大壓輥的攫取角，這使工作中（zhōng）的壓輥對物料有較強的攫取力，並且降（jiàng）低了打滑的（de）可能性，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，這種滑動作用是（shì）由平模機（jī）的工作原理決定的，並不因物料的（de）改變而（ér）改變。滑動作（zuò）用的（de）存在固然在一定程度上加（jiā）快了壓輥（gǔn）的磨損，但是客觀上卻增強了壓塊機（jī）的擠壓性（xìng）能，使平（píng）模式壓塊機在加工含粗纖（xiān）維較多（duō）的生物質原料方麵成（chéng）為佼佼者。下麵將從運動分（fèn）析和受力分析方麵對壓輪磨損問題進（jìn）行（háng）討論（lùn）。

　　以（yǐ）圖1所示為順（shùn）時針旋轉的壓輥，平模式顆粒機在工作（zuò）時，壓輥上必定存在一條純（chún）滾動的圓周線，在純滾（gǔn）動線圳（zhèn）勾側，壓輥發生超前性（xìng）滑動（dòng），稱之為滑（huá）轉滾動；在純滾動線外側，壓輥發生滯後（hòu）性滑動，稱之為滑移滾（gǔn）動。 

　   在壓輥與物料接（jiē）觸的任意點，其受力如圖（tú）1所示，因擠壓物料而受到物料施（shī）加給壓輥的反作用力Ⅳ，Ⅳ總是沿半（bàn）徑指向（xiàng）圓心方向；壓輥與物料（liào）之間還可（kě）能存在摩擦力F，必定沿（yán）切線方向，但指向有待討論。當機器進入穩（wěn）態時，壓輥處於平衡狀態，建立如圖所示的柱坐標係，以（yǐ）磨（mó）輥軸心為z軸，磨輥最外截麵圓心為z軸O點，以豎直方向（xiàng）半徑為角坐標O點。因平模壓輥的自轉是從動（dòng）的，不（bú）存在驅動力矩，故（gù）其自身力（lì）矩之和為零。

　　明確了壓（yā）輥的受（shòu）力情（qíng）況，就可以分析（xī）物料受力，物料受力情況如圖2所示，在與平模接觸的平麵，物料受到水平方向上的摩擦力S和鉛（qiān）直方向（xiàng）上的（de）支撐力T。 

　　從上述的壓輥運動情況和物料受力情況可以做出以下分析：產（chǎn）生滑轉滾動（dòng）和滑（huá）移滾動時，與純滾動相比，相當於（yú）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，摩擦力F使壓輥（gǔn）和（hé）物料之間產生了兩種剪（jiǎn）切作用（yòng）。滑轉滾動區的超前性滑動使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（jìn）模板（bǎn）中心越明顯。摩擦力也就越大，壓輥（gǔn）的受損（sǔn）程度就越深，這種受（shòu）損程度離大盤中心越明顯。試驗時從出（chū）料口往裏觀察，發（fā）現大盤的中間幾圈模孔出料快，越是裏圈和外圈的模（mó）孔，出料越慢。如果卸掉切刀觀察，中間幾圈的（de）物料被擠出較短的長度（dù）就會斷（duàn）裂、墜落。而裏圈和外圈的模孔中擠出的物料不（bú）易自動斷（duàn）裂和墜落，有許多甚至（zhì）長至200mm以上才脫離模板。這是由於兩種剪切作用的存在，模板內側和外側的物料受較大剪切力，物（wù）料粒子被充分揉切、撕裂進而充填、嵌合，所以越是兩側（cè），成型顆粒質（zhì）地（dì）越密實，出料越（yuè）緩慢。平模機之所以在加工粗纖維含量（liàng）較多的物料時具有優越（yuè）的性能（néng），也正是因為這兩種較強（qiáng）的剪切作用對物料進行了（le）充分的預處（chù）理。

　　滑移滾動和滑轉滾動的存在會導（dǎo）致壓輥、大盤的磨損（sǔn）程度（dù）增加，但在設計時可將平模設計成對稱結構，能夠正反使用，這將有效（xiào）降（jiàng）低易損件成本。

　　4項目創（chuàng）新點

　　對大盤的磨損問（wèn）題，各研究和生產廠（chǎng）家采（cǎi）取了很多辦法，但由於受工藝技術等製約，都沒有從根本上解決問題。經過多台成型機的實際運行試（shì）驗結果表明，大盤和壓輪的磨損隻發現在（zài）一（yī）個導程範圍內，解決這部（bù）分的磨損，整個的磨損問題也（yě）就解決了（le）。設計了一種保（bǎo）護罩，在原（yuán）來大盤和壓（yā）輪經（jīng）過（guò）調質處理和熱處理後，在大盤和壓輪母體上選擇特殊耐磨材料(如D705焊（hàn）接材料)、用（yòng）特殊工藝，在其外層磨損區域焊接電鍍製作（zuò）一層耐磨保護層。實際運行結果是這（zhè）種大（dà）盤和壓輪使用壽命在800h以上。在經（jīng）過一段時間運行後，達到（dào）一定磨（mó）損的程度(在沒有磨損致母體的前提下)可以重複製做此保護罩。大盤（pán）的模孔采用圓（yuán）形孔，方便加工與維修，使用成本低（dī）；大盤采用（yòng）上模孑L與下模孔呈現對稱（chēng）結（jié）構，如果上麵模孑L磨損較重可將大盤反轉，使用下麵模孔；也可將（jiāng）上模孔與下模孔的軸向高度設計為55mm、46mm、60mm等不同（tóng）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。另外一（yī）種辦法（fǎ）是用模套（tào）方式解決磨（mó）損問題，模孔以模套形式（shì）工作，壓輪以輪（lún）套形（xíng）式工作，既保證了磨損件的製造質量，也降低（dī）了零部件的（de）使用成本，提高了生產效率，模套加工采（cǎi）用數控切削方法，解決了壓縮（suō）模量漸（jiàn）變的技術難題。

　　5結語

　　通過此項目的研發，研究人員不僅積累了（le）大量的寶（bǎo）貴實（shí）踐經驗，而（ér）且取得了生物質致（zhì）密成型過程（chéng）中的耐磨、密封（fēng）等多個新成果。項目通過試驗推廣應（yīng）用，平模式秸稈成型機（jī）在（zài）降低能耗（hào）、提高生（shēng）產效率、增加大盤壓（yā）輪磨（mó）損性、降低使用成本和減少故障率等方麵（miàn）有了很大改進，該技術已通（tōng）山東省農機管理部門的（de）鑒定，列人國（guó）家農機推廣（guǎng）補貼目錄。隨著（zhe）產品的（de）製造工藝、自動化和水分精準化控製等技（jì）術（shù）的提（tí）高，生物質致密成型技術將更加成熟，將產生更大的經濟（jì）效益和社會效益（yì）。