关键词：柠条；成型加工；颗粒饲料；成型颗粒燃料；影响因素
0、引言柠条，学名Caragana korshinskiliKom，别名又叫柠条锦鸡儿，属于多年生灌木。其广泛分布于陕西、山西、内蒙古、河北、东北沙区和温暖干旱地带。不仅可以防风固沙，保持水土、美化环境，而且还能提供饲料、燃料等加工利用资源，生态经济效益显著。
柠条的枝、叶、花、荚果、种子都富含家畜所需的粗蛋白质、粗脂肪，比玉米秸秆的含量要高，消化率明显要好，是干旱丘陵和沙漠地区牧草中的主要蛋白质饲料来源之一。因而柠条是极好的畜牧饲料，将其加工成成型颗粒饲料对养殖牲畜业的生产有很大积极作用，且便于运输和贮存，解决了春、冬季节动物牧草短缺的问题，还能促进实现牛、羊的圈养，减少放养，对我国退牧还林、减少沙漠化起到重要作用。
另外，柠条枝条表面具蜡质层，易点燃、火力旺、发热量大，是优质的生物能源。柠条中灰分含量较低（而灰分中主要成分是SO2），若将柠条制成生物能源燃烧将对环境污染危害急剧减少。柠条热值可达到4376.1j/kg，相当于优质煤，是极好的生物质能源，1.6kg的干柠条相当于lkg标准煤的发热量。只要经营得法，柠条是“取之不尽用之不竭”的优质生物能源。
柠条每4~5年需要进行1次平茬，柠条的发枝力和再生能力极强，平茬间隔期短，产量高。目前，没有被充分利用，造成很大的资源浪费。
综上所述，柠条资源丰实，研究柠条成型加工在颗粒燃料和饲料方面的应用，具有很好的应用意义。因此，设计了一种既能生产柠条颗粒饲料又能生产颗粒燃料的小型成型加工机械。考虑生产所需，柠条颗粒饲料和颗粒燃料的适用范围和目的不同，要求它们的密度、硬度不同，需要研究影响颗粒饲料和颗粒燃料成型的因素（含水率、粒度等）和成型部件的设计要求。为此，本文对颗粒加工装备设计参数选择及其影响因素进行了分析，为加工装备的设计提供依据。
1、柠条颗粒加工成型装备型式选择
目前，国内外颗粒饲料和颗粒燃料的成型设备主要有螺旋挤压成型、活塞压缩成型和辊模碾压成型3种，使用较多的是辊模碾压式。辊模挤压式又分为环模式和平模式。生物质颗粒燃料的辊模碾压成型技术是在颗粒饲料生产技术基础上发展起来的，二者的主要区别在于纤维性物料含量的多少和成型密度的高低。
平模式颗粒成型机与环模式颗粒成型机相比：①平模结构简单，加工方便，使用维修方便，制造成本低廉，特别适用于压制纤维性物料，但产量比环模机低。环模加工较复杂，制造成本高；平模两面均可使用，使用寿命长。②平模式成型机有利于提高产量。首先，平模式压辊不受模径的限制，可以取较大的直径，有利于提高产量；其次，平模成型机压粒室空间相对较大，可安装较多压辊，也可以提高产量；再次，平模式成型机压粒室人料比较流畅，可采用厚度较大的压辊，也有利于提高产量。③平模更适用于压制粗料，加工粗料的电能消耗以及产量变化比环模小。综合考虑各种因素且因柠条纤维素含量较高，对模具的磨损较严重，平模更换方便，而且平模两面均可使用可以延长平模的使用寿命，因此柠条颗粒成型机选择平模式成型机比较适宜。
2、柠条颗粒饲料与燃料成型机理比较
柠条颗粒饲料和颗粒燃料的成型原理一样。柠条中含有纤维素72.71%、半纤维素22.81%、木质素19.72%。木质素属非晶体，在常温下木质素主要部分不溶于任何有机溶剂，没有熔点但有软化点。在平模颗粒成型机压制室内，物料在压辊的作用下被挤入模孔内，由于压辊与物料的摩擦作用加剧而产生大量的热，当温度达70～110℃左右时，木素软化粘合力开始增加：在200～300℃时，软化程度加剧而达到液化，此时加以一定压力，可使其与纤维素紧密粘接，同时与邻近的秸秆颗粒互相交接。由于生物质结构疏松、密度较小，当受到外力后，原料将经历重新排列位置、机械变形、弹性变形、塑性变形阶段。非弹性或粘弹性纤维素分子之间的相互缠绕和绞合，使体积缩小，密度增大，使生物质逐渐成形，这时部分残余应力贮存于成型块内部。粒子结合牢固但不稳定，成型块在挤压作用下进入模孔的保型阶段，该阶段不利于形状保持的残余应力被消除，颗粒被定型。在模具的挤压下，形成表面光滑、具有一定硬度和密度的颗粒状饲料或燃料。
