實驗內容

螺桿擠製機擠製稻草的成型過程，由實驗證明確實比想像中困難 複雜許多，與第三章熱壓實驗，稻草單純受到擠桿上下壓力壓縮相差

甚大。以下依實驗完成的任務分成四個階段：

4.2.1 最初實驗階段

最初實驗設定實驗參數為：

1. 稻草破碎一次 2. 螺桿原轉速

3. 使用原為搭配螺桿擠製機之多孔洞編號 1~11 模具

實驗結果稻草燒焦、機器卡料(圖 4.2.1)、螺桿被磨損，幾乎沒有 成型可言(圖 4.2.2)，嚴重時模具內的稻草甚至會噴爆出來。

推判造成稻草成型極差的原因，主要源自於稻草本身；稻草流動 性差，容易滯留原地，以及不易填實模具孔洞，而被磨損的螺桿(圖 4.2.3)，連帶引發機器送料不順，特別在轉速越低時，後段外罩與螺 桿之間越易阻塞稻草，使後續的進料送達不了模具，更加惡化原先的 狀況。

螺桿擠製機讓模具裡的稻草受到後續進料的推進力，以及稻草摩 擦模具所產生的摩擦力，即背壓，來達到擠壓成型效果，但最初實驗 連稻草都無法填滿模具，就更不用談論成型

4.2.2 稻草填充模具階段(一)

為解決稻草無法填充模具，以最初實驗為基準，設定以下實驗參 數，探討各參數之影響：

1. 稻草破碎一次，並將稻草噴濕 2. 螺桿轉速為變頻器 25~70%

3. 採用水冷與加熱系統

4. 使用多孔洞標號 12~13 模具

多孔洞編號 12~13 模具的設計，是改良多孔洞編號 9 模具，此模 具在最初實驗中成型較好，並且為能資所進行 RDF-5 實驗結果的最 佳模具；設計內容包含固定標號 9 模具的 L/D、提高孔洞光滑度，以 及在模具中間挖孔，防止稻草在此處累積摩擦螺桿，以至於最後燒焦。

結果如下：

1. 為了增加潤滑度而噴濕稻草，反而在摩擦溫度升高時，產生 大量水氣，使機器內部壓力提高。

2. 降低螺桿轉速，有助於減少螺桿與稻草之間的摩擦，以及避 免將稻草磨成粉狀而提高燒焦機率。

3. 利用水冷系統降低溫度，效果不明顯。

4. 加熱區域若包含油溫機所建立的熱油迴路，效果不佳。

5. 加熱模具的效果，與加熱模具和前段外罩相同，都提高稻草 流動性，以及填充模具孔洞的能力(圖 4.2.4)，因此後續實驗 僅在模具上加熱。

6. 使用多孔洞編號 12~13 模具，稻草成型不佳(圖 4.2.5)，並且 稻草會由模具中間的孔洞噴爆出來。

4.2.3 稻草填充模具階段(二)

上述的結果顯示，稻草即使流動性變好，但不合適的出料口，依 舊無法解決稻草成型不良等問題，並且從以往清理實驗結束後的模具 和機器，研判如果螺桿與模具之間的空隙，出現稻草壓縮後的硬塊，

則後續進料便無法進入模具，因此，為觀察硬塊產生的情形，設計以 下之實驗，實驗參數設定為：

1. 稻草長度 10~30mm、<10mm(圖 4.2.6)

