生物燃料環模制粒機應用現狀與改進思路

陳鳳

（無錫商業職業技術學院機電技術學院，江蘇無錫214153）

0 引言

我國大約有15%~30%的秸稈被就地焚燒，秸稈焚燒污染環境，影響人身健康，容易引發火災，但由于直接焚燒處理成本低，能增加土地肥力，所以屢禁不止。如能將秸稈固化成型,加工形成新型燃料，就能成為一種清潔的可再生能源——生物燃料。生物燃料每2 t的熱值就相當于1 t標準煤。生物質的再生利用過程中，排放的CO2與生物質生長時吸收的CO2達到碳平衡，具有CO2零排放的作用，生物燃料含硫量也只有煤的1/3。生物燃料被喻為即時利用的綠色煤炭，具有熱值高、污染小、便于儲存和運輸等優點，是生物質能利用的重要發展方向之一。

生物質燃料一般是由經過粉碎的固體生物質經干燥和粉碎后，在一定溫度與壓力作用下，壓制成的具有一定形狀的密度較大的新型清潔燃料。通過成型機的壓縮形成圓柱狀的固體燃料，直徑一般不大于25 mm，常見的直徑有6、8、10 mm。顆粒狀生物燃料由于體積小，均勻度高，燃燒充分，便于自動化運輸和燃燒，廣泛用于工業鍋爐、民用取暖鍋爐等的燃料，生物質顆粒燃料如圖1所示。顆粒型生物燃料是目前使用較廣泛的生物燃料，國內外生物質顆粒燃料總產量逐年增加，2008年全世界生物質顆粒燃料總產量達1160萬t[1]。顆粒狀生物燃料成型設備也是目前生物成型設備研究的重點。

圖1 生物質顆粒燃料樣品

1 生物燃料制粒機的研究及產業現狀

從20世紀80年代起，我國開始致力于生物質固體成型燃料技術的研究[1]。農業部規劃設計研究院的孟海波、田宜水等[2-6]進行了生物固體成型燃料加工設備及生產線的設計及研究，并參與制訂生物質固體成型燃料標準體系；沈陽農業大學的高微[7]就生物質顆粒燃料制粒機進行了數字化設計及實驗研究，得出含水率等因素對成型率、顆粒密度和抗跌強度的影響；山東大學的吳云玉[8]用有限元分析法對生物燃料制粒機環模疲勞壽命進行了分析；南京理工大學的蔣清海[9]對生物質制粒機環模磨損機理分析，得出環模磨損失效原因有磨粒磨損、疲勞磨損和拋光磨損等。國內高校及研究所[10-18]對生物質成型設備的研究日漸深入，大致分為3個方向：一是對環模或平模制粒機關鍵部件進行力學或有限元分析，進行結構及參數優化；二是研究關鍵部件磨損或疲勞機理，進而研究解決壓輥和環模損耗嚴重的問題；三是分析生物燃料或設備應用情況或市場化分析。這些研究為國產生物質制粒機設計及優化提供了理論依據、數據支持。但由于大多研究成果都是基于某種物料條件下進行的試驗研究得到的數據或優化結果，并進行了較多的理想化和簡化，因此研究數據及優化具有一定片面性，對實踐應用的指導性也有限。

國外制粒成型技術發展較早，技術較為成熟，像瑞典的 Sweden Power Chippers、美國的 Bliss Industry Inc.、CPM、德國的SALMATEC研發的制粒機適應性和自動化程度很高，達到規?；蜕唐坊珒r格較高，是國內同等生產能力設備的5~10倍。國內生產的生物環模成型機處于商業化初期，穩定性及可靠性不佳，性能及適應性較差，耗能大，磨損較嚴重。制粒機生產企業主要集中在江蘇溧陽等地區，如江蘇牧羊集團和江蘇正昌集團。農業部規劃設計研究院自主研發了環模顆粒成型機，并建立了年產1萬t的生物質固體成型燃料生產線。

2 環模制粒機結構及成型原理

目前，國內生物燃料環模制粒機型大多是由飼料制粒成型設備改造而得，環模制粒機進行飼料及食品制粒時表現出效率高、制粒質量好等優點。用于生物質成型時存在環模、壓輥磨損嚴重、耗能高等很多問題。

環模制粒機關鍵部件如圖2所示，環模制粒機制粒部分采用環形壓模和與其相配的圓柱形壓輥為主要工作部件。物料進入到環模和壓輥之間，環模由電動機通過減速器帶動回轉，安裝于環模內的2只壓輥在模輥間的物料及其間的摩擦力作用下只自轉不公轉，由于環模、壓輥的旋轉將物料帶入擠壓，最后成條柱狀從?？字斜贿B續擠出來，形成顆粒狀物料。圖3為某型生物燃料制粒機關鍵部件實物圖。

