生物質(zhì)顆粒成型影響因素分析

王美美++王詠梅++韓文清

摘 要：生物質(zhì)顆粒作為生物質(zhì)能源的重要利用形式，研究其成型過(guò)程中的影響因素有著重要意義。本文主要從原料、過(guò)程、設(shè)備三方面研究分析了影響生物質(zhì)顆粒固態(tài)成型的因素，及其對(duì)顆粒質(zhì)量系數(shù)（PQF）和顆粒耐久性指數(shù)（PDI）等指標(biāo)的影響，各因素間的作用是相互關(guān)聯(lián)的，其中設(shè)備孔型參數(shù)是分析研究的重點(diǎn)因素，是顆粒成型設(shè)備研究開(kāi)發(fā)進(jìn)行的前期基礎(chǔ)研究。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì) 固態(tài)成型 成型因素 顆粒質(zhì)量系數(shù) 耐久性指數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK4；S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）09（b）-0237-03

Abstract： Biomass particle is an important form of biomass energy， the study on the key factors in the process of pelletization is significant. This paper studied and analyzed Granulating molding factors and the influence on the particle quality factor（PQF）， The pellet durability index（PDI）， it was studied form three aspects of raw material， pelletization process and equipment. The effect of factors was interact， the equipment of hole pattern parameter was significant factors， was also research basis of pellet equipment development.

Key Words： Biomass； Pelletization； Granulating molding factor； Particle Quality Factor（PQF）； Particle Durability Index（PDI）

在全球高速發(fā)展的今天，生產(chǎn)生活對(duì)能源的依賴(lài)程度越來(lái)越高，能源已成為制約國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基本物質(zhì)。石化能源作為一次能源，因儲(chǔ)量有限不能再生趨于枯竭，而引起全球各國(guó)的高度重視。生物質(zhì)能源作為可再生資源，在石化替代能源中占有重要地位[1]。開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能源不僅能夠補(bǔ)充石化能源的短缺，還可產(chǎn)生重大的環(huán)境效益。將松散的生物質(zhì)原料經(jīng)固態(tài)成型技術(shù)轉(zhuǎn)化為顆粒燃料是生物質(zhì)能源的一種高效簡(jiǎn)單實(shí)用的利用形式。我國(guó)有著豐富的生物質(zhì)資源，對(duì)開(kāi)發(fā)生物質(zhì)能的利用技術(shù)提供了廣泛的原料保證。雖然我國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域研究開(kāi)發(fā)起步晚，但隨著市場(chǎng)及環(huán)境需求日益增高，研究生物質(zhì)顆粒燃料的成型因素，對(duì)開(kāi)發(fā)推進(jìn)我國(guó)生物質(zhì)固化成型技術(shù)及其設(shè)備的規(guī)模化起到很大的促進(jìn)作用。

生物質(zhì)顆粒成型的過(guò)程，實(shí)際為生物質(zhì)中的部分物質(zhì)發(fā)生塑變相互嵌合并伴有有機(jī)物的軟化膠合的物化過(guò)程。這一過(guò)程以物理變化為主體，化學(xué)變化為輔助，受到了原料成分、原料粒度、原料濕度、成型溫度、物料層厚、擠壓速度、擠壓壓強(qiáng)及成型型孔參數(shù)等多方面影響[2-3]。