2. 固定稻草進料量

3. 螺桿轉速為變頻器 10%~50%

4. 使用單一孔洞編號 1、2 模具 結果如下：

1. 稻草長度越小填充性越佳(圖 4.2.7)，且越不易卡料。

2. 螺桿轉速越低，硬塊越鬆且無焦黑(如圖 4.2.8)。

3. 單一孔洞模具沒有孔洞與孔洞之間的阻隔，的確使稻草獲得 足夠的移動空間、減少與模具之間的摩擦。

4. 單一孔洞編號 1 模具產生硬塊的情形雖較為減輕，但依舊存 在硬塊。

5. 單一孔洞編號 2 模具的 d 值大於外罩的內徑，使稻草更易進 入模具。

6. 實驗結果沒有硬塊存在的參數條件為：

i. 稻草長度<10mm

ii. 螺桿轉速 35~36rpm，即變頻器 10%

iii. 模具溫度 240℃

iv. 使用單一孔洞編號 2 模具

此實驗因進料量不多，結果不足以定論在無限進料時，機器也不 會阻塞，但其價值為利用簡單又省時的方法，排除易卡料的參數組合。

4.2.4 稻草成型階段

沒有硬塊存在的參數條件，在增加進料量後，被推擠出的稻草相 當鬆散，嘗試以下方法來解決：

1. 加長模具 L 值 15mm、25mm(圖 4.2.9)

2. 添加直徑 20mm 的螺桿中心軸(圖 4.2.10)

實驗結果最後選用中心軸來幫助成型，其優點可加大背壓，以及 將模具孔洞中心填充不密實的稻草，向周圍擠壓，讓成型更緊密，另 也克服螺桿中心壓力最小的問題；而單純增長 L，除無法改善模具中 心稻草鬆弛的現象，甚至造成後續進料推進力不夠克服變大的背壓，

使稻草無法順利出料。

歸納各參數在實驗中對成型的影響，以及列出其最佳成型條件如 下：

1. 螺桿：使用 C.R.為 2.4、表面光滑的螺桿。減小與稻草之間的 摩擦，避免稻草因壓縮量過大，而在進入模具前已成硬塊。

2. 螺桿轉速：最佳轉速 35~36rpm。輸送稻草的速度較慢，但對 稻草的摩擦力小，不易磨碎稻草。

3. 模具：使用單一孔洞標號 2 模具。稻草有較多的流動空間，

表面光滑也減小和模具摩擦產生的背壓。

4. 模具溫度：最佳溫度 240℃。提高稻草流動性、產生木質素 軟化的聯結方式、減小稻草與模具之間的摩擦，以及使燃料 表面碳化光滑。

5. 螺桿中心軸：使用直徑 20mm 的中心軸。避免模具中心稻草 填充鬆散，且改變燃料的形狀。

6. 稻草長度：最佳長度小於 10mm。稻草易被螺桿輸送、與螺 桿摩擦較小、不易卡於後段外罩與螺桿之間，且填充模具緊 密。

7. 稻草含水率：最佳含水率 12~14%。含水率過高，遇熱嚴重產 生水氣，使機器生鏽、後續進料的稻草更潮濕。

但以上稻草可成型條件，由實驗證明並非稻草可連續成型條件，

因在這些條件下，模具裡稻草的成型過程，雖確實達到成型，由毫無 壓縮、稍有成型，至螺桿帶動旋轉擠出中空圓柱狀的燃料，但之後逐 漸出現旋轉停頓的現象，燃料停止旋轉以被推出的方式擠出，最後甚 至從模具中噴爆出來。

4.2.5 稻草連續成型階段(一)

螺桿擠製機運轉、成型稻草的期間，在各參數條件沒有任意更改 之下，研判整體上發生明顯變化處，為稻草在模具裡的累積狀態。以 下以此概念，進行無法持續旋轉擠出稻草燃料的原因猜測：

1. 模具孔洞和中心軸表面有稻草黏附，影響稻草流動和增大背 壓，使螺桿不易將其擠出。

2. 後續進料推進力量不夠大。

3. 稻草停留在模具中的時間過久，表面碳化嚴重定型，使模具 半模角處的稻草無法進入模具 L。

4. 稻草停留在模具裡的時間過久，後續進料需克服稻草蒸發出 的水氣壓力，方能進入模具擠出燃料，且此壓力可能造成燃 料最後的噴爆。

5. 稻草可壓縮量非常大，使模具中的稻草自行吸收後續進料的 推進力。

6. 模具中的稻草擠壓成塊，與螺桿接觸的地方太過光滑，沒有 足夠的摩擦力讓螺桿帶動旋轉。

7. 由模具半模角處進入到模具 L 的稻草，少於同時間應進入到 模具 L 的稻草，導致稻草向後往螺桿累積。

8. 若假設中空圓柱狀燃料為稻草成型之穩態，而尚未或稍有成 型為非穩態，則稻草可成型條件或許只能幫助非穩態達穩 態，但無法以這些條件持續穩態，即各參數可能存在另一維 持穩態的條件。

