3、試驗結果及分析
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系如表1。試驗表明：“當原料水分過高時，加熱過程中產生的蒸氣不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴重時產生爆鳴。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、塑化有促進作用回。”根據粒子微觀結合模型分析認為：在垂直于最大主應力的方向上，粒子向四周延展，粒子間以相瓦嚙合的形式結合；在沿著最大主應力的方向上，粒子變薄，成為薄片狀，粒子層之間以相互貼合的形式結合。當植物材料中的含水量過低時，粒子得不到充分延展，與四周的粒子結合不夠緊密，所以不能成型；當含水
率過高時，粒子盡管在垂直于最大主應力方向上充分延展，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。從力學角度分析：物料在壓力作用下發生擠壓變形，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，所以當摩擦力大于擠壓力時即發生堵模現象；當物料含水率過高時，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、粒子間表面的粘結力、
顆粒機、
秸稈壓塊機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；秸稈含水率低于23%，短期內能正常出模，成型率高，但隨時間推移則出現模孔堵塞現象而不能工作。從表1看出，該機制塊作業時麥秸含水率與成型率的關系為反比關系，即成型率隨物料含水率的增加而降低，達到正常制塊作業且不堵模的平衡點在24%。從試驗情況看，該機能進行麥秸制塊作業，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系見表2。從表2看出，該機制塊作業時麥秸含水率與制塊密度的關系亦為反比關系，即密度隨含水率的增加而降低。經分析其原因是，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
表3 不同含水率麥秸稈制塊過程中的水分揮發率%
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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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水分揮發率/% |
27.85 |
30.52 |
34.58 |
41.22 |
了解物料在制塊過程中的水分揮發情況，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率成反比，即水分揮發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熱，在模盤和料斗內產生較高的溫度，物料的水分在制塊過程中被蒸發而致。制塊時原料水分揮發率與制塊密度和制塊時間有直接關系，當原料含水率較高時，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，水分揮發多。麥秸稈塊出模時含水率15.7%、水分揮發率35%左右為適宜，此時秸稈塊密度達1.2，成型率可達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的另一大因素。多數農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，形成規則和大小不一的大顆粒，在成型塊內部產生了架橋現象，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，細小的顆粒互相之間容易發生緊密充填，其成型塊的密度和強度顯著提高閉。構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；當粒子的粒度小到一定程度（幾百至幾微米）后，成型塊內部的結合力方式和主次甚至也會發生變化，粒子間的分子引力、靜電應力和液相附著力（毛細管力）開始上升為主導地位嘲。據河南省科學院能源研究所試驗，在麥秸稈含水率同為25%的情況下，用環模顆粒機成型，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，平模機對物料的碾碎功能較強，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，粒子彈性系數較高而不易被木質素粘結的原因所致。
3.5溫度對麥秸制塊的影響
根據試驗觀察，制塊對機具溫度對作業質量有很大關系。在常溫時，秸稈粒子中的木質素未被軟化，粒子相互間的貼合力很小，不易壓制成塊。當溫度達到75℃后，秸稈粒子中的木質素被軟化，粘性加大，在受到一定的擠壓力后，粒子相互間的粘結力較大，容易壓制成塊。而當高于100℃后，物料的水分揮發較快，可達到30%～40%，當進料含水率較低時會造成堵模；同時，由于模內溫度較高，秸稈塊內水分產生蒸氣高壓，含水率較高的物料在出模瞬間產生氣爆而破壞秸稈塊，使成形率下降。
4、結論
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。該機能進行麥秸制塊作業，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，其內部和相互間的空隙較小，蒸氣少，所以秸稈塊密度大。該機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系，該機麥秸稈塊出模時含水率15.7%、水分揮發率35%左有為適宜。
4.4原料的粒度是影響制塊作業的另一大因素，試驗表明，平模機對物料的碾碎功能較強，物料粒度較小，能實現麥秸制塊作業，原料的粒度要小于10 mm，細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素軟化黏度變高的必要條件，但由于機具摩擦發熱速度很快，當溫度超過100℃后，秸稈中的水分產生蒸氣，影響粒子的貼合而出現爆裂現象。因此，應將模具的溫度控制在100 攝氏度以內，減少制塊時的水分蒸發，可適當提高麥秸稈制塊的物料適宜含水率范同。
4.6壓塊機能進行麥秸制塊作業，但對秸稈料要求高，制造廠應重視配套設備的研究，針對麥秸稈的特殊情況，增設符合乎模制塊機粒度要求的粉碎機、秸稈含水率測定儀和噴水攪拌器等，形成整套生產線，制訂作業技術規范，方便用戶使用和推廣。在制塊機改進方面，要研究增設壓力可調裝置，對適宜含水率下限可有所突破；增設溫度調控裝置，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秸稈壓塊機、顆粒機、飼料顆粒機等生物質燃料飼料成型機械設備。