1 原料因素

1.1 原料成分

由于原料一般是由幾種不同成分組成，而不同成分對(duì)顆粒固化成型的影響是不同的。有些成分如生物質(zhì)中的蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等，在一定壓力或溫度下發(fā)生軟化、塑變從而形成具有膠合性質(zhì)的有機(jī)質(zhì)，有些成分如木屑中的纖維素、生物垃圾中的無(wú)機(jī)顆粒等等，是不易分解或者裂解，在顆粒成型過(guò)程中象分散劑一樣阻礙了顆粒成型，而生物質(zhì)原料中大部分物質(zhì)不是很容易分解或軟化的。原料成分是影響顆粒耐久性指數(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PDI）的主要因素。原料成分對(duì)PDI的影響，在各種影響因素中所占的比例約為40%左右[4]。原料中的各種成分對(duì)整個(gè)PDI的貢獻(xiàn)率是不同的，根據(jù)不同物質(zhì)對(duì)PDI的貢獻(xiàn)率大小不同，把一些常用的原料給出不同的顆粒質(zhì)量系數(shù)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PQF）見(jiàn)表1[5]。PQF越大的原料，制出的顆粒越緊密，PDI越高，反之則越低。如膨潤(rùn)土、木質(zhì)素等，其PQF較高，一般可作為粘結(jié)劑來(lái)使用，如酸性油等，其PQF值為-40，這是由于油脂類(lèi)原料組分很多，從而在微粒間相互產(chǎn)生油膜，而油膜的存在導(dǎo)致了微粒的分散隔離，而使得制出的顆粒不能有效結(jié)合，越是松散，則顆粒的PDI越低。當(dāng)原料中各成分的顆粒質(zhì)量系數(shù)加權(quán)和>4.7能獲得較好的顆粒質(zhì)量，見(jiàn)式（1）：

（1）

式中：PQ為顆粒質(zhì)量因子，PQ>4.7時(shí)顆粒能獲得較好的質(zhì)量；PQFi為第i種成分的顆粒質(zhì)量系數(shù)；Fi為第i種成分在原料中的權(quán)重（%）。

1.2 原料粒度

粒度越細(xì)，粒子的表面積越大，粒子之間越容易結(jié)合，同時(shí)混合調(diào)質(zhì)時(shí)更容易吸收熱量和水份，生物質(zhì)的軟化糊化度越好，從而使得制出的顆粒越密實(shí)光滑，不易發(fā)生開(kāi)裂和細(xì)粉。然而粒度越細(xì)小，粉碎工序能耗就越高，故而也不過(guò)分追求較小的粒度[6]。原料粒度的均勻性也很重要，粉碎后的原料中不能有過(guò)大的顆粒，過(guò)大的顆粒不容易和其它原料結(jié)合，影響混合調(diào)質(zhì)均勻性，制粒后顆粒表面易產(chǎn)生凸凹不平的現(xiàn)象，且在大顆粒周?chē)菀桩a(chǎn)生輻射式裂紋，造成顆粒易破損。從制粒角度來(lái)講，原料粒度越細(xì)小，制粒強(qiáng)度高，但不宜調(diào)節(jié)濕度，易于結(jié)團(tuán)粘結(jié)，且原料粉碎過(guò)細(xì)，造成粉碎能耗過(guò)高；粒度過(guò)粗，型孔進(jìn)入困難，增加?？准皦狠伒哪p，制粒成形困難，尤其是小孔徑模具成形更難，并造成物料軟化糊化效果差，導(dǎo)致物耗高、產(chǎn)量低、產(chǎn)出顆粒含粉率高。因此，原料粒度一般為顆粒直徑的1/2～2/3或粉碎控制時(shí)采用于半顆粒直徑的篩板，最大不宜>10mm。這樣就能避免粉碎能耗過(guò)大，又保證了加濕混合調(diào)質(zhì)所需的粒度，利于減少顆粒的含粉率。另外應(yīng)注重制粒前的混合均勻度，使混合均勻度變異系數(shù)達(dá)到5%左右，將給后面制粒工序奠定良好基礎(chǔ)。endprint

1.3 原料濕度

在生物質(zhì)原料中化合水和自由水起到潤(rùn)滑劑的作用，使粒子間的內(nèi)摩擦減小，流動(dòng)性增強(qiáng)，從而促進(jìn)粒子間的結(jié)合，而且由于水解作用及生物質(zhì)的吸水軟化增進(jìn)了塑變粘合化作用，合適的濕度可促進(jìn)顆粒的成型，一般不同的原料適用濕度不盡相同，宜受溫度成分等影響，大部分原料的濕度為8%～15%，但也有個(gè)別物料的濕度要求較高，如柚木木屑甚至達(dá)到50%等，不常見(jiàn)的原料最好進(jìn)行測(cè)試，以保證顆粒效果。對(duì)于濕度過(guò)大的原料在進(jìn)行制粒前必須經(jīng)過(guò)處理降低水份，通常采用烘干工藝處理[7-8]。

