小型柱塞式生物質成型機設計及試驗

陳碩千，許小鋒，張林超

（浙江農林大學光機電工程學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

當前，盡快實現碳達峰和碳中和已成為國際社會的共識，約130 多個國家將在本世紀中葉達成碳中和的目標。我國是一個能源消費偏煤，能源利用效率偏低，石油天然氣供給風險偏高的發展中國家。我國碳中和目標的提出，深入貫徹了“綠水青山就是金山銀山”的理念，通過對經濟結構進行適當調整，促進低碳綠色經濟發展的轉型[1]。生物質能一直是人類賴以生存的重要能源，它僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費總量的第4 位[2]。我國生物質資源豐富，每年可利用的生物質資源折合成標準煤可達6～7 億t，其中可能源化利用的標準煤為2.47 億t，此數據隨著未來生物質能源的大規模開發還會進一步增加[3-4]。生物質成型燃料燃燒熱效率最高可達89%。生物質成型燃料NOx 的排放量僅為燃煤的1/5，SO2的排放量僅為燃煤的1/10，因此生物質成型燃料是一種高效、清潔的燃料[5]。生物質燃料的研究不僅有助于我國能源結構從化石能源向非化石能源過渡，還能在一定程度上解決因廢棄原料的不正確處理而導致的環境污染問題[6]。

山核桃（學名：CaryacathayensisSarg.）是胡桃科山核桃屬植物，廣泛分布于中國浙江省和安徽省。其果仁味美可食，果殼可制活性炭。但其核桃蒲殼無法食用，除少數蒲殼就地還林做肥料外，大多數蒲殼會被農戶隨意丟棄，倒入河道、溪流、溝渠、污水終端池等地方，對沿河流域的水土造成嚴重污染。有的農戶將蒲殼燃燒，其產生的殼灰含堿，在一定程度上會對土地造成污染[7]。因此，研究將核桃蒲殼的再利用問題具有重要的現實意義。目前，核桃蒲殼大多被用做吸附劑材料[8-9]、栽培原料、磨料等，但仍處于發展階段，并未達到理想形態。本文以臨安山核桃蒲殼為研究對象，通過試驗，確定了核桃蒲殼為原料進行生物質成型的最合適工藝參數，研究設計了一款生物質成型機。

1 柱塞式成型機設計與工作原理

1.1 整體結構設計

本文設計的柱塞式成型機由成型機構、傳動機構、動力機構以及機架構成，三維透視圖如圖1 所示。機架內裝有設置物料槽的環模部件，其內設有成型孔。物料槽內設有柱塞式壓輥部件，其與環模部件嚙合傳動。在靠近柱塞式壓輥部件一端的機架上設有擋料部件，擋料部件包括刀片式擋板和伸縮裝置。伸縮裝置的伸縮桿伸入機架內與擋板鉸接，壓縮物料時擋板會在環模部件外側壁上擋住成型孔，擋料部件可使壓輥和環模部件轉動多圈后讓物料在成型密度最高時從成型孔落出，這樣物料不易松散[10-11]。

圖1 柱塞式成型機三維透視圖

1.2 工作原理

柱塞式環模生物質顆粒成型機構的成型原理如圖2 所示，成型機的成型部件分別是壓輥和環模。壓輥體附有均勻分布的柱塞，環模上加工一系列均勻分布的成型階梯孔。為了使生物質原料能夠填充進?？字胁⑶也挥绊憠狠佒w的做功，環模體與壓輥嚙合處形成一定的角度，兩軸心連線與豎直方向的夾角為45°。壓輥和環模在惰輪的帶動下進行同向轉動，在一定的轉速比下，使壓輥上的柱塞體與環模上的成型孔能夠正確嚙合。為了保證壓輥柱塞和環?？自谛D過程中，兩者能夠順利地逐個進入嚙合和分離并且不會發生干涉接觸，在柱塞體頂端和環?？兹肟谔幖庸さ菇?，成型孔的?？组_口錐度為30°。環?？椎奈锪鲜窃谥亓铜h模旋轉離心力的共同作用下進行填充，成型顆粒由環模和壓輥柱塞的連續嚙合運動擠壓成型。?？字械奈锪显诓粩嗟匦D中持續進料。安裝固定的刮料鏟刀，將堆積的物料刮進成型?？浊夜纬辰Y在環模上的物料，不會遮擋孔口使?？走M料困難；壓輥與環模的偏心傾斜安裝也會阻止物料在模具嚙合成型區發生堆積，保證壓輥體不會因為物料堆積過高與壓輥進行摩擦和擠壓。成型顆粒再經過原料進入?？?、柱塞旋轉嚙合擠壓和持續旋轉壓縮保型的3 個狀態，生物質物料就在壓縮、旋轉的作用下致密成型，當成型顆粒擠出環?？椎竭_一定長度后，由外部切刀將其剪斷。

