生物質(zhì)固體成型燃料成型工藝進(jìn)展研究

摘要：介紹了生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)和工藝的概念，回顧了國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，提出生物質(zhì)固體成型燃料的生產(chǎn)工藝分類方法，比較研究顆粒和壓塊成型工藝，分析了生物質(zhì)固體成型設(shè)備和工藝配套設(shè)備現(xiàn)狀，指出了生物質(zhì)固體成型的設(shè)備與工藝存在的主要問題，并提出我國生物質(zhì)成型工藝的發(fā)展方向，為生產(chǎn)中設(shè)備和工藝優(yōu)化指以方向。 　　0引言 　　生物質(zhì)指利用太陽能經(jīng)光合作用合成的任何有機(jī)物，包括農(nóng)林副產(chǎn)品及加工剩余物、能源作物，以及人畜糞便等有機(jī)廢物。生物質(zhì)能指利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的能源。全球生物質(zhì)資源豐富，生物質(zhì)能作為唯一能夠保存的可再生能源，其推廣和利用將對能源結(jié)構(gòu)的改善和能源需求的短缺發(fā)揮其必要的作用。生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)指在一定溫度和壓力作用下，利用木質(zhì)素充當(dāng)粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料，是目前國內(nèi)外利用生物質(zhì)能比較普遍且效果顯著的技術(shù)之一。 　　生物質(zhì)固體成型燃料成型工藝是指將秸稈等生物質(zhì)原料加工成固體成型燃料的方法、技術(shù)等，包括整條生產(chǎn)線技術(shù)和設(shè)備?，F(xiàn)在生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)品一般為塊狀和顆粒狀兩種形式，因其工藝參數(shù)要求不同，所需的成型生產(chǎn)工藝也有較大差別，可分為壓塊生產(chǎn)工藝和顆粒生產(chǎn)工藝。按照生產(chǎn)的連續(xù)性，可分為連續(xù)生產(chǎn)工藝和單機(jī)生產(chǎn)工藝。具有原料粉碎、干燥、輸送、混配、喂料、成型、切斷、冷卻、計量包裝等工序，能夠自動連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)線的生產(chǎn)工藝為連續(xù)生產(chǎn)。單機(jī)生產(chǎn)則主要依靠人工間歇性上料，為非連續(xù)生產(chǎn)。 　　按自動化程度，可分為自動化生產(chǎn)工藝和非自動化生產(chǎn)工藝。各生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)線的主要產(chǎn)品或多數(shù)產(chǎn)品的工藝路線和工序勞動量比例，決定了一條生產(chǎn)線上擁有為完成某幾種產(chǎn)品的加工任務(wù)所必需的機(jī)器設(shè)備，機(jī)器設(shè)備的排列和工作地的布置等。各生產(chǎn)工藝的工藝路線通過調(diào)整其中的工藝參數(shù)，以適應(yīng)產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，采用最佳的生產(chǎn)工藝能取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 　　本文對生物質(zhì)固體成型燃料成型的生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，就生物質(zhì)固體成型燃料的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀作一個概述，對生產(chǎn)工藝所要求的生產(chǎn)線的成型機(jī)以及配套設(shè)備現(xiàn)狀與存在的問題進(jìn)行研究，探討解決制約規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中的工藝路線與相關(guān)設(shè)備的技術(shù)途徑。 　　