1.4.1生物質(zhì)致密成型理論研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)初，生物質(zhì)顆粒燃料致密成型燃料技術(shù)開始有了發(fā)展，美國(guó)人對(duì)其成型機(jī)理進(jìn)行探討研制出了螺旋擠壓式成型機(jī)。20世紀(jì)50年代日本引進(jìn)國(guó)外成型技術(shù)，經(jīng)過(guò)研究改進(jìn)后，制造出了棒狀燃料成型機(jī)，并應(yīng)用于生產(chǎn)發(fā)展成日本致密成型燃料工業(yè)體系。到了80年代，日本對(duì)生物質(zhì)致密成型技術(shù)進(jìn)行了研討，對(duì)成型機(jī)擠壓模模具的尺寸與結(jié)構(gòu)、壓縮時(shí)的溫度、壓縮物料的含水率、原料的尺寸大小以及壓縮過(guò)程中的能耗等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，大大改進(jìn)了致密成型設(shè)備。1984年日本的成型燃料生產(chǎn)廠家達(dá)172家，生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)總量達(dá)2.6x 105噸。
德國(guó)的Rumpf針對(duì)不同材料的擠壓致密成型，研究了成型產(chǎn)品內(nèi)部的粘結(jié)方式和粘結(jié)力類型并進(jìn)行了分類；在對(duì)生物質(zhì)致密成型燃料的研究中J.A.Lindley認(rèn)為，雖然成型顆粒燃料的密度和強(qiáng)度受溫度、壓力、含水量、添加劑等因素影響，但是生物質(zhì)成型燃料內(nèi)部的成型機(jī)制都可以用粘結(jié)力和粘結(jié)類型來(lái)解釋。國(guó)內(nèi)盛奎川、吳杰等人對(duì)生物質(zhì)秸稈原料在擠壓成型模具內(nèi)的流變規(guī)律以及受力進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)玉米秸稈粉粒體的致密成型過(guò)程從微觀的角度進(jìn)行了粒子結(jié)構(gòu)的分析。
我國(guó)于20世紀(jì)80年代開始發(fā)展致密成型燃料技術(shù)，當(dāng)時(shí)主要從國(guó)外引進(jìn)致密成型設(shè)備和技術(shù)。隨后，我國(guó)研究人員針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，采納國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，對(duì)致密成型技術(shù)進(jìn)行探討研究，使致密成型燃料技術(shù)得到更快的發(fā)展。
董玉平、申樹云等人通過(guò)對(duì)生物質(zhì)原料在致密成型過(guò)程中的非線性變形情況分析，推導(dǎo)了在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下環(huán)模的彈塑性本構(gòu)方程，同時(shí)考慮了環(huán)模的熱應(yīng)變及彈、塑性應(yīng)變等影響因素。
姜洋研究了影響成型燃料密度的三個(gè)因素，環(huán)模壓縮比、生物質(zhì)原料種類和原料含水率。給出了致密成型過(guò)程中原料含水率、玉米秸稈尺寸、壓力與成型產(chǎn)品密度之間的關(guān)系，總結(jié)了在較低能耗情況下的致密成型燃料成型條件。
趙東用計(jì)算機(jī)對(duì)生物質(zhì)原料在杯型模具成型過(guò)程進(jìn)行了模擬。該文通過(guò)ANSYS有限元程序分析了生物質(zhì)物料擠壓模具時(shí)的狀態(tài)，得到摩擦力一位移關(guān)系，確定了物料在模具中的流變規(guī)律以及模具的應(yīng)變分布，并探討了模具錐度、摩擦系數(shù)等因素對(duì)物料擠壓成型的影響。
