在全球能源危机下，替代能源发展研究是各国日益紧迫的事情，国内在此方面的发展稍落后其他发达国家，木质制粒技术在我国发展较晚。因而木质制粒技术开始成为能源危机下的新替代能源品种发展的又一项关键技术，这对研究木质制粒工艺、设备等技术具有重要的意义。国外对于木质制粒技术的研究主要集中在工艺分析与制粒设备试验研究；国内对于木质制粒技术的研究尚处在起步阶段，主要集中在制粒产品技术的消化吸收及改进设计，多数设备及制粒工艺均属泊来品，不具备完全自主研究水平，各种数据非常薄弱。从制粒物料及技术看，国外的物质制粒技术开展较早，数据相对比较齐全，制粒设备性能优异；国内的制粒技术起步较晚，数据缺失严重、制粒设备比较单一，性能与国外先进水平有一定的差距，而且由于机理分析少，试验数据少，设计缺乏相应的支撑。针对上述问题，本文将以有产品为基础，通过机理分析与数值分析对制粒设备的结构进行优化计算，并通过试验进行验证，最终提高生产率、提高产品品质。具体研究内容包括： (1)木质原料的组成和特性； (2)目前木质颗粒加工研究及应用现状； (3)木质颗粒加工技术试验研究。 木质制粒设备及工艺配套设备，主要由木屑颗粒机、秸秆压块机、调质器、熟化器、干燥器、冷却器、破碎机、分级筛和料仓活化装置等组成，根据木质材料的不同而进行配置。 自商品挤压式颗粒机至今，制粒机的制造技术和成形理论得到了飞速发展，使用制粒机生产颗粒饲料及化工塑料已得到普及，但木质纤维制粒技术起步稍晚于以上行业。目前常用的木质颗粒压制机如同饲料颗粒机一样有环模制粒机、平模制粒机及压块机三种基本类型。环模制粒机主要由喂料器、调质器、颗粒制造器、调节机构及润滑系统组成。平模制粒机的工作过程与颗粒成型机理 按执行部件的运动状态分，平模制粒机有动辊式、动模式、模辊双动式三种，后两种常见于小型平模制粒机，较大机型一般用动辊式。按磨辊的形状分，又可以分为锥辊式和直辊式两种。直辊动辊式平模制粒机工作原理如图1所示：电动机通过减速箱驱动主轴，主轴带动磨辊，磨辊绕主轴公转的同时也绕磨辊轴自转。加工颗粒时，生物质原料被送入平模机的喂料室，在分料器和刮板的共同作用下均匀地铺在平模上，主轴带动的压辊连续不断地滚过料层，将物料挤压进入模孔，物料在模孔中经历成型、保型等过程，一定时间后以圆柱状态被挤出，旋转的切刀将物料切断，形成颗粒，由扫料板将颗粒送出。 生物质原料主要含有纤维素、半纤维素和木质素等物质，其平模机模辊间的成型机理如下：供料区内的物料在重力作用下紧贴在平模上，当压辊向前滚动，物料进入变形压紧区，这时因受到挤压，原料粒子不断进入粒子间的空隙内，间隙中的空气被排出，粒子间的相互位置不断更新，粒子间所有较大的空隙逐渐都被能进入的粒子占据。随着压辊继续滚动，被压实的原料进入挤压成型区，部分楔形区、模孔的锥孔部分和前半部分都属于挤压成型区，该区内，压力继续增加，粒子本身发生变形和塑性流动，在垂直于最大主应力的方向被延展，并继续充填周围较小的空隙，由于压辊和物料间的摩擦作用加剧而产生大量热量，导致原料中含有的木质素软化，粘合力增加，软化的木质素和生物质中固有的纤维素联合作用，使生物质逐渐成形，这时部分残余应力贮存于成型块内部，粒子结合牢固但不甚稳定。成型块在挤压作用下进入模孔的保型段，在该段不利于形状保持的残余应力被消除，颗粒被定型。 工艺过程与试验 平模机加工生物质颗粒基本工艺过程，生物质原料经过破碎和粉碎后进入干燥环节。水分合适的物料经混合调质后进入平模机制粒。从制粒机出来的颗粒经过冷却和筛分，得到成品，然后包装或者散装出厂。 生物质制粒的基本工艺步骤大体类似，然而由于原料的物性不同、成型机的工作原理不同，具体的工艺过程还是有所区别，对平模机制粒的关键工艺步骤具体介绍如下： 粉碎环节，平模机制粒时，原料粒径越小，粒子之间越容易互相充填、嵌合，因此制粒机的单位产量平均能耗就越小，平模和压辊等易损件的磨损速度也较慢，制成颗粒的抗渗水性和硬度等指标也越高，然而一味追求粒径的减小会使粉碎环节的能耗骤升，因此应当在满足平模制粒机加工要求的前提下，使粒径尽量大些。