3、柠条颗粒成型的影响因素分析
3.1原料化学成分及添加剂的影响
柠条颗粒燃料的原料通常比较单一，一般不添加任何添加剂。而柠条颗粒饲料通常需要在原料中添加一些蛋白质、淀粉、脂肪、糖类等辅助配料，其目的是增加颗粒饲料的营养成分和适口性。同时，由于饲料的配方是影响成型的主要因素，各种添加剂对颗粒成型均有促进作用。蛋白质在成型过程中受力然后容易变性塑化，有利于颗粒的成型。脂肪是良好的润滑剂，有利于减少模具的磨损。纤维素的含量越高，说明植物细胞机械组织越发达，颗粒成型时就需要更大的压力。柠条纤维素含量高达72.71%，是玉米秸秆纤维素含量的2.6倍。由此可见，柠条颗粒的成型比秸秆成型需要更大的压力，柠条颗粒成型比玉米秸秆成型要难很多，柠条颗粒的成型对磨具的要求更高一些。
3.2原料粒度的影响
物料的粒度可分为粗粒、中粒和细粒。通常，小于3mm的原料，密度较大且有较大表面吸收蒸汽，发生物理化学反应。因此，中粒和细粒有较好的制粒能力，能够提高颗粒的产量和质量、降低能耗、延长压模的寿命，而粗粒则容易使得成型的颗粒开裂。
柠条颗粒饲料的直径一般为4～6mm，选用粉碎后物料介于2~2.5mm的中粒或小于2mm的细粒。柠条颗粒燃料的直径一般为8～10mm，选用粉碎后物料介于2～2.5mm的中粒或大于3mm的粗粒均可。
3.3含水率的影响
从原料水分方面看，水分含量对于颗粒的产量和质量都有明显的影响。这是因为在压制过程中，水分可在物料微粒表面形成水膜，使其容易通过模孔，延长压模的寿命。但是水分含量太多则容易使物料打滑，不易于颗粒的成型。原料水分过高时，加热过程中产生的蒸汽不能顺利地排出，结果造成柠条压缩成型颗粒表面开裂当原料含水率太低时，压缩成型很困难，这是因为适宜的水分对柠条木质素的软化、塑化具有促进作用。颗粒饲料中的水分主要来源于原料本身和所添加的添加剂，为了保证柠条颗粒饲料的质量，对含水率要求较严格，原料本身水分在12%~13%为宜，物料总水分为16%～18%为宜。而柠条颗粒燃料对含水率的要求较为宽泛一些，一般含水率要求15%～20%。
3.4加工装备喂入量的影响
喂人量的影响主要是由于随着物料压缩密度的增加，物料与成型室壁的摩擦力在增加。而摩擦力又与物料与成型室壁的接触面积有关，喂人量越多接触面积越大，压缩阻力就越大。因此，在加工时一定要控制好原料的喂人量。
3.5物料温度的影响
温度的影响是因为柠条等物料含有较高的木质素，在一定温度下木质素会软化，并在一定压力下产生塑性变形，从而使物料变得易于压缩。一方面温度升高，水分蒸发加快，使含水率降低，影响到物料的可压缩性：另一方面，温度在物料之间的传热既包括辐射传热，又包括传导和对流，提高温度能加速水分的运动，促进对流换热，加速物料软化，使物料又变得较易压缩。
柠条物料的可压缩性随着温度的增加而增加，随着喂人量的增加而下降，并且这种影响均随压缩密度的增加而更加明显。因此，为获得高密度产品，可适当采取对物料加温、提高物料含水率或减小喂人量等方式，以减小压缩功耗，提高压缩设备的工作性能。
3.6成型压力的影响
一般成型压力越大，物料的密度越大，硬度也就越高。柠条颗粒饲料的密度和硬度都远远小于柠条颗粒燃料，但是颗粒燃料的密度也不能超过1.3g/cm3。因此，柠条颗粒饲料的成型压力一般取4kN，而柠条颗粒燃料的成型压力则要高达5～7kN。
