1、环模秸秆成型技术
1.1环模秸秆成型颗粒机工作原理成型颗粒机工作原理：运料机构将处理后的秸秆物料送人成型腔内，环模带动压辊运动将秸秆压人间隙之中。在高速压缩过程中的摩擦生热软化木质素，使纤维分子互相紧密缠绕结合，秸秆体积显著减小，在模孔中逐渐形成成型块。在长度超过环模厚度时，被切刀切断，得到秸秆成型燃料。1.2固化成型过程分析首先，依据成型过程中物料在环模孔内的状态，将环模内划分3个区域，分别为供料区、压缩区和保形区。
(1)供料区。此区域内秸秆颗粒为松散状态，密度较低。并未受到摩擦力影响。
(2)压缩区。秸秆颗粒在此区间产生弹性形变，间隙逐渐缩小，带来密度的增大，由于挤压力不足所以尚未进入模孔内。
(3)保形区。秸秆克服模孔壁摩擦力而被压进环模孔内。秸秆内部发生了弹性和塑性形变，粘性增强，不断进入模孔的物料生成最终的成型块。
在开始成型作业后，根据秸秆受力情况和所处位置，可将成型过程划分3个阶段：松散阶段，压紧阶段和压实阶段。
(a)松散阶段。在初始阶段时，秸秆颗粒间有较大空隙。所以伴随压力的增加，物料压缩量增长很快，两者呈线性关系。
(b)压紧阶段。在此阶段内，物料形变量增幅减弱，开始转为填补内部粒子间隙的塑性形变阶段，与压力呈指数关系。
(c)压实阶段。此阶段物料内部间隙也已被克服和占据，成型块已经压实，密度稳定，达到一定长度后排出模孔。
2、成型颗粒机能耗影响因素和模具失效现象
2.1环模成型颗粒机能量消耗形式在衡量秸秆成型颗粒机的工艺和能耗时，比能耗是重要的性能参考指标。比能耗的定义为：一定单位时间内，生产单位质量的成型物所消耗的能量，与产物质量间的比值。其数学表达如下：
E=E1/M1
式中：E→比能耗，kWh/t；E1→单位时间内总能耗，kWh；M1→生成成型块总重，t。
通过分析环模内不同分区工作过程可知，压辊在模腔内持续匀速旋转，但因为秸秆物料的层叠．压缩过程受到的是间歇性载荷，并通过压辊直接作用于主轴悬臂。由此带来的振动和磨损消耗能量并逐渐导致构件疲劳，缩短成型颗粒机寿命。
由此可见，成型颗粒机成型过程中的能耗主要由2部分组成，即克服秸秆物料形变所需的能量，以及物料与成型各部件间的各种作用力所消耗的能量。其中物料与设备间的能量消耗包括原料秸秆进入模孔和成型块出模的阻力。该部分阻力同时受设备结构运行参数和物料性质等2方面的影响。所以，需要从这2方面共同分析和研究，找到影响能耗的关键因素，并加以调控。
2.2模孔失效现象环模是秸秆成型颗粒机中磨损和消耗最严重的部件。正常使用时，磨损程度会不断增大，当产物的成型率不足75%左右时，便不能满足成型燃料基本品性要求，主要表现为成型物密度下降必须更换环模。环模的受力和摩擦主要发生在模孔，主要表现为以下几种现象：
(1)经过长时间压缩成型后，模孔内壁由于受物料的摩擦而产生磨损，孔壁厚度下降，造成环模强度下降，且孔径增大，于是环模疲劳失效。
(2)模孔内壁受物料持续磨损后凹凸不平，致使成型块出模受阻，生产率下降导致环模失效。
(3)环模孔边缘倒角锥面受磨损，导致倾角减小，进料量减少，模孔内挤压力降低导致成型物挤出量下降，模孔失效。
(4)模孔由于受循环应力和摩擦力的影响，在出现如(1)中所述的孔径增大失效现象前，应力集中部位先产生疲劳损伤性裂纹，并不断延伸扩大，导致突然性断裂，发生疲劳破坏失效。
以上几种失效现象的产生原因，首先是模具磨损，约占75%；其次是疲劳破坏，约占25%。所以减小磨损带来的环模失效现象，是提高生产率和设备性能的关键。对磨损的研究不仅涉及原料的本质特性，且与设备具体工况有直接关系。所以，研究磨损规律，通过改良设备运行参数和原料性状来控制和避免有害磨损，具有重要意义。
3、秸秆成型能耗优化试验
