平模生物质燃料成型机的结构改进

梁昱，周立迎，黄昊曼，姚固文

(贵阳学院机电系，贵阳550005)

　　摘要：以玉米秸秆和稻秆为原料，进行了平模机制备生物质成型燃料的试验，发现了现有设备的缺点和不足，提出了活动模具和新型料仓的结构设计。活动模具具有可延长平模使用寿命、节约成本、更换方便、省力省时以及通用性强，还可应用于试验研究；新型料仓便于人工控制喂人量和均匀喂料，减少料仓散发的粉尘量。结构改进为关键技术的进一步研究提供了可行的方法。

　　0引言

　　生物质成型燃料是将生物质原料经过粉碎和调质等处理，在高压和一定的温度下压缩成颗粒状、棒状或柱状，且质地坚实的成型物。其特点是密度大、便于贮存和运输，与煤相比，挥发分和含氧量高，灰分和含碳量小，热值略低，但却容易引燃，且燃烧时需氧量少，燃烧性能好。生物质的含硫量小于0.2％，燃烧时对环境的污染比煤小。

　　生物质成型燃料在广大的农村有很好的应用前景。当前的主要农作物秸秆除还田外主要通过焚烧、丢弃、沼气池利用等方式处理，但多为焚烧和丢弃，因此对生物质能源的能量利用率很低且污染严重。将生物质能源加工为固体成型燃料，通过农户一物料回收一加工一运输一民用的方式，加工出的固体成型燃料，可替代煤炭成为农户的主要燃料，也可供给城市居民和小商贩作为燃料，取代块煤和蜂窝煤，减少煤炭资源的消耗，改善空气质量。同时还可与秸秆还田、饲料生产等其他技术一起应用，既可以减少焚烧生物质造成的污染，又能够提高农业产出，增加农民收入。

　　当前市场上出现的小型平模生物质燃料成型机，适合小规模生产，设备便于移动，可用电力或柴油机带动，较为适合秸秆资源分散、收集与运输不便的丘陵和山地地区采用。但从市场调查和反馈的情况看，其连续作业的效果并不太理想。项目组进行来了平模机制备生物质成型燃料的试验研究，发现了现有设备的缺点和不足，为结构改进和关键技术的进一步研究提出了相应的措施。

　　1设计原理及要求

　　1.1原型机数据与工作基本原理

　　平模生物质燃料成型机结构简单，便于维护调节，物料靠重力下落喂人，机器制造成本较低，运行费用少，适合小规模生产，设备便于移动，可用电力或柴油机带动。其基本参数为：

　　外形尺寸/mm：2000×900×1800

　　电机功率/kW：30

　　产量/t·h^-1：0.5—1.2

　　质量/kg：1500

　　原料长度/mm：0～30

　　含水率/％：15～30

　　成品规格/mm：∅33圆柱体

　　成品密度/g·cm^-3：0.9～1.4

　　平模厚度90mm，模孔数30个，模孔直径33mm，平模固定。辊轮表面有齿形防滑槽，为槽轮型，直径170mm，数量2个，对称布置，硬度低于平模。辊轮为旋转部件，辊轮与平模模孔的间隙为1～2mm，试验时调整为1mm。平模周向圆柱面配置一个电热圈，功率2kW。

　　工作中，在辊轮的作用下，原料被分配到平模和两个辊轮的工作表面上；立轴带动辊轮架和辊轮转动时，辊轮在原料的摩擦作用下可自转，辊轮与平模的切点处产生巨大的挤压力，原料被压缩并被挤入模孔内，克服模孔壁的阻力，逐渐前进和压实；模孔中的物料在转一周的过程中，要被挤压两次。

　　1.2原设备的不足与改进设计的要求

　　试验以玉米秸秆和稻秆为原料，分析了含水率、原料粒度、喂入量对成型率、成型密度、生产率及能耗的影响，设备结构及加工关键技术有待改进和进一步研究(具体试验过程和研究将另文讨论)。设备的不足及有待改进和深入研究的关键技术问题如下：

　　1)该设备的可靠性不高，加工过程不稳定；未清理的余料易造成下次加工时堵模；电机与减速器联接螺栓、成型机座与料仓的联接螺栓、调隙螺栓常有松动；电热圈贴附不严；辊轮架与平模之间密封易损坏，若大量粉料陷入，将卡死运动副，使得无法启动。

