3、試驗結(jié)果及分析
3.1 含水率對成型率的影響
表1 麥秸含水率與成型率的關(guān)系
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含水率/% |
26 |
25 |
24 |
23 |
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成型率/% |
12.10 |
45.30 |
98.10 |
堵模 |
麥秸含水率與制塊成型率的關(guān)系如表1。試驗表明：“當(dāng)原料水分過高時，加熱過程中產(chǎn)生的蒸氣不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴(yán)重時產(chǎn)生爆鳴。但含水率太低，成型也很困難，這是因為微量水分對木素的軟化、塑化有促進(jìn)作用回。”根據(jù)粒子微觀結(jié)合模型分析認(rèn)為：在垂直于最大主應(yīng)力的方向上，粒子向四周延展，粒子間以相瓦嚙合的形式結(jié)合；在沿著最大主應(yīng)力的方向上，粒子變薄，成為薄片狀，粒子層之間以相互貼合的形式結(jié)合。當(dāng)植物材料中的含水量過低時，粒子得不到充分延展，與四周的粒子結(jié)合不夠緊密，所以不能成型；當(dāng)含水
率過高時，粒子盡管在垂直于最大主應(yīng)力方向上充分延展，粒子間能夠嚙合，但由于原料中較多的水分被擠出后，分布于粒子層之間，使得粒子層間不能緊密貼合，因而不能成型。從力學(xué)角度分析：物料在壓力作用下發(fā)生擠壓變形，在含水率過低時，相互之間和對模壁摩擦力較大，需要較大的擠壓力將秸稈塊從模孔中擠出，由于輥輪與模端間隙一定即壓力一定，所以當(dāng)摩擦力大于擠壓力時即發(fā)生堵模現(xiàn)象；當(dāng)物料含水率過高時，物料相互之間和對模壁摩擦力較小，所需擠壓力小，粒子層間貼合力小，出模后貼合面內(nèi)蒸氣對四周的壓力大于貼合力而爆散，物料不能成型。因此，秸稈料的含水率直接影響粒子的軟化延展、粒子間表面的粘結(jié)力、
顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)成型所需的擠壓力和塊對模壁的摩擦力，是影響秸稈成型卒的主要因素。
從試驗得出，機(jī)具制塊的適宜秸稈含水率為24%，成型率好，能正常工作；秸稈含水率高于25%。秸稈塊出模時部分或全部散開，不能正常作業(yè)；秸稈含水率低于23%，短期內(nèi)能正常出模，成型率高，但隨時間推移則出現(xiàn)模孔堵塞現(xiàn)象而不能工作。從表1看出，該機(jī)制塊作業(yè)時麥秸含水率與成型率的關(guān)系為反比關(guān)系，即成型率隨物料含水率的增加而降低，達(dá)到正常制塊作業(yè)且不堵模的平衡點在24%。從試驗情況看，該機(jī)能進(jìn)行麥秸制塊作業(yè)，但適宜含水率范圍太窄，人工較難控制。
3.2含水率對密度的影響
表2 麥秸含水率與制塊密度的關(guān)系
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含水率/% |
26 |
25 |
24 |
23 |
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平均密度/g·cm-3 |
1.073 |
1.115 |
1.214 |
1.373 |
