1、環(huán)模秸稈成型技術
1.1環(huán)模秸稈成型顆粒機工作原理成型顆粒機工作原理：運料機構將處理后的秸稈物料送人成型腔內，環(huán)模帶動壓輥運動將秸稈壓人間隙之中。在高速壓縮過程中的摩擦生熱軟化木質素，使纖維分子互相緊密纏繞結合，秸稈體積顯著減小，在模孔中逐漸形成成型塊。在長度超過環(huán)模厚度時，被切刀切斷，得到秸稈成型燃料。1.2固化成型過程分析首先，依據成型過程中物料在環(huán)模孔內的狀態(tài)，將環(huán)模內劃分3個區(qū)域，分別為供料區(qū)、壓縮區(qū)和保形區(qū)。
(1)供料區(qū)。此區(qū)域內秸稈顆粒為松散狀態(tài)，密度較低。并未受到摩擦力影響。
(2)壓縮區(qū)。秸稈顆粒在此區(qū)間產生彈性形變，間隙逐漸縮小，帶來密度的增大，由于擠壓力不足所以尚未進入模孔內。
(3)保形區(qū)。秸稈克服模孔壁摩擦力而被壓進環(huán)模孔內。秸稈內部發(fā)生了彈性和塑性形變，粘性增強，不斷進入模孔的物料生成最終的成型塊。
在開始成型作業(yè)后，根據秸稈受力情況和所處位置，可將成型過程劃分3個階段：松散階段，壓緊階段和壓實階段。
(a)松散階段。在初始階段時，秸稈顆粒間有較大空隙。所以伴隨壓力的增加，物料壓縮量增長很快，兩者呈線性關系。
(b)壓緊階段。在此階段內，物料形變量增幅減弱，開始轉為填補內部粒子間隙的塑性形變階段，與壓力呈指數(shù)關系。
(c)壓實階段。此階段物料內部間隙也已被克服和占據，成型塊已經壓實，密度穩(wěn)定，達到一定長度后排出模孔。
2、成型顆粒機能耗影響因素和模具失效現(xiàn)象
2.1環(huán)模成型顆粒機能量消耗形式在衡量秸稈成型顆粒機的工藝和能耗時，比能耗是重要的性能參考指標。比能耗的定義為：一定單位時間內，生產單位質量的成型物所消耗的能量，與產物質量間的比值。其數(shù)學表達如下：
E=E1/M1
式中：E→比能耗，kWh/t；E1→單位時間內總能耗，kWh；M1→生成成型塊總重，t。
通過分析環(huán)模內不同分區(qū)工作過程可知，壓輥在模腔內持續(xù)勻速旋轉，但因為秸稈物料的層疊．壓縮過程受到的是間歇性載荷，并通過壓輥直接作用于主軸懸臂。由此帶來的振動和磨損消耗能量并逐漸導致構件疲勞，縮短成型顆粒機壽命。
由此可見，成型顆粒機成型過程中的能耗主要由2部分組成，即克服秸稈物料形變所需的能量，以及物料與成型各部件間的各種作用力所消耗的能量。其中物料與設備間的能量消耗包括原料秸稈進入模孔和成型塊出模的阻力。該部分阻力同時受設備結構運行參數(shù)和物料性質等2方面的影響。所以，需要從這2方面共同分析和研究，找到影響能耗的關鍵因素，并加以調控。
2.2模孔失效現(xiàn)象環(huán)模是秸稈成型顆粒機中磨損和消耗最嚴重的部件。正常使用時，磨損程度會不斷增大，當產物的成型率不足75%左右時，便不能滿足成型燃料基本品性要求，主要表現(xiàn)為成型物密度下降必須更換環(huán)模。環(huán)模的受力和摩擦主要發(fā)生在模孔，主要表現(xiàn)為以下幾種現(xiàn)象：
(1)經過長時間壓縮成型后，模孔內壁由于受物料的摩擦而產生磨損，孔壁厚度下降，造成環(huán)模強度下降，且孔徑增大，于是環(huán)模疲勞失效。
(2)模孔內壁受物料持續(xù)磨損后凹凸不平，致使成型塊出模受阻，生產率下降導致環(huán)模失效。
(3)環(huán)模孔邊緣倒角錐面受磨損，導致傾角減小，進料量減少，模孔內擠壓力降低導致成型物擠出量下降，模孔失效。
(4)模孔由于受循環(huán)應力和摩擦力的影響，在出現(xiàn)如(1)中所述的孔徑增大失效現(xiàn)象前，應力集中部位先產生疲勞損傷性裂紋，并不斷延伸擴大，導致突然性斷裂，發(fā)生疲勞破壞失效。
