3、试验结果及分析
3.1 含水率对成型率的影响
表1 麦秸含水率与成型率的关系
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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 |
麦秸含水率与制块成型率的关系如表1。试验表明：“当原料水分过高时，加热过程中产生的蒸气不能顺利地从燃料中心孔排出，造成表面开裂，严重时产生爆鸣。但含水率太低，成型也很困难，这是因为微量水分对木素的软化、塑化有促进作用回。”根据粒子微观结合模型分析认为：在垂直于最大主应力的方向上，粒子向四周延展，粒子间以相瓦啮合的形式结合；在沿着最大主应力的方向上，粒子变薄，成为薄片状，粒子层之间以相互贴合的形式结合。当植物材料中的含水量过低时，粒子得不到充分延展，与四周的粒子结合不够紧密，所以不能成型；当含水
率过高时，粒子尽管在垂直于最大主应力方向上充分延展，粒子间能够啮合，但由于原料中较多的水分被挤出后，分布于粒子层之间，使得粒子层间不能紧密贴合，因而不能成型。从力学角度分析：物料在压力作用下发生挤压变形，在含水率过低时，相互之间和对模壁摩擦力较大，需要较大的挤压力将秸秆块从模孔中挤出，由于辊轮与模端间隙一定即压力一定，所以当摩擦力大于挤压力时即发生堵模现象；当物料含水率过高时，物料相互之间和对模壁摩擦力较小，所需挤压力小，粒子层间贴合力小，出模后贴合面内蒸气对四周的压力大于贴合力而爆散，物料不能成型。因此，秸秆料的含水率直接影响粒子的软化延展、粒子间表面的粘结力、
颗粒机、
秸秆压块机成型所需的挤压力和块对模壁的摩擦力，是影响秸秆成型卒的主要因素。
从试验得出，机具制块的适宜秸秆含水率为24%，成型率好，能正常工作；秸秆含水率高于25%。秸秆块出模时部分或全部散开，不能正常作业；秸秆含水率低于23%，短期内能正常出模，成型率高，但随时间推移则出现模孔堵塞现象而不能工作。从表1看出，该机制块作业时麦秸含水率与成型率的关系为反比关系，即成型率随物料含水率的增加而降低，达到正常制块作业且不堵模的平衡点在24%。从试验情况看，该机能进行麦秸制块作业，但适宜含水率范围太窄，人工较难控制。
3.2含水率对密度的影响
表2 麦秸含水率与制块密度的关系
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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 |
麦秸含水率与制块密度的关系见表2。从表2看出，该机制块作业时麦秸含水率与制块密度的关系亦为反比关系，即密度随含水率的增加而降低。经分析其原因是，物料含水率较高时，所需挤压力小，粒子未得到充分延展，其内部和相互间的空隙较大，加之部分蒸气的存在，所以秸秆块密度小；物料含水率较低时，所需挤压力大，粒子得到了充分延展，其内部和相互间的空隙较小，蒸气少，所以秸秆块密度大。试验证明了对于麦秸秆类高纤维素含量的生物质原料，成型难度较大，成型过程中对粒度、含水率等因素的适应范围较窄，需要的成型压力也较大，成型率较低。通过试验，该秸秆压块机麦秸秆制块的块密度适宜值约为1.2 g/m
3，成型率高，超过1.3 g/m
3就有可能堵模，低于1.1 g/cm
-3则麦秸不易成块。
3.3制块过程中水分的挥发
表3 不同含水率麦秸秆制块过程中的水分挥发率%
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原料含水率/% |
26 |
25 |
24 |
23 |
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秸秆快含水率/% |
18.76 |
17.87 |
15.70 |
13.52 |
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水分挥发率/% |
27.85 |
30.52 |
34.58 |
41.22 |