麥秸含水率與制塊密度的關(guān)系見表2。從表2看出，該機(jī)制塊作業(yè)時麥秸含水率與制塊密度的關(guān)系亦為反比關(guān)系，即密度隨含水率的增加而降低。經(jīng)分析其原因是，物料含水率較高時，所需擠壓力小，粒子未得到充分延展，其內(nèi)部和相互間的空隙較大，加之部分蒸氣的存在，所以秸稈塊密度小；物料含水率較低時，所需擠壓力大，粒子得到了充分延展，其內(nèi)部和相互間的空隙較小，蒸氣少，所以秸稈塊密度大。試驗證明了對于麥秸稈類高纖維素含量的生物質(zhì)原料，成型難度較大，成型過程中對粒度、含水率等因素的適應(yīng)范圍較窄，需要的成型壓力也較大，成型率較低。通過試驗，該秸稈壓塊機(jī)麥秸稈制塊的塊密度適宜值約為1.2 g/m
3，成型率高，超過1.3 g/m
3就有可能堵模，低于1.1 g/cm
-3則麥秸不易成塊。
3.3制塊過程中水分的揮發(fā)
表3 不同含水率麥秸稈制塊過程中的水分揮發(fā)率%
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原料含水率/% |
26 |
25 |
24 |
23 |
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秸稈快含水率/% |
18.76 |
17.87 |
15.70 |
13.52 |
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水分揮發(fā)率/% |
27.85 |
30.52 |
34.58 |
41.22 |
了解物料在制塊過程中的水分揮發(fā)情況，對確定制塊物料的最佳含水率具有重要意義。不同含水率麥秸稈制塊過程中的水分揮發(fā)率見表3。從表3中看出，原料的含水率與制塊時的水分揮發(fā)率成反比，即水分揮發(fā)率隨原料含水率的提高而降低。這是因為在制塊過程中輥輪對物料的碾壓和物料對模孔的摩擦發(fā)熱，在模盤和料斗內(nèi)產(chǎn)生較高的溫度，物料的水分在制塊過程中被蒸發(fā)而致。制塊時原料水分揮發(fā)率與制塊密度和制塊時間有直接關(guān)系，當(dāng)原料含水率較高時，制塊密度小，所需擠壓力小，出模速度快，水分揮發(fā)少；原料含水率較低時，制塊密度大，所需壓力大，出模速度慢，水分揮發(fā)多。麥秸稈塊出模時含水率15.7%、水分揮發(fā)率35%左右為適宜，此時秸稈塊密度達(dá)1.2，成型率可達(dá)98%以上。
3.4秸稈塊中各級粒度比例
原料的粒度是影響制塊作業(yè)的另一大因素。多數(shù)農(nóng)作物秸稈在較低的壓力壓縮下，秸稈破裂，由于秸稈斷裂程度不同，形成規(guī)則和大小不一的大顆粒，在成型塊內(nèi)部產(chǎn)生了架橋現(xiàn)象，所以成型塊的松馳密度和耐久性都較低。粉碎的秸稈或鋸末，在壓力作用下，細(xì)小的顆粒互相之間容易發(fā)生緊密充填，其成型塊的密度和強(qiáng)度顯著提高閉。構(gòu)成成型塊的粒子越小，粒子間的充填程度就越高，接觸越緊密；當(dāng)粒子的粒度小到一定程度（幾百至幾微米）后，成型塊內(nèi)部的結(jié)合力方式和主次甚至也會發(fā)生變化，粒子間的分子引力、靜電應(yīng)力和液相附著力（毛細(xì)管力）開始上升為主導(dǎo)地位嘲。據(jù)河南省科學(xué)院能源研究所試驗，在麥秸稈含水率同為25%的情況下，用環(huán)模顆粒機(jī)成型，粒度2 mm的成型率為90.2%，而粒度8 mm的成型率僅為36.8%。