1國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 　　因全球傳統(tǒng)能源———石油、煤炭和天然氣的減少，和溫室氣體排放的壓力等原因，生物質(zhì)固體成型技術(shù)受到國外發(fā)達(dá)國家的普遍重視。根據(jù)歐盟制訂的《歐盟生物質(zhì)能行動計劃》，從2009到2020年將利用生物質(zhì)能占消耗能源的14%提高到20%。在2010年，芬蘭、瑞典和奧地利等國家的生物質(zhì)能利用，依次占該國一次能源消耗量的18%、16%和10%，其中2010年瑞典共有94家顆粒生產(chǎn)企業(yè)，總生產(chǎn)能力約2.20Mt。 　　我國從20世紀(jì)80年代起開始致力于生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究，也取得了不少成果。2008年農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院在北京市大興區(qū)建成年產(chǎn)20kt固體成型燃料生產(chǎn)線示范廠，其中包括年產(chǎn)10kt的顆粒燃料生產(chǎn)線和10kt的壓塊燃料生產(chǎn)線，主要以玉米秸、木屑為主，兼顧加工麥秸、花生殼、棉稈等為原料。 　　2009年，吉林省輝南宏日新能源公司在輝南縣建成以林業(yè)生物質(zhì)為原料的生產(chǎn)線，該線生產(chǎn)能力是15kt/年，次年該公司在大興溝，蛟河各建成一條相同的生產(chǎn)線。隨后全國又建成北京延慶生物質(zhì)壓塊燃料示范點(diǎn)、安徽淮南生物質(zhì)顆粒示范點(diǎn)等10余處。目前，河南、江蘇、北京、吉林、湖北、山東、黑龍江、遼寧等省市建成年產(chǎn)萬噸以上成型燃料廠100余處，生產(chǎn)能力已達(dá)3Mt，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)。 　　2生物質(zhì)加工工藝路線 　　生物質(zhì)固體成型燃料成型工藝是指將秸稈等生物質(zhì)原料加工成固體成型燃料的方法、技術(shù)等，包括整條生產(chǎn)線參數(shù)調(diào)整技術(shù)及設(shè)備。生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)品為塊狀、顆粒狀和棒狀三種形式，按照產(chǎn)品形狀分為壓塊、顆粒和棒狀生產(chǎn)工藝。按照生產(chǎn)的連續(xù)性，可分為連續(xù)生產(chǎn)工藝和單機(jī)生產(chǎn)工藝。 　　具有原料粉碎、干燥、輸送、混配、喂料、成型、切斷、冷卻、計量包裝等工序，能夠自動連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的生產(chǎn)工藝為連續(xù)生產(chǎn)；單機(jī)生產(chǎn)為非連續(xù)生產(chǎn)。按自動化程度可分為自動化和非自動化生產(chǎn)工藝。生產(chǎn)中自動調(diào)整設(shè)備工藝參數(shù)，以適應(yīng)產(chǎn)品的生產(chǎn)需要，為自動化生產(chǎn)工藝。 　　國外發(fā)達(dá)國家的生物質(zhì)固體成型多為連續(xù)自動化生產(chǎn)工藝，其生物質(zhì)原料多來源于農(nóng)場、農(nóng)產(chǎn)品加工廠或木材加工廠，來源集中，原料較單一，生產(chǎn)中一般不考慮物料混配工序，圖1是瑞典BooForssjoEnergiAB的生物質(zhì)固體成型生產(chǎn)工藝路線實(shí)例。 　　我國現(xiàn)階段多為單機(jī)生產(chǎn)，其生產(chǎn)只需要粉碎和成型兩個工序，人工間歇性上料，依靠生產(chǎn)者的經(jīng)驗(yàn)判別在生產(chǎn)中上料量的和上料的濕度等等，工藝簡單，成本低，但勞動強(qiáng)度大，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，效率低，單機(jī)生產(chǎn)工藝路線如下圖2所示。 　　連續(xù)生產(chǎn)中，我國常用的有壓塊和顆粒成型，其工藝有所不同。目前國內(nèi)的連續(xù)自動化生產(chǎn)工藝多應(yīng)用在壓塊和顆粒成型工藝中。 　　壓塊成型工藝路線，通常是原料通過圓柱形或棱柱形的?？