了解物料在制块过程中的水分挥发情况，对确定制块物料的最佳含水率具有重要意义。不同含水率麦秸秆制块过程中的水分挥发率见表3。从表3中看出，原料的含水率与制块时的水分挥发率成反比，即水分挥发率随原料含水率的提高而降低。这是因为在制块过程中辊轮对物料的碾压和物料对模孔的摩擦发热，在模盘和料斗内产生较高的温度，物料的水分在制块过程中被蒸发而致。制块时原料水分挥发率与制块密度和制块时间有直接关系，当原料含水率较高时，制块密度小，所需挤压力小，出模速度快，水分挥发少；原料含水率较低时，制块密度大，所需压力大，出模速度慢，水分挥发多。麦秸秆块出模时含水率15.7%、水分挥发率35%左右为适宜，此时秸秆块密度达1.2，成型率可达98%以上。
3.4秸秆块中各级粒度比例
原料的粒度是影响制块作业的另一大因素。多数农作物秸秆在较低的压力压缩下，秸秆破裂，由于秸秆断裂程度不同，形成规则和大小不一的大颗粒，在成型块内部产生了架桥现象，所以成型块的松驰密度和耐久性都较低。粉碎的秸秆或锯末，在压力作用下，细小的颗粒互相之间容易发生紧密充填，其成型块的密度和强度显著提高闭。构成成型块的粒子越小，粒子间的充填程度就越高，接触越紧密；当粒子的粒度小到一定程度（几百至几微米）后，成型块内部的结合力方式和主次甚至也会发生变化，粒子间的分子引力、静电应力和液相附着力（毛细管力）开始上升为主导地位嘲。据河南省科学院能源研究所试验，在麦秸秆含水率同为25%的情况下，用环模颗粒机成型，粒度2 mm的成型率为90.2%，而粒度8 mm的成型率仅为36.8%。
本次试验表明，平模机对物料的碾碎功能较强，物料粒度较小，小于60目、30～60目、16。30目和大于16目的比例分别为26.66%、40.75%、21.02%和11.57%。物料粒度与含水率关系不大。本试验一方面说明“粒度小的原料容易成型，粒度大的较难压缩”；从另一方面说明，麦秸的制块较难的问题，是麦秸难以粉碎，粒子弹性系数较高而不易被木质素粘结的原因所致。
3.5温度对麦秸制块的影响
根据试验观察，制块对机具温度对作业质量有很大关系。在常温时，秸秆粒子中的木质素未被软化，粒子相互间的贴合力很小，不易压制成块。当温度达到75℃后，秸秆粒子中的木质素被软化，粘性加大，在受到一定的挤压力后，粒子相互间的粘结力较大，容易压制成块。而当高于100℃后，物料的水分挥发较快，可达到30%～40%，当进料含水率较低时会造成堵模；同时，由于模内温度较高，秸秆块内水分产生蒸气高压，含水率较高的物料在出模瞬间产生气爆而破坏秸秆块，使成形率下降。
4、结论
4.1秸秆料的含水率直接影响粒子的软化延展、粒子间表面的粘结力、成型所需的挤压力和秸秆块对模壁的摩擦力，是影响秸秆成型率的主要因素。该机能进行麦秸制块作业，成型率随物料含水率的增加而降低，适宜含水率为24%，范围太窄，人工较难控制。
4.2该机麦秸制块的密度随含水率的增加而降低，原因是物料含水率较高时，所需挤压力小，粒子未得到充分延展，其内部和相互间的空隙较大，加之部分蒸气的存在，所以秸秆块密度小；物料含水率较低时，所需挤压力大，粒子得到了充分延展，其内部和相互间的空隙较小，蒸气少，所以秸秆块密度大。该机麦秸秆制块的块密度适宜值约为1.2g/cm
3，成型率高，超过1.3 g/cm
3就有可能堵模，低于1.1/g/cm
3则麦秸不易成块。
4.3水分挥发率随原料含水率的提高而降低，与制块密度和制块时间有直接关系，该机麦秸秆块出模时含水率15.7%、水分挥发率35%左有为适宜。
4.4原料的粒度是影响制块作业的另一大因素，试验表明，平模机对物料的碾碎功能较强，物料粒度较小，能实现麦秸制块作业，原料的粒度要小于10 mm，细碎后的粒子粒度小于16目的要占80%以上。
4.5 -定的温度是保证麦秸中木质素软化黏度变高的必要条件，但由于机具摩擦发热速度很快，当温度超过100℃后，秸秆中的水分产生蒸气，影响粒子的贴合而出现爆裂现象。因此，应将模具的温度控制在100 摄氏度以内，减少制块时的水分蒸发，可适当提高麦秸秆制块的物料适宜含水率范同。
4.6压块机能进行麦秸制块作业，但对秸秆料要求高，制造厂应重视配套设备的研究，针对麦秸秆的特殊情况，增设符合乎模制块机粒度要求的粉碎机、秸秆含水率测定仪和喷水搅拌器等，形成整套生产线，制订作业技术规范，方便用户使用和推广。在制块机改进方面，要研究增设压力可调装置，对适宜含水率下限可有所突破；增设温度调控装置，可对适宜含水率上限有所突破。
三门峡富通新能源科技有限公司生产秸秆压块机、颗粒机、饲料颗粒机等生物质燃料饲料成型机械设备。