圖2 環模制粒機關鍵部件示意圖

圖3 SZLH400型制粒機關鍵部件實物圖

3 生物燃料制粒機關鍵部件受力情況分析

本文以某一型號生物燃料制粒機為例，分析制粒機關鍵部件受力情況。SZLH400生物燃料制粒機主要技術參數如表1所示。

SZLH400生物燃料制粒機配套電動機相關參數如表2所示。

表1 制粒機主要技術參數

表2 電動機參數

表3 各軸動力參數

計算減速器各個軸功率、轉速及轉矩，如表3所示。

其中0軸為電動機軸，Ⅰ軸是齒輪傳動軸，為高速軸，Ⅱ軸為環模制粒機主軸。計算壓輥和環模間相互作用力。

環模轉動所需的轉矩由電動機帶動，與環模剛性連接的聯軸器轉動提供。單位時間（如1 min內）電動機主軸做功為

式中，P為電動機主軸功率，kW。

環模轉動所需的能量為

式中：Meh為電動機主軸給環模提供的轉動外力偶矩，N·m；θ為環模1 min內轉過角度，rad；n為環模轉速，r/min。

由功能原理W=E，得環模轉動所需的外力偶矩Meh為

壓輥自轉所需的驅動力Q是在環模帶動內表面上物料一起轉動時，物料因受壓輥的擠壓作用的反作用力在壓輥表面產生的摩擦力。同時，物料與環模間也存在摩擦力Q′，Q′=Q。

對環模進行受力分析，可得

式中，R為環模半徑，mm。

由式（3）和式（4），并結合 Q′=Q得，

同時，物料與壓輥間的摩擦力Q是由壓輥和物料間的壓力 F′引起的，Q可表示為

式中，f為物料與壓輥之間的摩擦因數，取值范圍為0.35～0.4。

壓輥對環模的擠壓力F等于物料和環模間的擠壓力F′，即F′=F，由式（5）和式（6）得

本例中的制粒機主軸功率P=84.68 kW，主軸轉速n=126.5 r/min，環模內半徑為200 mm，物料與壓輥之間的摩擦因數f取0.38，代入式（7）得

壓輥半徑r為103 mm，使壓輥產生自轉的外力矩Meg=Qr=f·F·r=0.38×21.033×1000×0.103=823.23 N·m。

壓輥在擠壓區可視為純滾動，將壓輥和環模間的擠壓力近似為線性均布荷載。壓輥軸向長度B為96 mm，可得壓輥作用在環模上的軸向單位長度上的擠壓力Fd。

上式表明，壓輥作用在環模軸向單位長度上的擠壓力Fd與電動機功率P成正比，與摩擦因數 f、環模轉速n和環模半徑R均成反比。

4 生物燃料制粒機改進思路

4.1 改善承載能力

生產實際中，由于喂料不均勻、物料中的硬質雜質被擠壓等因素，環模及支承軸承除受較大交變載荷外，還受到一定的沖擊。軸承磨損和失效會加劇環模磨損和失效。因此改善軸承的承載能力，是延長制粒機可靠性和壽命的措施。

壓輥軸不轉，通過軸承與空心環模軸聯接，軸承載荷最大的極限情況是，一輥載荷達到最大，另一輥不受載，即一輥所受的力為F，另一輥所受力為零。SZLH400型制粒機主軸受力如圖4所示，代入之前的參數和受力計算軸承基本額定壽命為

式中：L10h為基本額定壽命，h；C為基本額定動載荷，N，對于向心軸承為徑向基本額定動載荷，C=Cr；P為當量動載荷，N，考慮沖擊時P=Pd；n為轉速，r/min；ε為壽命指數，滾子軸承ε=10/3。

如將現采用的SKF23022cc軸承替換為承載能力更高的SKF24122，分別出計算軸承基本額定壽命。得出，在承載情況不變的情況下，如改用SKF24122軸承，軸承理想壽命提高4倍以上。

圖4 主軸受力分布情況示意圖

4.2 減低環模轉速

環模轉速直接影響到擠壓區內的料層厚度及物料通過?？椎臅r間，進而影響制粒機產量和顆粒質量。線速度過高時，有可能使擠壓區內的物料形成斷層，制粒不連續，制出的顆粒松軟，粉料多，而且對于水分含量較高的物料還易打滑，甚至根本不能制粒；較低的環模線速度雖然制出的顆粒質量好，但會一定程度降低產量。

制粒產量與轉速并非正反比關系，存在最佳轉速范圍并同時獲得較好產量；最佳環模轉速受環模尺寸、物料特性、開孔率及開孔尺寸等很多因素影響。如SZLH400型生物燃料制粒機通過試驗，并參考其他制粒機型效果，推算環模線轉速在120~140 r/min左右，制粒質量較好，并且生產效率損失不大。而且減低環模轉速，對軸承壽命的影響是積極的。