回彩娟分析了不同生物質(zhì)原料的常溫高壓成型壓塊密度對(duì)抗?jié)B水性的影響，總結(jié)出了成型壓力與成形塊的承載能力的關(guān)系。應(yīng)用非線性彈塑性理論，建立本構(gòu)方程，對(duì)生物質(zhì)常溫高壓致密成型機(jī)理進(jìn)行研究。
盛奎川對(duì)碎棉花秸稈進(jìn)行致密成型試驗(yàn)。試驗(yàn)研究了壓力、棉花秸稈尺寸和溫度三個(gè)因素對(duì)壓塊機(jī)工作效率以及成型松弛塊密度的影響，得到了在初始密度和壓力相同的條件下，常溫壓縮比高溫壓縮的松弛比大，在初始密度和溫度相同條件下，壓力增大，松弛比相應(yīng)減小。
恩和對(duì)環(huán)模粗飼料壓塊機(jī)行了分析研究，介紹了壓塊機(jī)的工作原理，研究了環(huán)模的開孔率、環(huán)模的轉(zhuǎn)速、壓輪直徑、環(huán)模的直徑等對(duì)壓塊的成型率、成型壓力的形成、產(chǎn)品密度的影響，給出了環(huán)模轉(zhuǎn)速與成型率、成型孔的長(zhǎng)度與密度、成型壓力與密度之間的關(guān)系。
1.4.2-生物質(zhì)致密成型技術(shù)研究現(xiàn)狀
1)致密成型方式
致密成型方式可根據(jù)有沒(méi)有堵頭分為“開式”壓縮和“閉式”壓縮。“開式”壓縮是指將物料連續(xù)不斷的喂入沒(méi)有堵頭的模具內(nèi)進(jìn)行壓縮，它是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，是克服物料與模具之間摩擦阻力下，把物料擠出并成型的過(guò)程。在壓縮過(guò)程中，每加一次物料都影響到前面的物料的擠壓，其成型阻力主要是模具壁與物料之間的摩擦阻力、變形阻力及物料之間的相對(duì)移動(dòng)等。由于開式模具沒(méi)有堵頭，成型阻力與閉式壓縮差異較大。“閉式”壓縮是指將物料放入有封閉堵頭的模具內(nèi)的進(jìn)行致密成型，達(dá)到一定密度后取出，每壓完一次物料都得拿出來(lái)成品，然后裝入新物料進(jìn)行再次壓縮，致密成型后的產(chǎn)品在模具內(nèi)不移動(dòng)，這個(gè)過(guò)程是不連續(xù)的。每次擠壓過(guò)程互不影響，每次的成型產(chǎn)品質(zhì)量也不一，成型阻力主要來(lái)自于模具壁與物料之間的摩擦阻力、變形阻力、模具堵頭阻力及物料之間的相互移動(dòng)等。目前，國(guó)內(nèi)主要進(jìn)行“開式”壓縮致密成型技術(shù)研究，旨在探索一般工程應(yīng)用的壓縮致密成型規(guī)律。“開式”壓縮和“閉式”壓縮的方式有所不同，但都對(duì)致密成型技術(shù)的進(jìn)一步提高起到推進(jìn)作用。
2)致密成型工藝
生物質(zhì)秸稈致密成型工藝可分為不同的類型，根據(jù)對(duì)原料是否預(yù)處理可分為濕壓成型和干態(tài)成型；根據(jù)對(duì)物料是否加熱可分為熱壓成型和常溫壓縮成型。就目前而言，我國(guó)應(yīng)用比較廣泛的生物質(zhì)致密成型工藝主要分為常溫壓縮成型和熱壓成型兩種方式。
①常溫壓縮成型
生物質(zhì)秸稈常溫壓縮成型工藝是指，在常溫下將粉碎后的生物質(zhì)秸稈原料利用壓塊成型機(jī)擠壓成塊狀成型燃料的過(guò)程。其成型機(jī)理是在一定原料含水率和壓力條件下，靠物料與模具之間的摩擦熱使物料中的木質(zhì)素軟化和粘合，進(jìn)而致密成型。
②熱壓成型
熱壓成型工藝主要包括原料粉碎、加熱物料（模具）、壓縮致密成型三個(gè)過(guò)程。它分為兩種成型方式，非預(yù)熱熱壓成型和預(yù)熱熱壓成型。非預(yù)熱熱壓成型是給模具外部加熱，通過(guò)模具將熱量傳遞給物料，使物料溫度升高；預(yù)熱熱壓成型是原料進(jìn)入成型機(jī)模具之前經(jīng)過(guò)預(yù)熱處理。
3)致密成型設(shè)備
目前，生物質(zhì)致密成型設(shè)備有很多不足之處，比如對(duì)物料的適應(yīng)性差，能耗大等，有待于對(duì)其進(jìn)行工藝參數(shù)的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)改進(jìn)。
