霍丽丽 1, 2, 田宜水 2, 孟海波 2, 赵立欣 2, 侯书林1
(1.中国农业大学工学院, 北京100083; 2.农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所, 北京100125)
摘要: 针对模辊式成型机在生产生物质颗粒燃料过程中存在能耗高等问题, 以玉米秸秆为原料, 研究成型机模辊间隙, 主轴转速和模孔直径等参数对生产率, 吨燃料能耗, 颗粒燃料的成型率, 机械耐久性和颗粒密度等的影响. 结果表明: 模辊间隙仅对成型率有影响, 间隙为0.2mm最优. 吨燃料能耗和颗粒密度随主轴转速增大而减小; 模孔直径大, 生产率高, 吨燃料能耗低, 颗粒密度小; 为保证生产率, 主轴转速应大于等于160r/min. 不同因素试验, 颗粒燃料的成型率大于95%, 机械耐久性大于96%, 均符合生物质颗粒燃料要求.
引言
生物质颗粒燃料作为一种优质的可再生能源, 既能作为农村炊事炉具, 采暖炉或工业锅炉等的良好燃料, 又可为电厂提供清洁燃料; 不仅有效解决了农村用能问题, 而且也有利于改善农村环境, 目前在我国正全面推广.
生物质成型主要分为模辊式, 螺旋式, 柱塞式等方式. 由于生物质模辊式成型机具有生产率高, 成型好(成型率大于95%), 可连续生产等优点, 与螺旋式, 柱塞式成型机相比, 工作状态更加稳定, 对物料的适应性好, 并且其加工方法满足燃煤电厂对生物质成型燃料均匀要求, 可实现工业的自动上料, 是目前发展的重点. 但该类机具还存在着能耗高等问题.
目前, 国内外模辊式成型机研究仅针对原料的种类, 粒度及含水率等工艺参数. 对于以玉米秸秆为原料的模辊式成型机的主要参数对成型的影响等研究较少. 机具参数的研究主要集中在螺旋式或柱塞式成型机原理上, 模辊式成型机的成型原理与螺旋式, 柱塞式差别较大, 结构参数设计不同, 上述研究并不适用于模辊式成型机.
本文以玉米秸秆为原料, 对生物质模辊式成型机的主要参数(模孔直径, 主轴转速, 模辊间隙等)进行试验, 研究其对成型机的生产率, 吨燃料能耗, 颗粒燃料的成型率, 机械耐久性和颗粒密度等指标的影响规律, 为模辊式成型机的设计提供科学依据.
1材料与方法
1.1试验设备与原料
北方地区玉米秸秆原料极为丰富, 因此本试验选择北京市大兴区礼贤镇生产的玉米秸秆为原料. 采用模辊式生物质颗粒燃料成型机, 其主要工作部件是水平圆盘压模和与其相配的压辊, 如图1所示(D为模孔直径, X为模辊间隙). 工作时电动机带动压模转动, 通过模辊与物料间的摩擦力使压辊自转, 将物料钳入, 挤压, 最后成圆柱状从模孔中被连续挤出, 再由安装在出料口处的固定切刀切成一定长度的颗粒燃料. 在该机工作过程中, 由于压辊与压模之间存在相对滑动, 可起到磨碎原料的作用, 所以允许使用粒径稍大些的原料. 其中, 模辊间隙, 主轴转速等可调, 且可更换不同孔径的压模板. 试验用颗粒燃料成型机额定生产率80kg/h; 主轴电动机功率11kW; 主轴最大转速200r/min; 调频器50Hz.
其他试验设备与仪器有粉碎机(筛孔径8mm), 秒表, 台秤(精度5g), 二分器, 1011A型电热鼓风干燥箱, PL2002/01型电子天平(精度0.01g), BSA223SCW型分析天平(精度0.1mg), KER2400型转鼓试验机, SZ114型标准自动振筛机, MH200E型电子比重计(精度0.001g/cm 3)等.