2 過(guò)程因素

2.1 成型溫度

生物質(zhì)成型的過(guò)程主要就是部分有機(jī)成分在一定的溫度和壓力下軟化塑變粘合成型的過(guò)程，所以成型溫度是生物質(zhì)顆粒成型的重要影響因素[9]。一般來(lái)說(shuō)，生物質(zhì)中的有機(jī)成分開(kāi)始軟化的溫度為70℃～80℃，大約160℃時(shí)塑變粘合，而到240℃時(shí)部分有機(jī)成分開(kāi)始液化。所以當(dāng)成型時(shí)的溫度達(dá)到60℃時(shí)，原料開(kāi)始軟化，流動(dòng)性提高，隨著溫度的升高，物料運(yùn)動(dòng)阻力越來(lái)越小，成型阻力也隨之降低。據(jù)測(cè)定常溫成型與熱態(tài)成型的壓力相差近2倍。但也不是溫度越高越好，溫度過(guò)高會(huì)造成生物質(zhì)碳化，不利于成型，且由于這種碳化的不均勻和不可控，將會(huì)影響顆粒品質(zhì)及熱值。

2.2 物料層厚

物料進(jìn)入擠壓區(qū)，使得壓輥與模具間形成一個(gè)間隙，這一間隙就是物料層厚。物料層厚是物料進(jìn)入擠壓區(qū)前的一個(gè)預(yù)處理階段，這時(shí)壓輥對(duì)料層中的物料有一個(gè)預(yù)壓縮力。對(duì)于不同?？字睆降某尚湍＞邅?lái)說(shuō)，一般壓制小直徑的顆粒選用較小的間隙，壓制較大直徑的顆粒選用較大的間隙。

物料層厚不僅與成品顆粒直徑有關(guān)，還影響著制粒過(guò)程的功耗，相同條件下不同物料層厚會(huì)導(dǎo)致擠壓力的變化，物料層厚過(guò)小時(shí)，擠壓力小，進(jìn)入?？字械奈锪弦采?，生產(chǎn)率低，甚至造成物料進(jìn)入模孔過(guò)少而形不成擠壓，不能生產(chǎn)出顆粒；物料層厚過(guò)大時(shí)，擠壓力急速提升，物料進(jìn)入?？琢窟^(guò)大，造成顆粒過(guò)于致密出料困難，功率加大，甚至造成過(guò)載引發(fā)設(shè)備故障。圖1顯示了物料層厚對(duì)擠壓力的影響。其中B為合理物料層厚，A為過(guò)大狀態(tài)下的物料層厚，C為過(guò)薄的物料層厚。物料所受擠壓力為壓輥與物料接觸的垂直分力，也就是式（2）：

（2）

式中：M為與垂線呈角時(shí)壓輥上的法向擠壓力；F為作用于物料的正向擠壓力；n為壓輥上擠壓區(qū)上的n點(diǎn)（如K、T、S）與壓輥中心連線和垂線的夾角。

從圖1中可以清楚地看出，料層厚度為A時(shí)的擠壓力F由于擠壓區(qū)長(zhǎng)，從而導(dǎo)致擠壓力大幅上升，而C區(qū)的擠壓力又過(guò)小。故而合理的物料層厚是高效生產(chǎn)的保障。

3 設(shè)備因素

3.1 擠壓速度

擠壓速度直接影響著物料在模孔中的停留時(shí)間。物料在?？字型Ａ魰r(shí)間對(duì)成型質(zhì)量有很大的影響，當(dāng)物料在?？字惺軘D壓的時(shí)間較短，單位產(chǎn)量消耗的功率就較少，但易造成生產(chǎn)顆粒壓實(shí)度不夠；而物料在模孔中停留時(shí)間越長(zhǎng)，受擠壓的時(shí)間就越長(zhǎng)，顆粒的組織就越致密，顆粒質(zhì)量就得到提高，但相對(duì)的單位能耗也上升了；當(dāng)物料在模孔中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，壓縮過(guò)于致密造成摩擦加劇，移動(dòng)困難，相應(yīng)也會(huì)出現(xiàn)過(guò)熱導(dǎo)致的顆粒炭化甚至模孔被壓實(shí)而停機(jī)停產(chǎn)。擠壓速度受壓輥轉(zhuǎn)速、壓輥直徑等影響，合理的擠壓速度是設(shè)備連續(xù)作業(yè)和使用較低能耗的保證。

