霍麗麗 1, 2, 田宜水 2, 孟海波 2, 趙立欣 2, 侯書林1
(1.中國農業大學工學院, 北京100083; 2.農業部規劃設計研究院農村能源與環保研究所, 北京100125)
摘要: 針對模輥式成型機在生產生物質顆粒燃料過程中存在能耗高等問題, 以玉米秸稈為原料, 研究成型機模輥間隙, 主軸轉速和模孔直徑等參數對生產率, 噸燃料能耗, 顆粒燃料的成型率, 機械耐久性和顆粒密度等的影響. 結果表明: 模輥間隙僅對成型率有影響, 間隙為0.2mm最優. 噸燃料能耗和顆粒密度隨主軸轉速增大而減小; 模孔直徑大, 生產率高, 噸燃料能耗低, 顆粒密度小; 為保證生產率, 主軸轉速應大於等於160r/min. 不同因素試驗, 顆粒燃料的成型率大於95%, 機械耐久性大於96%, 均符合生物質顆粒燃料要求.
引言
生物質顆粒燃料作為一種優質的可再生能源, 既能作為農村炊事爐具, 採暖爐或工業鍋爐等的良好燃料, 又可為電廠提供清潔燃料; 不僅有效解決了農村用能問題, 而且也有利於改善農村環境, 目前在我國正全面推廣.
生物質成型主要分為模輥式, 螺旋式, 柱塞式等方式. 由於生物質模輥式成型機具有生產率高, 成型好(成型率大於95%), 可連續生產等優點, 與螺旋式, 柱塞式成型機相比, 工作狀態更加穩定, 對物料的適應性好, 並且其加工方法滿足燃煤電廠對生物質成型燃料均勻要求, 可實現工業的自動上料, 是目前發展的重點. 但該類機具還存在著能耗高等問題.
目前, 國內外模輥式成型機研究僅針對原料的種類, 粒度及含水率等工藝參數. 對於以玉米秸稈為原料的模輥式成型機的主要參數對成型的影響等研究較少. 機具參數的研究主要集中在螺旋式或柱塞式成型機原理上, 模輥式成型機的成型原理與螺旋式, 柱塞式差別較大, 結構參數設計不同, 上述研究並不適用於模輥式成型機.
本文以玉米秸稈為原料, 對生物質模輥式成型機的主要參數(模孔直徑, 主軸轉速, 模輥間隙等)進行試驗, 研究其對成型機的生產率, 噸燃料能耗, 顆粒燃料的成型率, 機械耐久性和顆粒密度等指標的影響規律, 為模輥式成型機的設計提供科學依據.
1材料與方法
1.1試驗設備與原料
北方地區玉米秸稈原料極為豐富, 因此本試驗選擇北京市大興區禮賢鎮生產的玉米秸稈為原料. 採用模輥式生物質顆粒燃料成型機, 其主要工作部件是水平圓盤壓模和與其相配的壓輥, 如圖1所示(D為模孔直徑, X為模輥間隙). 工作時電動機帶動壓模轉動, 通過模輥與物料間的摩擦力使壓輥自轉, 將物料鉗入, 擠壓, 最後成圓柱狀從模孔中被連續擠出, 再由安裝在出料口處的固定切刀切成一定長度的顆粒燃料. 在該機工作過程中, 由於壓輥與壓模之間存在相對滑動, 可起到磨碎原料的作用, 所以允許使用粒徑稍大些的原料. 其中, 模輥間隙, 主軸轉速等可調, 且可更換不同孔徑的壓模板. 試驗用顆粒燃料成型機額定生產率80kg/h; 主軸電動機功率11kW; 主軸最大轉速200r/min; 調頻器50Hz.
其他試驗設備與儀器有粉碎機(篩孔徑8mm), 秒錶, 台秤(精度5g), 二分器, 1011A型電熱鼓風乾燥箱, PL2002/01型電子天平(精度0.01g), BSA223SCW型分析天平(精度0.1mg), KER2400型轉鼓試驗機, SZ114型標準自動振篩機, MH200E型電子比重計(精度0.001g/cm 3)等.