圖2 柱塞式環模生物質顆粒成型機構的成型原理

1.3 傳動方案設計

柱塞式環模生物質顆粒成型機傳動方案如圖3所示，電動機經過減速器減速后由聯軸器傳至環模主軸帶動環模旋轉，主軸齒輪帶動惰輪運動，再由惰輪進行換向后傳遞給壓輥軸齒輪，使環模和壓輥做同向嚙合。當主軸驅動環模和主軸齒輪運動時，惰輪和壓輥齒輪同時被驅動，實現環模和壓輥旋轉嚙合。

圖3 柱塞式環模生物質顆粒成型機傳動方案

1.4 成型機關鍵成型模具設計

環模結構如圖4 所示，表1 為環模結構參數及尺寸。因為設計轉速和生產率的要求，原料在壓縮的過程中，環模成型孔壁會產生很大的反作用力，容易導致模具變形，為此，材料選擇45 鋼并進行調質處理，硬度要求為240HBS。

表1 環模結構參數及尺寸

圖4 環模結構

1.4.2 壓輥結構設計

壓輥上的柱塞體與環模的嚙合運動，保證兩者正常工作，壓輥上柱塞體與環?？椎臄盗勘戎当３峙c環模和壓輥的轉速比一致[12]，根據表1 中的設計參數，傳動比為3，所以壓輥上每排柱塞體個數N1=90/3=30，排數與環模成型孔一致且與?？撞季忠粯?。表2 為壓輥結構設計參數。

表2 壓輥結構參數及尺寸

壓輥柱塞結構如圖5 所示，在原料壓縮過程中，壓輥體與柱塞體受到的沖擊壓力和摩擦力會很大，容易變形破壞，所以兩者選擇的加工材料均為45 鋼，并且調質處理，要求硬度為240 HBS。柱塞體頂端加工有30°的倒角，避免與成型孔發生接觸干涉，能夠在成型嚙合區域順利運轉。在柱塞體安裝進壓輥體時，保證柱塞體不脫落，安裝公差取基孔制過盈配合。為了物料不與壓輥曲面進行摩擦，設計壓輥外曲面和環模內曲面之間的間隙為8 mm，保證壓縮工作只有柱塞體進行。

圖5 柱塞壓輥結構

2 工藝參數的確定

在制作生物質燃料時，工藝參數的確定非常重要。生物質特性及其性質復雜多樣，并且生物質來源和種類也非常廣泛，明確不同的工藝參數可以顯著提高產品質量，提升生產和能源利用效率。生物質燃料的工藝參數包括成型溫度、原料含水率、模具長徑比等，其直接關系到生物質的轉化率、產物組成、產出率及產品質量。

在生產生物質燃料時，若未確定合適的工藝參數，則可能導致生產效率低下、質量不穩定、利用率低，產生廢棄物等問題。因此，確定生物質燃料的工藝參數非常重要。本文通過試驗和模擬等手段來確定最佳的工藝參數，采用控制變量法和轉換法，控制物料粒度、成型模具長徑比、成型溫度、原料含水率4 個單因素變量，將生物質燃料產品質量的好壞轉換成成型顆粒的松弛密度作為評價標準，其具體試驗過程如下。

2.1 材料選取

收集山核桃加工廠的廢棄核桃蒲殼并將其通過粉碎機粉碎，用篩網篩選出原料粒度在3 mm和5 mm 的2 種物料，將物料粒度、成型模具長徑比、成型溫度、原料含水率分別作為變量探究對成型特性的影響[13]。在進行單因素試驗時，模具長徑比選為1.5∶1、3.0∶1、5.0∶1；成型溫度的梯度為80、90、100、110、120 ℃；原料含水率的梯度設置為12%、14%、16%、18%、20%。試驗所需主要設備為烘烤箱、粉碎機、電子秤（精度0.1 g）、游標卡尺、噴壺、濕度測量計、篩網（3 mm 和5 mm 孔徑）以及生物質顆粒成型模具。

生態經濟首先是一個系統工程。有人把生態經濟亦稱為循環經濟，這就更加形象地說明了他是一個系統工程，其重要目的是達到資源的循環利用，這樣一方面可以達到低消耗高產出的要求，另一方面又可以達到低排放(甚至零排放)、低污染的要求。循環經濟還需要運用一系列的清潔技術。經濟發展嚴格遵循自然客觀規律。一方面要嚴格按自然生態系統的規律辦事，不損害自然生態系統。另一方面又要求給予自然生態系統積極的回報，以不斷優化自然生態系統。還要求盡量利用可再生能源，以更好地節約自然資源，減少污染。

2.2 試驗過程

將加熱片溫度調至80 ℃，將配好的物料放入模具加料室中，通過沖模對模具凹模進行加壓，每次加壓持續10 s，加壓1 次后取出凸模繼續加料，重復上述步驟直到松散物料固化成型為致密柱棒。分別控制物料粒度、成型模具長徑比、成型溫度、原料含水率4 個單因素變量，進行150 組試驗。H為模具的長徑比，由于模具孔徑為15 mm，由長徑比為1.5∶1、3.0∶1、5.0∶1 可知X的取值為22.5、45.0、75.0 mm。

