目前，在生物质能利用的加料阶段，普遍出现料仓“搭桥”以及加料装置给料不畅等问题，这给后期的稳定生产带来不利影响。如何实现条状生物质秸秆的加料，是当前国际上众多生物质能开发利用研究机构和企业都面临的难题，30码期期必中生产销售秸秆颗粒机、秸秆压块机、木屑颗粒机等生物质颗粒燃料成型机械设备。
生物质秸秆的流动行为决定了加料装置所采用的技术路线，对于实现连续、稳定、安全运行具有重要影响。基于此，本文开展了对生物质秸秆流动行为的研究，主要考察了物料特性、料位高度、螺旋轴转速及运转方式对物料流动行为和出料速率的影响，研究结果为生物质加料装置的放大设计提供了依据。
1、物料、设备及方法
1.1物料
试验物料为产自于山东某地的棉秆，采用90s-1300型专用切碎机进行切碎。切割后的棉秆由3部分组成：一为杆径，其形状较单一，星柱状，直径在0~20mm之间，长度在2~18cm之间，大部分为3~6cm;=是棉皮，呈卷曲状，拉伸后长度在3～20cm之间，大部分相互交错，卷曲缠绕在一起；其余少数为破碎的棉秆，呈扁平状和粉状。具体尺寸分布如表1所示。
1.2设备
生物质秸秆加料实验装置如图1所示。主要组成部分有摆线针轮减速机、监视器、双节螺旋给料器、加料斗、变频调速器、链板输送机及称量装置。其中，螺旋经变速后调速范围为10～10r/min;双节螺旋给料器采用上下两级螺旋叶片，上级叶片直径500mm，节距300mm，每个叶片相隔100mm间断布置，下级叶片直径250mm，节距200mm，呈连续布置；加料斗圆柱段直径1000mm，圆锥段夹角33°；出口段采用尺寸为300mm×300mm方形出口。实验采用计量装置监测出料量，通过监视器来观察物料在料斗内的表观流动行为。
1.3方法
首先称取一定物料，放入料斗内，然后依次开启链板输送机和摆线针轮减速机，通过变频调速器调节螺旋转速，根据计量装置所测料重记录出料量，观察料斗内物料的运动情况和出料量的变化情况，分析影响出料速率和出料质量的各种因素。同时，按照不同的试验目的，改变原始料位高度及保持一定料位高度，观察不同情况下的物料流动行为及此时出料量的变化情况。
2、结果与讨论
2.1物料粒径及堆积高度对堆积密度的影响
生物质秸秆的堆积密度对物料本身的流动行为具有重要影响。实验证明：松散物料不易“搭桥”，湿度大的物料堆积密度大，易出现该情况，因此有必要先研究物料的堆积密度。
生物质秸秆的堆积密度变化范围大，影响因素多，不同粒径的物料堆积密度不同，同一粒径的物料在不同堆积高度下也会有不同的堆积密度。粒径越小，堆得越实，堆积密度越高，并且宽筛份较窄筛份物料堆积密度高。在一定总堆积高度下，物料的堆积密度随高度的增长而递减。而同一高度处的物料堆积密度随总堆积高度的增加而增加（如图2所示）。图2表明了堆积密度随堆积高度增加的变化规律，需要说明的是：此处堆积密度的测量点位子堆积物料最底部。从图中可以清楚的看出，堆积密度随堆积高度的增加而逐渐增大。如1m堆积高度下的堆积密度仅为89kg/m3，在Sm物料自身重力的作用下，堆积密度可达126 kg/m3，为1m堆积高度下的1.4倍。
2.2原始料位高度对出料速率的影响
不同物料量对应的物料高度不同，不同的物料高度具有不同的物料流动行为及出料速率。实验中，分别在加料斗内放置30、50、70kg的物料量，螺旋轴的转速始终保持在3r/min，方向为正方向，图3给出了出料量随时间发展的变化规律。实验结果表明，无论原始料位高低，出料均有一延时过程(约1min)，之后才正常出料，料位越高，延时越短，料位越低，延时越长。这主要是由于物料的自身流动性较差，需要依靠外力协助流动，自然堆放的物料不能填充至小直径螺旋叶片中。故当螺旋轴转动一定时间后，物料才开始进入螺旋叶片，从而逐渐出料。图中也表明，正常出料起始阶段，出料速率较快，随后逐渐趋缓，而且不同原始料位高度都表现为同一变化规律。