　　2)适合加工的含水率范围很窄，控制含水率是掌握平模机使用的关键，而生产过程中含水率范围与均匀程度很难控制。

　　3)模孔长径比的研究，包括模孔直径、人口锥度的长度和角度。

　　4)平模与辊轮之间间隙的研究。

　　5)喂入量控制及均匀喂料的方法。

　　6)原料预处理工艺。

　　7)传动件受力分析与结构改进。

　　8)操纵、维修的简便性措施与工作环境的改善。

　　2主要结构改进

　　2.1将平模改进为活动模具

　　活动模具可用于模孔长径比、平模与辊轮间隙的研究，且维修简便，可延长模具寿命。

　　2.1.1模孔长径比应择优选取

　　模孔长径比是指模孔的有效长度和模孔的最小直径的比值，它是反映成型颗粒挤压强度的一个指标。模孔长径比大，其形成的颗粒密度大，表面光洁，挤出的成型颗粒结实，物理品质高，但生产效率会有所下降，能耗增加。反之，会造成产品不够结实，外观松散，成型率低。但模孔长径比过大，会使得环模出料困难，甚至造成塞机。另外，选用稍低的模孔长径比，对于增加产量、降低能耗和减轻磨损等有利。

　　模孔长径比的选择与生物质原料、目标成型率、原料粒度、含水率、生产率和目标成型密度等有关，需进行大量的实验才能择优选取。

　　2.1.2长径比大量试验研究存在的问题

　　在模孔直径确定的情况下，改变长径比需改变模孔的长度，也就是平模的厚度；在平模厚度确定的情况下，改变长径比是改变模孔的直径。

　　选用不同的长径比，需更换模具。若是平模厚度

　　一定，则需更换不同模孔直径的平模；若是模孔直径一定，则更换的模具厚度发生变化，以至于辊轮架的安装高度变化，需相应更换主轴，还需考虑料仓空间是否限制，并且拆换主轴耗时耗力。

　　模孔采用不同长度和角度的人口锥度，也需要更换模具。由于平模机最优加工工况受生物质原料的物性参数的影响很大，因此在每次更换模具后，很可能由于生物质原料物性参数变动的影响，而无法真实反映出结构改进的优劣。

　　2.1.3活动模具

　　活动模具一般采用的整体式平模分为固定支撑模和活动孔模：固定支撑模上设有若干支撑孔，活动孔模可嵌入支撑孔中和支撑模一起构成整个模具，如图1所示；活动模具支撑模周向上设有若干台阶状支撑孔，如图2所示；活动模具的活动孔模示意图如图3所示；活动模具结构示意图如图4所示。

　　活动孔模是设有台阶的圆柱体，外形直径固定，中间可设置1个或若干个模孔，可采用不同的孔截面形状和尺寸；可采用不同的长度，其总长可小于支撑模高度，也可大于支撑模高度；可以采用不同角度和长度的锥角；台阶以上的长度尺寸也可以不同，见图3和图4所示。

　　根据物料的性质或生产要求，采用不同模孔截面形状、直径、个数和总长等不同结构尺寸的活动孔模。

　　2.2改进料仓设计，控制喂入量和均匀喂料

　　2.2.1喂料在时间和空间上的不均匀

　　对于小型生物质成型设备而言，采用人工喂料可以节省传输带能耗，即便采用传输带自动喂料，也是由加工人员将物料添加到传输带上，再由传输带送入料仓，两种喂料方式都很难避免两个问题。

　　2.2.1.1时间上的不均匀

　　上料时断时续不均匀，特别是人工喂料，如用铲子，则是一铲子、一铲子的喂料，用簸箕，则是一簸箕、一簸箕的喂料；如是传输带上料，人员往传输带上添料的时候也会有这种现象。如此，料仓中一会料多，一会料少，设备工况不稳定，对成型质量也有影响，如不能保证合适的喂人量，过少则降低了生产率，过多则有可能造成堵机。

　　2.2.1.2空间上的不均匀

　　喂人的料在模辊的作用下不断被压人模孔成型，但喂人的物料不一定均分分配到模盘的各个位置，原料落下的模孔得到的物料多，造成各个模孔的工作状态不一致，这也影响了成型质量。

　　2.2.2改进料仓

　　图5为新型料仓结构示意图，图6为分料盘结构示意图。

　　针对料仓进行改进，将料仓分为加工仓和添料仓，加工仓用钢板制成，与机身联接，添料仓采用塑料制成，与加工仓之间用橡胶减振，通过螺栓联接。分料盘传动杆与辊轮架联接，随辊轮架一起转动，从而带动分料盘转动。分料盘上布置有条形磁铁。

