生物質壓縮成型參數分析

王文明+丁廣文+高英敏

摘要：壓縮成型后的生物質既可以用作飼料，也可以用作燃料。本文介紹了生物質壓縮成型的加工方法及其各加工方法的特點，論述了生物質壓縮成型過程中主要影響參數對成型質量的影響作用，也指出了生物質壓縮成型過程中存在的問題及解決方向。

關鍵詞：生物質；壓縮；參數分析

基金項目：河北省高等學校科學技術研究重點項目——生物質壓縮成型參數分析及工程應用研究，項目編號：ZD2014095

中圖分類號： S216 文獻標識碼： A DOI編號： 10.14025/j.cnki.jlny.2017.06.061

中國生物質資源豐富，每年產生大批的農作物秸稈，主要有玉米秸稈、小麥秸稈、稻草、棉花稈和高粱稈[1]，除了豐富的草、灌木、水生植物資源外，每年還有大量的林業加工廢棄物產生[2]。這些生物質資源為生物質綜合利用提供了條件。生物質資源的特點是本身松散，不容易收集、儲存和運輸，也不容易直接利用，最有效的利用方法是對其進行壓縮成型處理。壓縮成型處理后的生物質體積可以大大減小而密度增大，將其壓縮成捆狀或塊狀，可以用作飼料使用，也可以當作燃料使用。

1 生物質壓縮成型方法

生物質壓縮成型有壓捆處理和壓塊處理兩種方式，是一種干儲方法，壓捆處理的物料密度相對較低，常用作飼料，物料經過切割晾曬后，使用方草捆壓捆機或圓捆壓捆機進行壓縮處理。壓塊處理的物料密度較高，其既可以用作飼料，也可以用作燃料，物料經過切割晾曬后，利用各種類型的壓塊機壓縮成型。無論是壓捆機還是壓塊機，其作用原理都是物料在機械壓縮力的作用下，讓物料通過壓縮室或通過模具型腔后壓縮成型。

2 生物質壓縮工作原理

物料在壓縮室內壓縮的作用原理圖見圖1。由曲軸帶動活塞在一個矩形截面的導向槽內移動，松散的物料從開口處喂入。當材料與活塞接觸并被向前推進時就被相對壓縮，進入壓縮室的材料達到所要求的密度時，物料克服相對于壓縮室的靜摩擦阻力，物料被推動向出口移動而被壓出壓縮室。

3 生物質壓縮成型的影響參數

生物質壓縮成型質量的影響參數較多，其成型機理也比較繁雜，國內外學者對壓縮成型的影響參數進行過大量的試驗研究，對于各參數的最優選擇并不一致，因為生物質的種類很多，壓縮時采用的方法也不盡相同。影響壓縮成型質量的主要參數包括以下幾個方面。

3.1物料品種

不同品種的物料，其壓縮時呈現的物料特點也不相同，物料的品種對壓縮后能得到的壓捆或壓塊的密度有影響，對壓縮設備的生產效率及其能量消耗也會產生影響。

3.2物料含水率

物料含水率也是生物質壓縮成型的主要影響參數，其和產品的密度和壓縮過程中所需的壓縮力有直接關系。如果物料的水分適宜則壓縮成型后質量將會得到改善，物料含水率如果不在要求的范圍之內則成型質量就得不到保證。有學者研究發現，在熱壓成型中，物料的水份含量過高會影響傳熱，使物料與模具之間的摩擦力增大；而含水量過低，會導致物料在壓縮過程中物料之間的抗壓強度加大，最終導致能量消耗增加。研究者研究還表明，當施加的壓力一定時，隨著物料含水量的增加，可以得到較大的物料壓縮密度。當要求的物料壓縮后的密度一定時，隨著含水率的增加，壓縮所需要的壓力也在增加。目前國內外對于物料含水率最佳值的研究還存在不同意見，主要是因為物料在壓縮時所用的壓縮方法及壓縮設備不相同造成的。

3.3物料的顆粒度

顆粒度越小的物料越容易被壓縮。有關研究者在對同顆粒度的物料進行壓縮試驗，結果表明，顆粒度越小，壓縮成型越容易，在小顆粒度條件下，這種傾向性表現得更加顯著。物料的顆粒度對物料壓縮時的生產效率也有較大影響，物料顆粒度越大，成型設備的能耗就越高，生產效率越低。物料的顆粒大小不均勻將導致成型制品質量的下降，使壓縮成型制品的表面出現裂紋，使其密度和強度降低。

3.4壓縮時的壓力與模具型式

生物質壓縮時，必須施加合適的壓力才能得到合適密度的壓縮塊。研究者曾經在試驗中研究模具直徑與壓縮所用的比能耗的關系，結果表明，隨著模具直徑的增大，當壓縮成型物料的密度一定時，壓縮所用的比能耗呈指數級下降[5]。有的研究者也用試驗研究模具直徑與壓縮所用比能耗的關系，得出結論，隨著模具直徑的減小，物料與模具壁的摩擦力減小，從而引起比能耗也隨之減小。國內壓縮成型用的模具多為圓柱體模具，使用錐形模和矩形模進行壓縮的相對較少。錐形模具的尺寸，如模具的錐度、長度和入口直徑都是影響壓縮質量的主要因素，因為其能引起物料壓縮過程中摩擦力和壓縮能的變化。學者研究發現，在用錐形模具壓縮成型時，模具的錐度對壓縮時物料的流動性有影響，模具錐角過大或過小都會影響壓縮質量。

3.5加工溫度

生物質在熱壓成型過程中，加工溫度對成型質量會產生重要影響，其對物料塊的質量和加工生產時的效率都有影響。研究者研究發現，熱壓成形時的加工溫度必須適宜，如果加工溫度太高，會造成模具的耐磨性降低，直接影響模具的使用壽命，影響壓縮成型質量。物料水分含量過高時，溫度過高容易產生高壓蒸汽，引起物料成型表面出現裂紋；如果加工溫度過低，尤其當模具直徑比較大時，熱量傳遞不到被壓縮物料的中心，就會影響最終的成型質量。有的研究者還發現，在其他壓縮條件相同時，如果不是熱壓成型，則不同的加工溫度不會影響加工質量的變化。

4結論

當前，國內外對生物質壓縮成型理論已經有了研究的積累，但能耗高、生產率低、關鍵部件磨損嚴重的問題在壓縮成型中仍比較突出，導致生物質壓縮產品前期投入和加工成本大，這也是制約生物質壓縮成型燃料、壓塊飼料等產品推廣應用的主要瓶頸。因此，進一步研究影響生物質壓縮成型質量的主要參數及各參數對壓縮質量的影響規律，為獲得高品質的生物質成型制品提供理論基礎具有重要意義。

參考文獻

[1]謝光輝，王曉玉，任蘭天.中國作物秸稈資源評估研究現狀[J].生物工程學報，2010，26（07）：855-863.

[2]劉祖軍，張大紅，米鋒，等.生物質成型燃燒產業發展前景分析[J].林業經濟，2010，（03）.

[3]Cz.卡那沃依斯基.收獲機械[M].北京：中國農業機械出版社，1983.

[4]北京農業工程大學.農業機械學（下冊）[M].北京：中國農業出版社，1999.

[5]卞兆娟，姚勇.秸稈壓塊成型的試驗研究[J].江蘇農機化，2011，（06）：30-32.