通过分析已知，在成型产物方面，密度是衡量其各方面品质的重要指标。在参考了压块类燃料的标准要求，和大量实际燃烧应用后，发现当成型块密度在1.1～1.2g/cm3时，就能满足成型块本体的耐久性和致密性，保证较高的成型率和燃烧效率。所以试验从含水率、压缩比和环模转速3个方面进行考察，研究最优的密度和能耗的多因子控制参数。
3.1试验方法试验所采用的生物质原料为东北地区常见的玉米秸秆。选取适量的去根成熟秸秆，自然放置进行干燥处理。选出粒度范围为3 -7 mm的秸秆颗粒，烘干，调制成6种含水率在12%～22%间的秸秆原料。选取模孔压缩比在3.5 -6.5之间的环模作为模具。
3.2含水率对成型块密度及比能耗的影响含水率为秸秆原料重要物理参数。不同含水率的物料对产物密度和比能耗的影响显著（表1）。
表1 玉米秸秆不同含水率对产物成型密度及比能耗的影响
| 含水率/% | 密度/g/m3 | 比能耗/kwh/t |
| 12 | 0.92 | 69.35 |
| 14 | 1.05 | 60.72 |
| 16 | 1.08 | 52.83 |
| 18 | 1.19 | 49.23 |
| 20 | 1.15 | 54.41 |
| 22 | 1.06 | 64.80 |
水分在成型过程中起到润滑和减小摩擦的作用。含水率较低时，物料间缺乏润滑，秸秆内部粒子粘结作用减弱，所需挤压力增大，且成型物密度较低。同时，各环节机械摩擦增大，对环模尤其是模孔壁的损伤严重，加速模具失效，且能源消耗大；当含水率较高时，受压力作用被挤出的水分仍分布于粒子层之间，使得结合仍不紧密，密度下降，产物成型率不高，比能耗随之增大。当物料在18%含水率时，成型比能耗相比减少6.81%～29.02%，密度和能耗均最优，故含水率18%为最优控制参数。
3.3压缩比对成型块密度及比能耗的影响环模压缩比是用来反映和调节成型颗粒机挤压强度的参数。由表2可以看出，压缩比较小时，产物密度不高，仅能满足压块燃料基本要求，且比能耗偏高；随着压缩比的增大，密度升高，同时能耗降低，达到较好状态；继续增加压缩比不会带来密度的提升，而能耗则显著增加。
表2 玉米秸秆不同压缩比对产物成型密度及比能耗的影响
| 压缩比 | 密度/g/m3 | 比能耗/kwh/t |
| 3.5 | 0.94 | 55.35 |
| 4.0 | 1.05 | 53.66 |
| 4.5 | 1.13 | 50.86 |
| 5.0 | 1.18 | 47.55 |
| 5.5 | 1.20 | 51.30 |
| 6.0 | 1.19 | 59.85 |
| 6.5 | 1.20 | 68.52 |
3.4环模转速对成型块密度及比能耗的影响环模转速直接影响成型颗粒机能耗和产物出机速度。
表3 不同环模转速对成型密度及比能耗的影响
| 转速/r/min | 密度/g/m3 | 比能耗/kwh/t |
| 120 | 0.95 | 62.23 |
| 140 | 1.10 | 54.56 |
| 160 | 1.17 | 51.62 |
| 180 | 1.20 | 56.87 |
| 200 | 1.18 | 66.46 |
4、结束语
试验以玉米秸秆为原料，主要研究了原料含水率、环模压缩比和转速3个因素对成型产物密度和成型能耗的影响。从延长环模失效时间，节能降耗和提高产物质量的角度，对相关设备参数和原料性质进行了试验分析，找到了成型颗粒机的最优能耗多因子控制关键参数。得出在压缩比为5.0，含水率为18%，环模转速160r/min时，成型燃料在产物质量和致密能耗上均可达到较优水平。该研究为固化成型理论的优化和改进提供了合理的手段和方向，为规模化产业化应用奠定了基础。
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