針對 1~4 點，提出提高模具與中心軸的表面光滑度，以及改變進 料速度兩方法，來驗證和解決燃料無法持續旋轉擠出的問題，至於 5~8 點因沒有具體的嘗試方法，所以暫不討論。兩方法結果如下：

提高模具與中心軸表面的光滑：

1. 可減緩稻草黏附現象，但無法完全避免。

進料速度(V)的改變：

1. V 越快，後續進料推進力越大，但因螺桿送料容量有限，所 以推進力大小有限。

2. V 越快，因模具孔洞為漸縮性，即存在半模角，加上稻草流 動性差，所以推進力雖變大，但稻草出料依舊由順暢變阻塞。

3. V 越慢，稻草停留在模具裡的時間越長。

4. 一合適的 V，搭配稻草可成型的條件，達到連續成型的結果。

由以上結果證明猜測原因第 2~4 項會干擾稻草連續成型擠出，第 1 項影響較小，且證實此台螺桿擠製機確實能夠把稻草製作成燃料。

連續旋轉擠出之中空圓柱狀燃料如圖 4.2.11，穩定成型時，螺桿擠製 機電流維持在 92~94A，進料速度則藉由觀察出料狀況，由人為適時 調整控制。

4.2.6 稻草連續成型階段(二)

雖然成功地利用進料速度完成稻草連續成型，但在後來重覆實

驗，希望能夠掌握最佳進料速度時，卻因再現性極差，進料速度對連 續成型之敏感度高，不但使結果與證明喪失一個完整的交代，也表示 其他原因實際上存在，只是目前尚未驗證。

為了確定所有實驗參數，是否影響稻草成型連續，以下在不更動 其他參數最佳條件之下，改變稻草含水率和模具溫度，搭配不同進料 速度進行實驗，實驗內容如表 4.2.1。選取稻草含水率與模具溫度的 原因，在於兩者為文獻中重要參數，並且之前實驗分別固定為 12~14%

與 240℃，尚未嘗試更改過，因此依照文獻 10 的成型條件，分別訂 定為 9.5%，和 220、240、260℃。

結果如下：

1. 降低稻草含水率與改變模具溫度，在搭配的進料速度下都無 法使稻草連續成型。

2. 稻草 9.5%含水率使聯結十分緊密，但燒焦和被磨成粉狀的情 況更嚴重，如圖 4.2.12。

3. 9.5%與 12~14%含水率在進料速度 38.4g/40s 之下，前者使稻 草黏附在模具、螺桿和中心軸的情況較嚴重。

4. 實驗與文獻 10 相同條件下──稻草 9.5%含水率、長度

<10mm、含有中心軸、模具溫度 240℃，結果與文獻相差大，

因此螺桿擠製機本身的設計，是否適合拿來擠製稻草，存有 討論的空間。

5. 不同溫度對進料速度 12 種組合的結果如圖 4.2.13、表 4.2.2。

6. 240℃為三個實驗溫度中，成型時間最久的溫度。

7. 在 260℃進料速度越快，燃料越快停止旋轉。

8. 這三個溫度凡進料速度越快，稻草蒸發出的水氣就越多。

4.2.7 實驗總結

本實驗成型設備──螺桿擠製機，原為擠飼料機械，針對飼料原 料的性質與成型條件加以設計，其處理飼料的效能必定強過處理稻 草，雖然由一連串的實驗找出此台機器成型稻草的條件，但最終仍無

本實驗成型設備──螺桿擠製機，原為擠飼料機械，針對飼料原 料的性質與成型條件加以設計，其處理飼料的效能必定強過處理稻 草，雖然由一連串的實驗找出此台機器成型稻草的條件，但最終仍無