1.2試驗方法
1.2.1試驗準備
首先將玉米秸稈粉碎, 粒度小於8mm的放入振動篩進行篩選, 振動30s後, 測其粒度. 試驗原料分三批粉碎, 分別用於6, 8, 10mm模孔直徑試驗使用, 如表1所示. 可以得出: 不同批次原料粒度基本一致. 原料粉碎後, 大於6mm原料佔總量不到10%, 粒度在3~6mm之間的約佔20%, 小於3mm粒度大於70%, 能夠滿足成型要求. 將粉碎後的秸稈原料自然風乾或調濕處理, 達到適宜成型的含水率, 裝入密封袋備用. 試驗原料含水率控制在20%左右. 而6mm孔徑在原料含水率20%試驗時, 極易堵模, 因此原料含水率略高.
採用模輥式生物質顆粒燃料成型機進行壓縮試驗, 按照CEN/TS14778—12005固體生物質顆粒燃料取樣方法取樣, 測量並記錄相關試驗數據.
1.2.2試驗指標及測定方法
(1)生產率. 正常生產過程中, 在成型機出口處每隔5min接取顆粒一次, 然後稱量. 考慮到原料含水率不同, 計算中增加含水率係數. 計算式為
(5)顆粒密度. 一般要求成型燃料顆粒密度大於1.0g/cm 3. 根據阿基米德排水法原理, 利用電子比重計直接測量得出數值.
生產出的顆粒燃料在實驗室平鋪放置2~3h, 待完全冷卻後取樣, 測量成型率, 含水率, 機械耐久性和顆粒密度等.
1.2.3試驗設計
生物質顆粒燃料成型機的性能參數主要包括主軸轉速, 模孔直徑與模輥間隙等. 為考核成型機性能和顆粒燃料質量, 將主軸轉速, 模孔直徑, 模輥間隙作為試驗因素, 考察其對生產率, 噸燃料能耗, 成型率, 顆粒燃料的機械耐久性及顆粒密度的影響規律. 選擇主軸轉速0~200r/min, 間隔20r/min; 模輥間隙0~1.5mm, 間隔0.1mm; 選擇6, 8, 10mm模孔直徑的壓模分別進行單因素試驗. 首先進行模輥間隙試驗, 分析模輥間隙對所選指標的影響規律, 然後選用最佳值進行不同主軸轉速與模孔直徑試驗.
2結果與討論
2.1模輥間隙的影響
模孔直徑8mm, 主軸轉速160r/min時, 模輥間隙對生產率, 噸燃料能耗, 機械耐久性, 成型率的影響如圖2所示. 隨著模輥間隙的增加, 生產率下降, 噸燃料能耗增加, 當模輥間隙大於1.5mm時, 模孔已不出料, 無法成型. 其中, 模輥間隙為0.2mm時, 生產率最高, 噸燃料能耗最低, 為72kW·h/t. 間隙過大時, 壓輥對秸稈原料的擠壓力變小, 使攫取能力變小, 壓輥無法將料壓進模孔內, 使原料在成型室內越積越多, 最終導致堵模死機. 間隙過小時, 喂入原料量少, 生產率低, 摩擦力大, 導致噸燃料能耗高.
若安裝不當, 模輥之間可能有直接接觸表面, 將加速模輥磨損, 降低壽命.
模輥間隙在0~0.4mm生物質顆粒燃料的成型率均大於95%, 壓縮成型的生物質顆粒燃料表面光滑, 不易鬆散; 在0.4~1.0mm之間, 成型率逐漸下降, 生物質顆粒燃料表面偶有裂紋, 成型率在90%~95%之間; 大於1mm時, 成型燃料表面變粗糙, 裂紋增多, 且壓縮後成型率小於90%, 已不符合成型率要求.
模輥間隙對機械耐久性和顆粒密度影響不大, 均能滿足機械耐久性大於95%和顆粒密度大於等於1.0g/cm 3的標準要求.
綜上所述, 模輥間隙的最佳範圍為0~0.4mm, 其中0.2mm時最優.
2.2主軸轉速和模孔直徑的影響試驗
2.2.1生產率
模輥間隙為0.2mm時, 生產率與主軸轉速的關係如圖3所示. 在模孔直徑相同時, 隨主軸轉速的增加, 生產率增大. 低轉速時, 生產率增加較快; 大於160r/min後生產率增加變得緩慢, 其值為80~100kg/h. 這是由於轉速過快時, 壓輥對原料的擠壓力一定, 一些原料無法快速擠入相應模孔內, 而從壓輥齒兩側擠出, 使生產率增加緩慢.