事实上，能够压制大粒径的原料是平模机的优势之一，一般对作物秸秆等原料，其最大颗粒外形尺寸要求小于2×2×30mm，而对于木质原料，则要求更严格一些。 干燥环节，干燥的主要目的是调节原料的含水率，使其稳定均一，适合制粒机加工，在制粒成型过程中，合适的水分一方面能够传递压辊的压力，另一方面能起到润滑剂的作用，辅助粒子互相填充，从而促进原料成型。但是含水率过大时，水分容易在颗粒之间形成隔离层，使得层间无法紧密结合，挤出的颗粒容易膨胀散开，不能成型，因此控制合适的原料含水率在加工过程中尤为重要。一般从自然界中收集的生物质原料含水率大部分分布在20-40%之间，高的能达到55%，平模制粒机加工生物质原料时，要求原料的水分在10-14%之间，当加工玉米秸秆一类含糖较多的原料时含水量可允许稍高。常规的干燥工艺一般用带式干燥器、滚筒干燥器、厢式干燥器等设备进行，然而不得不承认这一环节会耗费掉可观的能量。如今太阳能干燥技术已较为成熟，完全可以用太阳能温室配备以翻抛设备对生物质原料进行除湿，一般生物质原料的干燥，要求温度水平较低，大约在40-70c之间，这正好与太阳能利用领域中的低温利用相适应，与传统干燥工艺相比，可以大量节省常规能源，降低固定投资，经济效益显著。 制粒环节，干燥好的物料进入制粒环节，可以不用调质处理，直接加工。有条件的生产厂家可选配自动控制系统和模辊自动调隙装置。自动控制系统根据主机电流的变化调节喂料电机的变频器，从而实时调节喂料量，这能有效的避免堵机现象的发生。模辊自动调隙装置能采集模辊间隙数据，通过反馈、对比来控制液压系统，使间隙与设定值相一致，并能在生产过程中随时变化。一般而言，启动阶段，磨辊间隙应当尽量小些，这可以减小启动力矩，降低电机负荷。进入稳态工作后，磨辊间隙应当稍大，这可以增大压缩行程，得到坚硬光滑的颗粒。可以将间隙随时间变化的设置输入控制系统，启动后，机器可以自动调节模辊间隙。压辊和平模都是易磨损件，需要定期更换，压辊的服役期可以稍长一点，但最好能够和平模一起更换。一般，平模可以工作800-2000小时不等，这要视零件的材质和加工工艺而定。 利用以上工艺，2007年6月～8月，我们对中国农业机械化科学研究院畜禽机械研究所研制的PM60型平模制粒机进行了性能调研。其中部分试验数据如下.由试验结果知，PM60型平模制粒机适合加工锯末、锯末秸秆混合料等生物质原料，成型率在93%以上，吨电耗在55千瓦时以下，小时生产能力在800kg-900kg左右。 颗粒制造器主要由主电机、传动机构、转子、环模、压辊、刮刀、切刀组件及机身和门等组成。经调质器调质的物料，由旋转喂料锥和前板上两个偏转刮刀将料均匀地送入两个压辊与环模组成的压制区，通过环模和压辊两个相对旋转件对粉料逐渐挤压而挤入环模中成型，并不断向外端挤出，由切刀把成型颗粒切成需要的长度，最后成型颗粒排出机外。 国外典型的木质制粒机有：CPM公司木质颗粒压制机 CPM公司生产的木质颗粒压制机采用斜齿齿轮减速箱传动结构，齿轮减速箱可以通过手动换挡实现双速交换。环模采用三分式环模夹固定，装拆方便，配有自动循环润滑系统设备，使用更安全。结构见图1.6。 国内典型的木质制粒机以表，结构特点如下: 1．先进的双马达传动系统，运转更平稳、更安全、更可靠。 2．关键零部件进口，确保质量，使用寿命长，维护成本低。 3．液压压辊调节系统可使环境更换更加容易（可选择配备）； 4．合金结构钢锻造主轴，具有良好的强度和韧性； 5．机型设计独有的“快速配合”系统，可在几分钟内完成更换环境的工作，确保环模和压辊永远处于无偏差的正常运行状态； 6．适用于苜蓿草、秸杆、棉籽壳等比重较轻物料的制粒。 7．两项专利技术：采用经典独特的双马达分步骤传动结构，令传动力更大，传动更平稳； 8．国际质量标准制造、采用边频调速喂科，特种无堵塞的结构； 9．配有测速报警装置，运行更安全，更可靠； 10.配置多个液体喷头，可添加糖蜜、水等液体； 11.使用范围广，对物料的粉碎粒度要求低，特别适合压制纤维高、比重轻的牧草、秸杆等。转载请注明：河南省同创新能源秸秆压块机