2.3 生物質燃料評價指標

本試驗以生物質成型顆粒的松弛密度作為評價指標，記錄不同試驗因素下生物質成型顆粒密度并得出最佳成型工藝及條件[14]。松弛密度即為所制成的生物質燃料顆粒隨時間推移其外層物料逐漸脫落最終并趨于穩定時的密度值。其計算依據是將燃料置于通風干燥的環境中存放，經10 天后測得燃料體積和質量，其質量與體積的比值即為原料的松弛密度[15]，如下式所示：

式中：

ρ——成型燃料松弛密度，g/cm3；

m——燃料稱取質量，g；

V——燃料體積，cm3；

d——直徑，cm；

l——成型燃料長度，cm。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

對不同成型工藝條件下所得成型燃料的松弛密度進行測定，試驗結果見表3。

表3 成型燃料松弛密度統計表 單位：g/cm3

3.2 結果分析

1）物料在含水率為16%、長徑比3.0∶1 的條件下成型溫度對顆粒成型特性的影響如圖6 所示。

圖6 溫度對顆粒成型特性影響

成型顆粒的密度隨溫度的升高而呈現出先增高后降低的趨勢。原料中富含的木質素、纖維素等成分易受溫度影響，對原料加熱到110 ℃時木質素會軟化，當溫度升高到160 ℃時所含木質素融化，軟化后木質素將會富有一定的粘性從而促進粒子間結合，并且在分子內部蛋白質受熱變性后分子結構被破壞，使其更易受分子引力的吸引從而形成致密的生物質原料。

溫度過低時木質素未軟化粘結度較低，并且物料與模具摩擦系數增加，阻力增大使成型壓力增加從而導致機器能耗增大甚至造成物料堵塞無法成型。

溫度過高時會導致破壞蛋白質及其它分子結構，使其失去粘接特性，過高的溫度也會使原料內部水分快速蒸發，從而不能及時排除出現爆鳴聲造成燃料表面裂紋增加甚至無法成型。

2）物料在110 ℃、長徑比3.0∶1 的條件下含水率對顆粒成型特性的影響如圖7 所示。

圖7 含水率對顆粒成型特性影響

成型顆粒的密度隨含水率的升高而呈現出先增高后降低的趨勢。原料中所含水分在成型時傳導熱量和壓力并起粘接和潤滑作用從而增強分子內部的粘接作用[16]，在擠壓成型的過程中水分在原料間流動，減少粒子摩擦力從而有助于粒子滑動和嵌合[17]。

含水率過少時成型模具與原料之間的摩擦阻力增大，增加了成型壓力提高了機器能耗，并且含水率低時粒子在成型過程中得不到充分延展使其結合不夠緊密導致質量下降。

含水率過多時由于摩擦或者模具溫度升高從而產生過量的水蒸氣，導致原料顆粒間距離增大從而影響熱量傳遞，降低顆粒間粘接力。過量的水蒸氣無法排出時可能會造成燃料表面粗糙產生裂紋甚至在機器內部產生爆鳴聲[18]。

3）物料在110 ℃、含水率為16%條件下模具長徑比對成型顆粒成型特性的影響如圖8 所示。

圖8 模具長徑比對顆粒成型特性影響

從圖8 可以看出長徑比為3.0∶1 時成型顆粒密度最大，密度隨長徑比呈現先增高后減小的趨勢。一般來說成型模具長徑比增大，模具對生物質原料所施阻力也增大，其致密成型所需壓力也逐漸增大。如果長徑比過大時會造成原料堵塞在模具內無法擠出，如果長徑比過小時物料在模具內的保壓時間不夠，會在被擠出模具時物料膨脹回彈，從而導致密度減小無法致密成型。

4）原料顆粒度對成型的影響。上述試驗可知，核桃物料取3 mm 左右的粒度較5 mm 的物料成型致密效果更好。一般情況下顆粒度較大的原料其壓縮困難致密效果不太理想[19]。顆粒度越小在其擠壓成型時變形和延伸率也逐漸增大，流變性和填充性則更好從而更易成型[20]，原料越大時成型所需的能耗也越高并且成型塊的質量也會有降低[21]，因此在實際生產時要確定適宜的顆粒度大小。

4 結論

控制單一變量，在其他參數一定的情況下，以表面松弛密度作為評價標準，在物料粒度為3 mm、溫度為110 ℃、模具長徑比為3.0∶1、含水率為16%時，加工成型的核桃殼燃料粒度品質最好，密度最高。試驗生成的生物質顆粒燃料如圖9 所示。

圖9 生物質顆粒燃料

本文設計了生物質顆粒成型機，并通過試驗研究了將山核桃蒲殼制成生物質燃料的最適工藝參數，為臨安山核桃蒲殼廢棄物的再利用提供了一種有效途徑，不僅可以提高農林廢棄物的利用率，減少環境污染，還可為全國實現碳達峰、碳中和目標作出貢獻。但試驗并未測定其制成后核桃蒲殼生物質燃料的熱值以及燃燒效率，同時默認文中核桃蒲殼原料都是褪去“青衣”外殼的干核桃，這是本文研究的不足之處。下一步將研究帶“青衣”皮以及“青衣”皮與干核桃殼混合制備的工藝及參數，并測量其燃燒熱值及效率。