同一轉速下, 模孔直徑越大, 生產率越高, 在轉速160r/min時, 模孔直徑10mm的生產率比直徑6mm的提高了25%, 這是由於孔徑大, 被壓進模孔的原料多, 生產率相對較高.
但模孔直徑不易過大或過小, 高速轉動下, 孔徑過小則原料難擠入模孔內, 在成型室被摩擦的時間過長而產生熱量, 原料水分蒸發較快, 壓輥無法將原料順利壓出, 導致模孔堵塞, 嚴重時會產生放炮, 顆粒炭化等現象. 孔徑過大, 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鬆散.
2.2.2噸燃料能耗
試驗測得噸燃料能耗與主軸轉速和模孔直徑的關係如圖4所示, 噸燃料能耗隨轉速增大而減小. 轉速大於等於160r/min, 生產率增加趨於緩慢, 噸燃料能耗變化不大, 同一模孔直徑下, 噸燃料能耗變化量不超過10kW·h/t. 低轉速時, 單位時間擠出顆粒燃料質量少, 所需的電能較多, 隨著轉速增大, 生產率提高, 燃料的出料速度加快, 克服彈性變形的能量減小, 噸燃料能耗逐漸減小. 當孔徑為10mm, 主軸轉速為180r/min時, 噸燃料能耗達最低值為71.4kW·h/t.
同一轉速下, 模孔直徑越大, 噸燃料能耗越低. 轉速在160r/min時, 模孔直徑10mm的噸燃料能耗比直徑6mm的減小了42kW·h/t. 這是由於模孔直徑小, 單位時間內的進料量少, 擠壓困難, 克服秸稈原料彈性變形所需噸燃料能耗較大.
2.2.3顆粒燃料成型率
模孔直徑和主軸轉速對成型率的影響如圖5所示. 可以看出, 主軸轉速和模孔直徑對成型率影響不大, 成型率在95%~99%之間, 滿足大於95%的要求.
2.2.4顆粒燃料機械耐久性
主軸轉速, 模孔直徑對顆粒燃料的機械耐久性影響如圖6所示. 主軸轉速和模孔直徑對顆粒耐久性影響並不顯著, 顆粒燃料機械耐久性較好, 均大於96%, 符合顆粒燃料要求. 主軸轉速180r/min, 模孔直徑8mm時, 顆粒燃料機械耐久性最好, 最佳值為98.3%.
2.2.5顆粒密度
主軸轉速, 模孔直徑對顆粒燃料密度的影響如圖7所示. 顆粒密度變化範圍為1.1~1.2g/cm 3, 均符合顆粒燃料的要求. 隨著主軸轉速的增加, 顆粒密度略有下降. 模孔直徑小, 則顆粒密度大. 這是由於轉速增大, 模孔直徑大時, 出料速度快, 原料在模孔內的擠壓時間短, 擠出顆粒較鬆散, 致使顆粒密度小. 反之, 主軸轉速小, 模孔直徑小, 出料慢, 被擠壓時間久, 壓輥與原料間摩擦作用加劇而產生大量熱量, 導致原料中所含木質素軟化, 粘合力增大, 粒子易被壓縮成型, 顆粒較密實.
3結論
(1)模輥間隙對成型率有顯著影響, 對其他指標的影響不顯著. 間隙越大, 成型率越低. 間隙最佳取值範圍0~0.4mm, 最優值為0.2mm.
(2)主軸轉速和模孔直徑對生產率, 噸燃料能耗影響較大. 隨著轉速增大, 生產率增大, 噸燃料能耗減小; 模孔直徑大, 生產率高, 噸燃料能耗低. 為保證生產率, 轉速取值應大於等於160r/min. 為使噸燃料能耗較低, 模孔直徑應取較大值10mm.
(3)各因素對顆粒燃料機械耐久性影響不顯著, 均符合顆粒燃料的標準要求.
(4)主軸轉速和模孔直徑對顆粒密度均有一定影響, 但影響不大, 顆粒密度均大於1.1g/cm 3. 若對顆粒密度要求較高, 則主軸轉速值應取較小值, 選模孔直徑較小的壓模. 若對顆粒燃料僅為一般要求, 則儘可能增加主軸轉速, 選取模孔直徑較大的壓模.