4.3 改進均料器

根據生物質制粒機的實際磨損情況分析，環模沿喂料方向的磨損并不均勻，靠近喂料口一側磨損嚴重，主要由于物料從喂料口進入，還未及時經刮料板刮平，就進入壓輥和環模間進行壓制成型，導致進料口側的物料較厚，加劇了這一區域環模的磨損[8]。因此改進刮板位置及結構，可以一定程度改善環模磨損不均勻的情況，防止環模和壓輥出現偏磨過早失效。

4.4 改善物料狀態，減少雜質

生物質粉料流動性差、成型壓縮比高等是生物質環模制粒機損耗嚴重、壽命較短的主要原因，物料中的雜質較多是環模模口模粒磨損的主要原因。目前投入生產的生物燃料制粒設備或流水線大多在制粒前沒有設置除鐵渣和石子的環節，致使物料硬質雜質多，造成環模孔口塑性變形，加劇環模磨損或開裂。

5 結論

我國可用于成型的秸稈量約2億t，可實際加工成生物燃料的秸稈量不足80萬t，并存在生物燃料供不應求，但生物燃料生產企業仍較難盈利的情況，迫切需要國家給予資金引導和政策扶持。生物燃料成型設備需要逐步完善現有技術，實現生產規?；?、產業化，形成完善的供、產、銷鏈條。進行突破性技術革新，集中攻克設備核心技術，有效降低生物燃料成型成本，提高生物成型技術的可靠性和經濟性。

本文分析了生物燃料制粒機發展現狀與產業現狀等，基于某企業SZLH400型生物燃料制粒機，進行環模壓輥受力分析，得出壓輥和環模相互作用力的影響因素。并提出針對改善壓輥和環模磨損的措施。企業采納了環模降速和更換主軸軸承的改進意見，并進行樣機的生產和試驗，證明降低環模轉速在提高環模耐用度上效果顯著。

[1]歐陽雙平,侯書林,趙立欣,等.生物質固體成型燃料環模成型技術研究進展[J].可再生能源,2011,29(1):14-18.

[2]姚宗路,田宜水,孟海波,等,生物固體成型燃料加工生產線及配套設備[J].農業工程學報,2010,26(9):280-285.

[3]崔明,趙立欣,田宜水,等.中國主要農作物秸稈資源能源化利用分析評價[J].農業工程學報,2008,24(12):291-296.

[4]龐利沙,田宜水,侯書林,等.生物質顆粒成型設備發展現狀與展望[J].農機化研究,2012,34(9):237-241.

[5]田宜水,趙立欣,孟海波,等.中國生物質固體成型燃料標準體系的研究[J].可再生能源,2010,28(1):1-5.

[6]趙立欣,孟海波,姚宗路,等.中國生物質固體成型燃料技術和產業[J].中國工程科學,2011,13(2):78-82.

[7]高微.生物質制粒燃料制粒機數字化設計及試驗研究[D].沈陽:沈陽農業大學,2012.

[8]吳云玉.基于生物質固體成型機理研究的環模疲勞壽命分析[D].濟南:山東大學,2010.

[9]蔣清海,武凱,孫宇,等.生物質制粒機環模的磨損機理分析[J].農業工程學報,2013,29(22):42-49.

[10]彭飛,王紅英,楊潔,等.基于ANSYS的顆粒飼料擠壓過程仿真分析[J].飼料工業,2014,35(7):8-12.

[11]譚季秋,劉軍安,朱培立,等.稻草秸稈壓縮研究及制粒機械設計[J].湖南工程學院學報(自然科學版),2012,22(1):30-33.

[12]桑廣偉,苗健.對環模制粒機軸承的分析[J].飼料工業,2009,30(3):4-5.

[13]高微,李成華,劉慶玉,等.環模燃料制粒機結構設計及仿真研究[J].沈陽農業大學學報,2014,45(4):491-494.

[14]張煒,吳勁鋒.環模制粒機中環模結構型孔的有限元分析[J].中國農機化學報,2009(2):83-85.

[15]胡建軍.秸稈顆粒燃料冷態壓縮成型實驗研究及數值模擬[D].大連:大連理工大學,2008.

[16]朱濱峰,苗健,陳震.制粒環模的分析與研究[J].飼料工業,2009,30(11):1-3.

[17]叢宏斌,趙立欣,姚宗路,等.生物質環模制粒機產能與能耗分析[J].農業機械學報,2013,44(11):144-149.

[18]陶嗣巍,劉顯雙,趙東.壓縮狀態下玉米秸稈粉粒體大變形有限元分析[J]農業工程學報,2013,29(20):199-205.