我國(guó)應(yīng)用的秸稈致密成型設(shè)備主要有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和壓輥式成型機(jī)三種。
①螺旋擠壓式成型機(jī)是研發(fā)應(yīng)用最早的成型機(jī)，成型部件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1.2所示。它是靠外部電阻絲加熱，維持成型套筒溫度在150～300℃之間，由于熱量傳遞以致生物質(zhì)中纖維素和木質(zhì)素軟化，能夠使生物質(zhì)很好的粘結(jié)在一起。物料經(jīng)過(guò)螺桿擠壓推進(jìn)，進(jìn)而致密為成型燃料。螺旋擠壓式成型機(jī)具有運(yùn)行穩(wěn)定、成型燃料燃燒值高、可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但是它在致密成型過(guò)程中對(duì)物料的尺寸大小、物料的，含水率以及螺桿的推進(jìn)速度要求比較嚴(yán)格，成型工藝不好控制；還有就是單位生產(chǎn)率相對(duì)較低，單位產(chǎn)品能耗高，并且成型部件螺桿磨損嚴(yán)重，使用壽命短。
②活塞沖壓式成型機(jī)如圖1-3所示。它主要有部件活塞和套筒，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力的不同分為液壓式成型機(jī)和機(jī)械式成型機(jī)。活塞沖壓式成型機(jī)主要用于生產(chǎn)棒狀或塊狀成型品，主要靠摩擦生熱，一般不需要外部加熱，這種機(jī)型是靠活塞的運(yùn)動(dòng)擠壓使物料致密成型。在實(shí)際的生產(chǎn)中主要用的是液壓式活塞沖壓成型機(jī)，靠液壓油缸提供動(dòng)力使物料致密成型。它有使用壽命長(zhǎng)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但也存在機(jī)器噪音大、運(yùn)行穩(wěn)定性差、潤(rùn)滑油污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。
③壓輥式成型機(jī)。分為平模成型機(jī)如下圖14所示和環(huán)模成型機(jī)如下圖1-5所不。
壓輥式壓塊成型機(jī)的主要由壓輪和壓模組成。壓模上設(shè)計(jì)有成型孔，是被擠壓物料成型的模具，壓輪外周表面加工比較粗糙，以增加摩擦力便于將物料壓入模孔，壓輪可繞自己的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
壓輥式壓塊機(jī)的工作原理是：物料在壓輪的作用下，被擠入成型孔內(nèi)克服物料和模孔壁之間的摩擦阻力，然后被擠出成型，受重力的影響，壓出的成型燃料自動(dòng)斷裂。壓輥式壓塊成型機(jī)按照結(jié)構(gòu)不同，可分為平模式壓塊機(jī)和環(huán)模式壓塊機(jī)。由于壓輥式成型機(jī)能耗低、產(chǎn)量大、適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中被大量的采用。
我國(guó)學(xué)者對(duì)壓塊機(jī)在生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了探討和分析，改進(jìn)了設(shè)備的關(guān)鍵部件，研究并開發(fā)了適合我國(guó)使用的致密成型設(shè)備。
遼寧省能源研究所、中國(guó)農(nóng)機(jī)院能源動(dòng)力所、江蘇東海縣糧食機(jī)械廠、河北正定常宏木炭設(shè)備制造廠等10余家單位研究和開發(fā)了生物質(zhì)成型燃料設(shè)備。
三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售的顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的生物質(zhì)顆粒燃料出售。