以上幾種失效現(xiàn)象的產生原因，首先是模具磨損，約占75%；其次是疲勞破壞，約占25%。所以減小磨損帶來的環(huán)模失效現(xiàn)象，是提高生產率和設備性能的關鍵。對磨損的研究不僅涉及原料的本質特性，且與設備具體工況有直接關系。所以，研究磨損規(guī)律，通過改良設備運行參數(shù)和原料性狀來控制和避免有害磨損，具有重要意義。
3、秸稈成型能耗優(yōu)化試驗
通過分析已知，在成型產物方面，密度是衡量其各方面品質的重要指標。在參考了壓塊類燃料的標準要求，和大量實際燃燒應用后，發(fā)現(xiàn)當成型塊密度在1.1～1.2g/cm3時，就能滿足成型塊本體的耐久性和致密性，保證較高的成型率和燃燒效率。所以試驗從含水率、壓縮比和環(huán)模轉速3個方面進行考察，研究最優(yōu)的密度和能耗的多因子控制參數(shù)。
3.1試驗方法試驗所采用的生物質原料為東北地區(qū)常見的玉米秸稈。選取適量的去根成熟秸稈，自然放置進行干燥處理。選出粒度范圍為3 -7 mm的秸稈顆粒，烘干，調制成6種含水率在12%～22%間的秸稈原料。選取模孔壓縮比在3.5 -6.5之間的環(huán)模作為模具。
3.2含水率對成型塊密度及比能耗的影響含水率為秸稈原料重要物理參數(shù)。不同含水率的物料對產物密度和比能耗的影響顯著（表1）。
表1 玉米秸稈不同含水率對產物成型密度及比能耗的影響
| 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 |
水分在成型過程中起到潤滑和減小摩擦的作用。含水率較低時，物料間缺乏潤滑，秸稈內部粒子粘結作用減弱，所需擠壓力增大，且成型物密度較低。同時，各環(huán)節(jié)機械摩擦增大，對環(huán)模尤其是模孔壁的損傷嚴重，加速模具失效，且能源消耗大；當含水率較高時，受壓力作用被擠出的水分仍分布于粒子層之間，使得結合仍不緊密，密度下降，產物成型率不高，比能耗隨之增大。當物料在18%含水率時，成型比能耗相比減少6.81%～29.02%，密度和能耗均最優(yōu)，故含水率18%為最優(yōu)控制參數(shù)。
3.3壓縮比對成型塊密度及比能耗的影響環(huán)模壓縮比是用來反映和調節(jié)成型顆粒機擠壓強度的參數(shù)。由表2可以看出，壓縮比較小時，產物密度不高，僅能滿足壓塊燃料基本要求，且比能耗偏高；隨著壓縮比的增大，密度升高，同時能耗降低，達到較好狀態(tài)；繼續(xù)增加壓縮比不會帶來密度的提升，而能耗則顯著增加。
表2 玉米秸稈不同壓縮比對產物成型密度及比能耗的影響
| 壓縮比 | 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環(huán)模轉速對成型塊密度及比能耗的影響環(huán)模轉速直接影響成型顆粒機能耗和產物出機速度。
表3 不同環(huán)模轉速對成型密度及比能耗的影響
| 轉速/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、結束語
試驗以玉米秸稈為原料，主要研究了原料含水率、環(huán)模壓縮比和轉速3個因素對成型產物密度和成型能耗的影響。從延長環(huán)模失效時間，節(jié)能降耗和提高產物質量的角度，對相關設備參數(shù)和原料性質進行了試驗分析，找到了成型顆粒機的最優(yōu)能耗多因子控制關鍵參數(shù)。得出在壓縮比為5.0，含水率為18%，環(huán)模轉速160r/min時，成型燃料在產物質量和致密能耗上均可達到較優(yōu)水平。該研究為固化成型理論的優(yōu)化和改進提供了合理的手段和方向，為規(guī)模化產業(yè)化應用奠定了基礎。
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