本次試驗表明，平模機(jī)對物料的碾碎功能較強(qiáng)，物料粒度較小，小于60目、30～60目、16。30目和大于16目的比例分別為26.66%、40.75%、21.02%和11.57%。物料粒度與含水率關(guān)系不大。本試驗一方面說明“粒度小的原料容易成型，粒度大的較難壓縮”；從另一方面說明，麥秸的制塊較難的問題，是麥秸難以粉碎，粒子彈性系數(shù)較高而不易被木質(zhì)素粘結(jié)的原因所致。
3.5溫度對麥秸制塊的影響
根據(jù)試驗觀察，制塊對機(jī)具溫度對作業(yè)質(zhì)量有很大關(guān)系。在常溫時，秸稈粒子中的木質(zhì)素未被軟化，粒子相互間的貼合力很小，不易壓制成塊。當(dāng)溫度達(dá)到75℃后，秸稈粒子中的木質(zhì)素被軟化，粘性加大，在受到一定的擠壓力后，粒子相互間的粘結(jié)力較大，容易壓制成塊。而當(dāng)高于100℃后，物料的水分揮發(fā)較快，可達(dá)到30%～40%，當(dāng)進(jìn)料含水率較低時會造成堵模；同時，由于模內(nèi)溫度較高，秸稈塊內(nèi)水分產(chǎn)生蒸氣高壓，含水率較高的物料在出模瞬間產(chǎn)生氣爆而破壞秸稈塊，使成形率下降。
4、結(jié)論
4.1秸稈料的含水率直接影響粒子的軟化延展、粒子間表面的粘結(jié)力、成型所需的擠壓力和秸稈塊對模壁的摩擦力，是影響秸稈成型率的主要因素。該機(jī)能進(jìn)行麥秸制塊作業(yè)，成型率隨物料含水率的增加而降低，適宜含水率為24%，范圍太窄，人工較難控制。
4.2該機(jī)麥秸制塊的密度隨含水率的增加而降低，原因是物料含水率較高時，所需擠壓力小，粒子未得到充分延展，其內(nèi)部和相互間的空隙較大，加之部分蒸氣的存在，所以秸稈塊密度小；物料含水率較低時，所需擠壓力大，粒子得到了充分延展，其內(nèi)部和相互間的空隙較小，蒸氣少，所以秸稈塊密度大。該機(jī)麥秸稈制塊的塊密度適宜值約為1.2g/cm
3，成型率高，超過1.3 g/cm
3就有可能堵模，低于1.1/g/cm
3則麥秸不易成塊。
4.3水分揮發(fā)率隨原料含水率的提高而降低，與制塊密度和制塊時間有直接關(guān)系，該機(jī)麥秸稈塊出模時含水率15.7%、水分揮發(fā)率35%左有為適宜。
4.4原料的粒度是影響制塊作業(yè)的另一大因素，試驗表明，平模機(jī)對物料的碾碎功能較強(qiáng)，物料粒度較小，能實現(xiàn)麥秸制塊作業(yè)，原料的粒度要小于10 mm，細(xì)碎后的粒子粒度小于16目的要占80%以上。
4.5 -定的溫度是保證麥秸中木質(zhì)素軟化黏度變高的必要條件，但由于機(jī)具摩擦發(fā)熱速度很快，當(dāng)溫度超過100℃后，秸稈中的水分產(chǎn)生蒸氣，影響粒子的貼合而出現(xiàn)爆裂現(xiàn)象。因此，應(yīng)將模具的溫度控制在100 攝氏度以內(nèi)，減少制塊時的水分蒸發(fā)，可適當(dāng)提高麥秸稈制塊的物料適宜含水率范同。
4.6壓塊機(jī)能進(jìn)行麥秸制塊作業(yè)，但對秸稈料要求高，制造廠應(yīng)重視配套設(shè)備的研究，針對麥秸稈的特殊情況，增設(shè)符合乎模制塊機(jī)粒度要求的粉碎機(jī)、秸稈含水率測定儀和噴水?dāng)嚢杵鞯龋纬烧咨a(chǎn)線，制訂作業(yè)技術(shù)規(guī)范，方便用戶使用和推廣。在制塊機(jī)改進(jìn)方面，要研究增設(shè)壓力可調(diào)裝置，對適宜含水率下限可有所突破；增設(shè)溫度調(diào)控裝置，可對適宜含水率上限有所突破。
三門峽富通新能源科技有限公司生產(chǎn)秸稈壓塊機(jī)、顆粒機(jī)、飼料顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備。