1.2试验方法
1.2.1试验准备
首先将玉米秸秆粉碎, 粒度小于8mm的放入振动筛进行筛选, 振动30s后, 测其粒度. 试验原料分三批粉碎, 分别用于6, 8, 10mm模孔直径试验使用, 如表1所示. 可以得出: 不同批次原料粒度基本一致. 原料粉碎后, 大于6mm原料占总量不到10%, 粒度在3~6mm之间的约占20%, 小于3mm粒度大于70%, 能够满足成型要求. 将粉碎后的秸秆原料自然风干或调湿处理, 达到适宜成型的含水率, 装入密封袋备用. 试验原料含水率控制在20%左右. 而6mm孔径在原料含水率20%试验时, 极易堵模, 因此原料含水率略高.
采用模辊式生物质颗粒燃料成型机进行压缩试验, 按照CEN/TS14778—12005固体生物质颗粒燃料取样方法取样, 测量并记录相关试验数据.
1.2.2试验指标及测定方法
(1)生产率. 正常生产过程中, 在成型机出口处每隔5min接取颗粒一次, 然后称量. 考虑到原料含水率不同, 计算中增加含水率系数. 计算式为
(5)颗粒密度. 一般要求成型燃料颗粒密度大于1.0g/cm 3. 根据阿基米德排水法原理, 利用电子比重计直接测量得出数值.
生产出的颗粒燃料在实验室平铺放置2~3h, 待完全冷却后取样, 测量成型率, 含水率, 机械耐久性和颗粒密度等.
1.2.3试验设计
生物质颗粒燃料成型机的性能参数主要包括主轴转速, 模孔直径与模辊间隙等. 为考核成型机性能和颗粒燃料质量, 将主轴转速, 模孔直径, 模辊间隙作为试验因素, 考察其对生产率, 吨燃料能耗, 成型率, 颗粒燃料的机械耐久性及颗粒密度的影响规律. 选择主轴转速0~200r/min, 间隔20r/min; 模辊间隙0~1.5mm, 间隔0.1mm; 选择6, 8, 10mm模孔直径的压模分别进行单因素试验. 首先进行模辊间隙试验, 分析模辊间隙对所选指标的影响规律, 然后选用最佳值进行不同主轴转速与模孔直径试验.
2结果与讨论
2.1模辊间隙的影响
模孔直径8mm, 主轴转速160r/min时, 模辊间隙对生产率, 吨燃料能耗, 机械耐久性, 成型率的影响如图2所示. 随着模辊间隙的增加, 生产率下降, 吨燃料能耗增加, 当模辊间隙大于1.5mm时, 模孔已不出料, 无法成型. 其中, 模辊间隙为0.2mm时, 生产率最高, 吨燃料能耗最低, 为72kW·h/t. 间隙过大时, 压辊对秸秆原料的挤压力变小, 使攫取能力变小, 压辊无法将料压进模孔内, 使原料在成型室内越积越多, 最终导致堵模死机. 间隙过小时, 喂入原料量少, 生产率低, 摩擦力大, 导致吨燃料能耗高.
若安装不当, 模辊之间可能有直接接触表面, 将加速模辊磨损, 降低寿命.
模辊间隙在0~0.4mm生物质颗粒燃料的成型率均大于95%, 压缩成型的生物质颗粒燃料表面光滑, 不易松散; 在0.4~1.0mm之间, 成型率逐渐下降, 生物质颗粒燃料表面偶有裂纹, 成型率在90%~95%之间; 大于1mm时, 成型燃料表面变粗糙, 裂纹增多, 且压缩后成型率小于90%, 已不符合成型率要求.
模辊间隙对机械耐久性和颗粒密度影响不大, 均能满足机械耐久性大于95%和颗粒密度大于等于1.0g/cm 3的标准要求.
综上所述, 模辊间隙的最佳范围为0~0.4mm, 其中0.2mm时最优.
2.2主轴转速和模孔直径的影响试验
2.2.1生产率
模辊间隙为0.2mm时, 生产率与主轴转速的关系如图3所示. 在模孔直径相同时, 随主轴转速的增加, 生产率增大. 低转速时, 生产率增加较快; 大于160r/min后生产率增加变得缓慢, 其值为80~100kg/h. 这是由于转速过快时, 压辊对原料的挤压力一定, 一些原料无法快速挤入相应模孔内, 而从压辊齿两侧挤出, 使生产率增加缓慢.