　　加工过程中，将物料加入添料仓，在重力作用下，物料经人料口落人加工仓内的分料盘上。随着分料盘的转动及条形磁铁的带动，同时在离心力的作用下原料被均匀分布到周向，从分料盘上落人到模具上，由辊轮攫取加工为成型燃料。

　　3结构改进后的优点与进一步试验设想

　　3.1维修简便，延长模具寿命

　　1)由于采用了活动孔模，当某个孔模磨损严重需要更换时，只需从支撑孔底端向上推出或轻轻敲打出活动孔模，从支撑模的上端取出后更换即可，不需更换整个平模。

　　2)在堵机时，可将堵死的孔模取出换上可用的孔模，不耽误生产，再将取出的孔模利用台钻轻松的将堵塞的物料清除后备用。

　　3.2新料仓的作用

　　1)由人料口长度、截面尺寸及形状控制喂人量。加工过程中，只需工作人员不断地往添料仓内补充物料，保证添料仓内的物料处于一定的高度范围，在重力及振动的作用下，添料仓内的物料会落人加工仓中，而落人的流量则由入料口长度、截面尺寸及形状控制。具体尺寸设计，需根据不同原料物性参数，经试验测定。

　　2)由分料盘实现周向均匀喂料。分料盘通过分料盘传动杆由辊轮架带动一起旋转，随着分料盘的转动及条形磁铁的带动，同时在离心力的作用下原料被均匀分布到周向，实现均匀喂料。

　　3)分料盘上布置的条形磁铁，还能将之前未清除的含有原磁体的金属材料吸住，避免硬度较高的铁及其合金进入加工仓。

　　4)由于添料仓内物料的阻挡，加工仓内的粉尘不会从料仓中散发出来，减小了加工环境中的粉尘量。

　　3.3长径比研究

　　1)在模孔直径确定的情况下，改变长径比需改变模孔的长度，采用不同长度的活动孔模即可；在平模厚度确定的情况下，改变长径比是改变模孔的直径，采用孔径不同的活动孔模即可。

　　2)选用不同的长径比，无需更换支撑模，只需更换活动孔模，每个孔模可很方便地从支撑模的支撑孔底面向上推出，更换省时且方便，无需拆卸成型设备任何其他构件。

　　3)模孔采用不同长度和角度的人口锥度，只需更换活动孔模。

　　4)由于平模机最优加工工况受生物质原料的物性参数的影响很大，因此只要在支撑模上安装不同直径、不同长径比以及不同锥度的活动模，一次加工过程中，在生物质原料物性参数相同的情况下就可对比不同结构对成型效果的影响，研究分析出结构改进的优劣。

　　3.4模辊间隙研究

　　辊轮与平模模孔之间的间隙对各成型指标也有一定的影响。一般认为：在一定范围内增大平模压辊的间隙，能够增大成型燃料密度，提升物理品质和成型率，但会使生产率下降，能耗上升；较小的间隙物料容易被攫人，生产率高，能耗低。

　　对于不同物性参数的生物质原料，应有一个较优的模辊间隙。通常采用调隙螺栓或更换辊轮架安装垫片的方法，这种方法仍然存在拆装不便，调整不易测量。

　　1)采用活动模具，可将活动孔模的上表面到支撑模的上表面设置为不同的高度差，不用调整支撑模、辊轮架的装配关系。

　　2)只需采用活动孔模与支撑模上表面各种高度差的活动孔模，在一次加工中就能对比出不同模辊间隙对成型燃料物理品质及成型率的影响。

　　3)先后采用同一种表面高度差的活动孔模，可对比不同间隙对能耗及生产率的影响。

　　4结论

　　通过试验研究，发现了原设备存在的缺点和不足，提出了结构改进和关键技术进一步研究的措施。

　　1)原设备的可靠性不高，加工过程不稳定，适合加工的含水率范围很窄。

　　2)采用活动模具，可解决模具磨损较快和更换整个平模成本高的问题，可解决堵模后停机清理模孔耗时费力和耽误生产的问题。

　　3)采用活动模具，为开展长径比的研究、不同孔径的研究、不同模孔入口锥度和模辊间隙等问题提供了较好的试验方法。

　　4)采用新型料仓可便于人工喂料控制喂人量和均匀喂料，且减少料仓向环境散发的粉尘量。

　　5)经过试验，结合设备结构的改进，今后可继续在以下方面进行深入研究：针对长径比、人口锥度的长度和角度及模辊间隙对各成型指标的影响；研究堆腐发酵或制备有机添加剂的工艺、喂入量的调节和控制、传动系统结构、装配以及效率的优化设计；外观结构的人性化设计等。