壮尚停＞咧睆交驒M截面的對角線通常大于25mm，在此成型工藝中，原料含水率要求一般為10%~20%，原料粒度一般低于50mm時都可成型，工藝路線如圖3所示。 　　顆粒成型工藝路線，原料通常通過圓柱形?？祝＞咧睆揭话悴淮笥?5mm，模具厚度即?？组L度不大于其直徑的4倍，通常直徑尺寸有6mm、8mm、10mm三種。原料含水率要求一般為12%~15%，原料粒度為1~5mm時最適合成型，如圖4所示。 　　壓塊成型和顆粒成型工藝路線有較大差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 　　1)粉碎方式。根據(jù)物料成型粒度要求的不同，采用的粉碎方式也不同，粒度為50mm的物料粉碎采用擠壓揉搓方式和鍘切方式為主，壓塊成型需要一次粉碎即可以滿足粒度要求。在顆粒成型工藝中安排了粗粉碎和細(xì)粉碎的二次粉碎工序，細(xì)粉碎一般采用撞擊擊打方式的錘片式破碎機(jī)。 　　2)輸送方式。粒度不同影響物料的流動性特性，在原料輸送和喂料的方式上也有所不同，采用的輸送和喂料設(shè)備也相應(yīng)的改變。因粒度較大的物料容易形成搭橋現(xiàn)象，喂料時需要有強(qiáng)制喂料裝置，輸送粒度30~50mm的物料時應(yīng)用螺旋輸送、皮帶輸送、刮板輸送；5mm以下的物料可以采用氣力輸送的方式。 　　3)雜質(zhì)嵌入。顆粒成型工藝中的成型產(chǎn)品直徑一般是6mm、8mm、10mm三種規(guī)格，而塊狀成型產(chǎn)品直徑一般不低于25mm。不同規(guī)格的成型產(chǎn)品吸收雜質(zhì)嵌入的能力不同。顆粒成型相對于塊狀成型產(chǎn)品，對原料雜質(zhì)含量及粒度要求更為嚴(yán)格，特別是對于砂石雜質(zhì)的去除要求，應(yīng)設(shè)置不同除雜系統(tǒng)。 　　4)冷卻方式。顆粒物料在壓制后容易破碎，驟冷會引起“爆腰”，需要冷卻設(shè)備進(jìn)行冷卻，壓塊燃料一般體積較大，密度較小，自然冷卻干燥即可。 　　3生物質(zhì)成型設(shè)備及配套設(shè)備研究 　　3.1生物質(zhì)成型設(shè)備研究 　　目前我國的主要生物質(zhì)成型設(shè)備有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和輥模擠壓式等三種成型機(jī)，特別以環(huán)模成型機(jī)最為普遍，環(huán)模成型機(jī)分為顆粒和壓塊兩種。北京奧科瑞豐公司(壓塊成型機(jī))、江蘇正昌公司(顆粒成型機(jī))、河北盛昌綠能公司(壓塊成型機(jī))等相繼開發(fā)了環(huán)模成型機(jī)，其技術(shù)參數(shù)見表1。 　　3.2生物質(zhì)成型配套設(shè)備研究 　　配套設(shè)備的選用決定于工藝路線，以上文提到的生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型工藝路線為例，分析粉碎、干燥、除雜、物料混配和冷卻等工序的配套設(shè)備作用、技術(shù)研究現(xiàn)狀等。 　　3.2.1粉碎設(shè)備 　　粉碎是指通過擠壓、撞擊、研磨、鋸切或其他方法部分地破壞物質(zhì)分子間的內(nèi)聚力，達(dá)到粉碎原料到某粒度范圍的目的過程。 　　粉碎設(shè)備是生物質(zhì)成型的粒度參數(shù)的保證，針對不同的物料則應(yīng)采用不同的粉碎方式，以提高粉碎效率及質(zhì)量。打擊方式的設(shè)備主要為錘片式粉碎機(jī)，利用錘片打擊物料。此種設(shè)備一般尺寸較大，物料與錘片的接觸面積較大，適應(yīng)于含水率較低、韌度較小的生物質(zhì)物料，如豆稈、棉稈、葵花稈等。鋸切的設(shè)備為切碎機(jī)，可以加工韌度較大、含水率較高的生物質(zhì)物料，如水稻、小麥、玉米等。在對生物質(zhì)粉碎中，根據(jù)實(shí)際情況采用多種方式混合生產(chǎn)，提高效率，減少功耗。 　　3.2.1干燥設(shè)備 　　干燥的目的保證成型原料的合適水分，可分為自然干燥和人工干燥。自然干燥指利用太陽能和自然風(fēng)進(jìn)行干燥。人工干燥是指利用液體或煤氣加熱的高溫氣流，在很短的時間內(nèi)將物料進(jìn)行干燥。生物質(zhì)的含水率受自然環(huán)境的影響較大，不適應(yīng)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)的需要。