同一转速下, 模孔直径越大, 生产率越高, 在转速160r/min时, 模孔直径10mm的生产率比直径6mm的提高了25%, 这是由于孔径大, 被压进模孔的原料多, 生产率相对较高.
但模孔直径不易过大或过小, 高速转动下, 孔径过小则原料难挤入模孔内, 在成型室被摩擦的时间过长而产生热量, 原料水分蒸发较快, 压辊无法将原料顺利压出, 导致模孔堵塞, 严重时会产生放炮, 颗粒炭化等现象. 孔径过大, 在压模厚度不改变情况下, 成型率难以保证, 且压出的颗粒燃料易松散.
2.2.2吨燃料能耗
试验测得吨燃料能耗与主轴转速和模孔直径的关系如图4所示, 吨燃料能耗随转速增大而减小. 转速大于等于160r/min, 生产率增加趋于缓慢, 吨燃料能耗变化不大, 同一模孔直径下, 吨燃料能耗变化量不超过10kW·h/t. 低转速时, 单位时间挤出颗粒燃料质量少, 所需的电能较多, 随着转速增大, 生产率提高, 燃料的出料速度加快, 克服弹性变形的能量减小, 吨燃料能耗逐渐减小. 当孔径为10mm, 主轴转速为180r/min时, 吨燃料能耗达最低值为71.4kW·h/t.
同一转速下, 模孔直径越大, 吨燃料能耗越低. 转速在160r/min时, 模孔直径10mm的吨燃料能耗比直径6mm的减小了42kW·h/t. 这是由于模孔直径小, 单位时间内的进料量少, 挤压困难, 克服秸秆原料弹性变形所需吨燃料能耗较大.
2.2.3颗粒燃料成型率
模孔直径和主轴转速对成型率的影响如图5所示. 可以看出, 主轴转速和模孔直径对成型率影响不大, 成型率在95%~99%之间, 满足大于95%的要求.
2.2.4颗粒燃料机械耐久性
主轴转速, 模孔直径对颗粒燃料的机械耐久性影响如图6所示. 主轴转速和模孔直径对颗粒耐久性影响并不显著, 颗粒燃料机械耐久性较好, 均大于96%, 符合颗粒燃料要求. 主轴转速180r/min, 模孔直径8mm时, 颗粒燃料机械耐久性最好, 最佳值为98.3%.
2.2.5颗粒密度
主轴转速, 模孔直径对颗粒燃料密度的影响如图7所示. 颗粒密度变化范围为1.1~1.2g/cm 3, 均符合颗粒燃料的要求. 随着主轴转速的增加, 颗粒密度略有下降. 模孔直径小, 则颗粒密度大. 这是由于转速增大, 模孔直径大时, 出料速度快, 原料在模孔内的挤压时间短, 挤出颗粒较松散, 致使颗粒密度小. 反之, 主轴转速小, 模孔直径小, 出料慢, 被挤压时间久, 压辊与原料间摩擦作用加剧而产生大量热量, 导致原料中所含木质素软化, 粘合力增大, 粒子易被压缩成型, 颗粒较密实.
3结论
(1)模辊间隙对成型率有显著影响, 对其他指标的影响不显著. 间隙越大, 成型率越低. 间隙最佳取值范围0~0.4mm, 最优值为0.2mm.
(2)主轴转速和模孔直径对生产率, 吨燃料能耗影响较大. 随着转速增大, 生产率增大, 吨燃料能耗减小; 模孔直径大, 生产率高, 吨燃料能耗低. 为保证生产率, 转速取值应大于等于160r/min. 为使吨燃料能耗较低, 模孔直径应取较大值10mm.
(3)各因素对颗粒燃料机械耐久性影响不显著, 均符合颗粒燃料的标准要求.
(4)主轴转速和模孔直径对颗粒密度均有一定影响, 但影响不大, 颗粒密度均大于1.1g/cm 3. 若对颗粒密度要求较高, 则主轴转速值应取较小值, 选模孔直径较小的压模. 若对颗粒燃料仅为一般要求, 则尽可能增加主轴转速, 选取模孔直径较大的压模.