试验过程中，当料位降至锥段1/3处时，出料速率明显变缓，此时通过监视器观察到，表面物料中棉皮占了大多数，且基本上看不到细小的物料。这主要是由于物料在流动过程中，短小的物料从空隙中漏到加料斗下部，先排出了，剩下的主要是棉皮和尺寸较大的杆径。在多次试验中发现，料位高度降至锥段1/3时，已基本不出料。等完全不出料时发现，在螺旋叶片周围出现蜂窝状的一团物料，全由棉秆中的棉皮交错而成，这团物料随螺旋叶片的旋转而贴壁旋转，根本无法进入螺旋叶片。
2.3同一料位高度对出料速率的影响
不同料位高度对出料速率具有直接影响，保持同一料位高度时出料速率基本不变。试验中，在料斗内放入60kg物料，保持螺旋轴转速为1.5r/min，方向为反。当出料量为10kg时立即将物料重新加入料斗内，以维持原始料位，此时耗时7min，之后每当出料量为10kg时又重新加入，记录每次需要的时间，这样进行4次至最后全部放空物料，此时料位高度与出料速率的关系如图4所示。
由图4可见，维持60kg的原始储料量，出料速率基本相同，为1. 43kg/min，而且出料较均匀，但是当储料量减为50kg时，出料10kg需要消耗较长时间，尤其是最后10kg耗时达30min。之所以出现这种情况，主要是由于料位的自重对底层物料施加了一个作用力，同时借助螺旋叶片的作用力使物料出料，随着料位高度降低，这种作用力明显减少，故出料速率明显降低。另一个因素是，新加入的物料为小粒径物料，加入时处于整个物料的上层，但是由于螺旋叶片的转动促使物料翻动，小粒径物料在空隙中往下流动，破坏了大粒径物料的相互作用力，使其具有一定流动牲，破坏了“结拱”的形成。
2.4螺旋轴转速对出料速率的影响
由以上研究可知，当料位高度降低后，出料速率明显减小，此时可以通过调节螺旋转速来维持一定的出料速率。图5表示了螺旋轴转速与出料速率的关系，需要注意的是，实验中始终保持90kg的储料量，且螺旋转速为正。
从图中可以发现，螺旋转速与出料速率并不完全符合线性关系。刚开始，随着转速的提高，出料速率明显增加；随后，进一步增加转速时，出料速率增加缓慢。分析其原因，主要是由于生物质秸秆物料与常规的粒状颗粒相比，流动性较差，物料不能及时补充至转空的叶片空间，同时，物料在螺旋叶片之间本身的填充度较低。实验过程中也发现，过高的螺旋转速容易使料斗中间出现转空现象，物料完全静止在螺旋外围，从而严重影响出料质量。
2.5螺旋轴旋转方向对出料速率的影响
实验前，一直认为物料的流动主要靠螺旋叶片的向下挤压，故螺旋的转向一直为正方向，这样虽能出料，但出料并不均匀，时大肘小，而且叶片受到物料的反向作用力较大，常常破坏实验设备，当反转螺旋轴时，却发现出料更顺畅均匀，而且能全部出料，同时对设备的安全运行几乎没有影响。分析原因，主要是由于当反转螺旋时，叶片对物料施加的是向上的作用力，由于上层物料没有阻挡，物料可以自由运动，通过监视器观察也发现，反转时物料运动更剧烈，物料不断的被蓬松，完全破坏了物料之间的相互牵制力，使物料具有更大的流动性。当然，此时相当一部分物料足通过叶片与料斗之间的空隙出料的。
3、结论
物料堆积密度随总堆积高度增加而增大。一定的总堆积高度，堆积密度由上至下呈递增趋势。原始料位高度越大，出料延时短，出料较快；原始料位高度越小，出料延时长，出料较慢。维持同一料位高度，出料速率基本相似，但是一旦料位降低，出料速率则明显降低。随着螺旋转速的提高，起始出料速率明显增加；随后，进一步增加转速时，出料速率增加缓慢。反转螺旋叶片能更好地破坏物料之间的相互牵制力，使物料具有更强的流动性，从而促使出料更顺畅。
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