3.2 擠壓強(qiáng)度

擠壓強(qiáng)度即物料所受到的物理擠壓力，這是顆粒致密程度的主要因素[10]。只有在較高的擠壓強(qiáng)度下，才能使得原料中的部分生物質(zhì)發(fā)生軟化，并且在較高的擠壓強(qiáng)度下產(chǎn)生的摩擦熱也促進(jìn)了原料中部分成分的塑化及粘合作用，從而使得顆粒膠合成型。當(dāng)擠壓強(qiáng)度不足時(shí)，原料得不到有效擠壓，顆粒不能成型；而擠壓強(qiáng)度過(guò)大又會(huì)加劇模具的磨損，不利于成本的控制。

3.3 成型型孔參數(shù)

成型型孔參數(shù)是一個(gè)綜合因素，受到原料成分、原料粒度、擠壓速度、擠壓強(qiáng)度等多方面的制約，又反過(guò)來(lái)影響著這些因素，綜合影響顆粒成型的過(guò)程。如型孔參數(shù)中的壓縮比，較大的壓縮比提高了擠壓強(qiáng)度，降低了擠壓速度，對(duì)于原料顆粒質(zhì)量因子較低的物料有促進(jìn)作用；型孔參數(shù)中的入口形式則影響著原料進(jìn)入到型孔的數(shù)量及速度，并影響著物料層厚的變化。

經(jīng)過(guò)前期的試驗(yàn)研究，已經(jīng)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)生物質(zhì)顆粒成型模具的孔型數(shù)據(jù)有了一定的積累，為成型理論的完善奠定了基礎(chǔ)。目前，對(duì)制造顆粒的模盤(pán)，根據(jù)不同的原料配比，一般根據(jù)需要的成型孔徑φ，選擇適當(dāng)?shù)南禂?shù)來(lái)確定模盤(pán)的盤(pán)厚H、錐口D、錐深h。

盤(pán)厚H：H=αφ

盤(pán)厚系數(shù)α：飼料盤(pán)取3.0～3.7；

燃料盤(pán)取3.5～4.25。

錐口D：D=βφ

錐口系數(shù)β：飼料盤(pán)取1.0～1.5；

燃料盤(pán)取1.3～1.7。

錐深h：h=γφ

錐深系數(shù)γ：飼料盤(pán)取0.7～1.0；

燃料盤(pán)取0.4～0.6。

針對(duì)不同的原料，對(duì)制粒設(shè)備成型孔成型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以得到成型制粒效果優(yōu)、單位生產(chǎn)耗能低的顆粒，利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)利潤(rùn)擴(kuò)大化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了顆粒成型的主要影響因素，這些因素對(duì)顆粒成型的影響是多方面的，原料成分和濕度含量直接決定了制粒成型效果，對(duì)于濕度高的原料必須進(jìn)行降低水份含量的處理，否則不能成型制粒；制粒過(guò)程是一個(gè)相對(duì)嚴(yán)格的控制過(guò)程，溫度、層厚不能超過(guò)要求范圍否則也不能正常出粒；而設(shè)備因素更是一個(gè)復(fù)雜的綜合因素，其中型孔參數(shù)的選擇調(diào)整可以改善調(diào)整其他因素的作用。良好的型孔成型參數(shù)對(duì)原料的適用范圍廣，生產(chǎn)過(guò)程單位能耗也低，而且顆粒成型質(zhì)量好。通過(guò)對(duì)成型設(shè)備和型孔參數(shù)的優(yōu)化及改進(jìn)，能夠有效地提高顆粒質(zhì)量及產(chǎn)量，并促進(jìn)生物質(zhì)顆粒應(yīng)用及推廣。

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