3.7成型模盘参数的影响
平模是颗粒成型机的心脏，模辊间隙、模板厚度、模孔直径、模孔有效程度、模孔的长径比、模孔的粗糙度、模孔的排列均匀度、耐磨性和压模的材质等，对柠条颗粒成型的密度和质量有很大影响。同一设备要实现柠条颗粒饲料和颗粒燃料的成型，必须设计不同的模板。
1)模辊间隙一般控制在0.05～0.3mm之间。模辊间隙过大时，压辊对柠条原料的挤压力变小，使攫取物料的能力变小，压辊无法将料压进模孔内，使原料在成型室内越积越多，最终导致堵模死机。间隙过小时，喂人原料量少、生产率低、摩擦力大，导致吨燃料能耗高。模辊间隙对颗粒饲料和颗粒燃料的影响差比不大。
2)平模模板越厚，压制出的颗粒密度越高、粒度越硬。如果其他因素不变，加工柠条颗粒燃料的模板厚度要比颗粒饲料要厚。但是，一般不调整模板的厚度，而是通过改变模孔有效长度来实现不同密度颗粒的成型。
3)排列在压模上的模孔直径越大，则颗粒硬度越小。模孔直径不易过大或过小，在高速转动下，孔径过小则原料难挤入模孔内，在成型孔被摩擦的时间过长而产生热量，原料水分蒸发较快，压辊无法将原料顺利压出，导致模孔堵塞，严重时会产生放炮、颗粒炭化甚至着火等现象。孔径过大，在压模厚度不改变情况下，成型率难以保证，且压出的颗粒燃料易松散。一般柠条颗粒饲料的模孔直径为4～6mm，柠条颗粒燃料的直径一般取8～10mm。
4)模孔的长径比为模孔直径与模孔有效长度之比。模孔的长径比关系到成品的质量，长径比越小即模孔有效长度越长，挤压阻力越大，形成的颗粒密度也就越大，表面硬度相应提高，但能耗大、产量小，容易堵机；反之则情况相反。当物料被挤进模孔后，物料要发生弹塑性变形，在模孔内分层挤压成型，所以颗粒内存在应力。因此，物料在成形孔内必须有一定的滞留时间以保证颗粒的成形率，一般其取值范围在1：4～1：10之间。但对于柠条这种粗纤维物料，为保证顺利出料以及成形率，长径比取得较小。柠条颗粒燃料的长径比一般取1:4～1:5，柠条颗粒饲料的长径比一般取1:5～1:8。
5)平模模板上的直径确定以后，模孔间的间距越小，模孔数量越大，越有利于提高生产率；但是模板和模孔受到的力越大，越容易损坏。因此，模孔的合理均匀分布要求模孔间距要合理安排，以便在提高生产率的同时延长模板的寿命。
6)模板的耐磨性即模板选用的材质及热处理，不仅影响到模板本身的寿命，同时影响颗粒的质量与产量。针对柠条这种特殊的生物质，其物料对模板的磨损性要远大于秸秆等生物质，因此需要选用更好的材质才能到达模板的寿命要求。
4、结论
分析表明，可以选用平模式成型机实现柠条颗粒的成型。柠条颗粒饲料要求颗粒直径4～6mm，密度为小于0.7g/cm3；选择含水率介于16%～18%以及粒度小于2.5mm的物料，施加4KN的载荷于孔径为4～6mm、长径比介于1：4～1：5的模盘上。柠条颗粒燃料要求颗粒直径8~10mm，密度在0.8～1.2g/cm3之间：选择含水率介于15%～20%及粒度介于于2～3mm的物料，施加5～7kN的载荷于孔径为8～10mm、长径比介于1:5～1：8的模盘上。欲使成型机最终要实现两种颗粒的成型，可以通过改变平模模孔直径以及模孔长径比等因素来实现两种不同颗粒的加工成型。因此，在后续颗粒成型设备的研制中，平模是实现颗粒饲料与颗粒燃料的核心部件。本研究对于通过更换不同模盘来加工柠条颗粒饲料或燃料的通用成型加工装备的设计提供了一定的参考。
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