為得到成型所要求的生物質(zhì)含水率，必須采用人工干燥方法，使生物質(zhì)迅速干燥達(dá)到壓制生產(chǎn)要求的含水率，這種方法不受氣候影響，但設(shè)備要求高，投資較大。 　　常規(guī)干燥設(shè)備分為噴霧干燥機(jī)、流化床干燥器、氣流干燥器、回轉(zhuǎn)干燥器、傳導(dǎo)干燥設(shè)備等。在干燥時可選擇合適的設(shè)備。根據(jù)生物質(zhì)物料的特性以及干燥條件，一般選用氣流干燥器和回轉(zhuǎn)干燥器。干燥是一個高能耗的單元操作，生物質(zhì)原料的干燥溫度一般在40℃~70℃之間，與太陽能的低溫利用技術(shù)相適應(yīng)，應(yīng)充分利用太陽能技術(shù)，節(jié)省常規(guī)能源，降低干燥設(shè)備的能耗。 　　3.2.2除雜設(shè)備 　　我國生物質(zhì)來源廣泛，來源渠道大多從農(nóng)戶直接收購，原料雜質(zhì)含量較大，主要的雜質(zhì)有金屬雜質(zhì)、砂石雜質(zhì)和泥土以及如繩子線頭等雜質(zhì)。金屬雜質(zhì)、砂石雜質(zhì)和泥土?xí)觿∩a(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備的磨損。繩子線頭等雜質(zhì)會使物料的輸送產(chǎn)生擁堵，影響物料輸送的均勻性和平穩(wěn)性。 　　對于金屬雜質(zhì)可以采用磁石進(jìn)行去除；繩子線頭等雜質(zhì)，可以設(shè)計絞龍裝置，使其纏繞其上，然后定期清除；砂石雜質(zhì)可以根據(jù)其物理特性與秸稈物理特性的不同，采用風(fēng)選設(shè)備和振動分離的方法來去除。顆粒成型工藝中的成型產(chǎn)品直徑一般是6mm、8mm、10mm三種規(guī)格，而塊狀成型產(chǎn)品直徑一般不低于25mm，顆粒成型對原料雜質(zhì)含量要求，特別是對于砂石雜質(zhì)的去除要求更為嚴(yán)格。 　　目前我國對于此類研究尚有待于深入研究雜質(zhì)的分類與特性，物料與雜質(zhì)的不同物理特性，利用其之間相差最懸殊的特性，采用相應(yīng)的機(jī)械和技術(shù)措施，分離雜質(zhì)。如對于雜質(zhì)中的含鐵物品，考慮對物料特性的影響，來決定選擇平板式除鐵器、磁柵式除鐵器、永磁滾筒等設(shè)備。對于砂石等雜質(zhì)，根據(jù)物料摩擦特性的不同，應(yīng)用振動篩或抖動板等設(shè)備，也可根據(jù)物料密度的不同采用風(fēng)選法。應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新，根據(jù)不同雜物種類設(shè)計不同的工藝流程，有效地去除物料中的雜質(zhì)。 　　3.2.3物料混配設(shè)備 　　生物質(zhì)固體成型過程中需要控制的一個重要參數(shù)是原料含水率，適當(dāng)?shù)纳镔|(zhì)原料含水率既能傳遞壓輥壓力，又能起潤滑作用，促進(jìn)原料成型。我國成型的生物質(zhì)原料復(fù)雜，為改變主原料的特性和成型性能，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，適當(dāng)混配合適的其他原料將有利于成型。同時可以通過物料混配在一定范圍內(nèi)來調(diào)整成型物料的含水率，省去干燥工藝階段，節(jié)省常規(guī)能源。 　　另，為保證原料成型要求的普適性，需對低于成型要求含水率的物料進(jìn)行調(diào)整，需適當(dāng)添加水分進(jìn)行調(diào)濕處理。生物質(zhì)混合處理要求原料混配的均勻性和水分調(diào)整的適度性，原料種類以及混配比重對成型和熱值的影響等，為課題研究指以方向。 　　1)各物料的特性與混合物料特性的差異性研究是決定物料混合成分研究的基礎(chǔ)。這種混合特性是各物料特性的線性疊加，亦或是非線性的組合形式，其特性規(guī)律需要試驗(yàn)研究和理論研究方可建立對應(yīng)的解決模型。在生物質(zhì)成型研究中，混合物料特性研究、混合物料的比重對于成型的影響規(guī)律研究，以及混合物料對于成型產(chǎn)品的熱值和結(jié)渣特性的影響，應(yīng)是研究的方向。 　　2)物料混合設(shè)備方面研究?；旌系臋C(jī)理研究也是設(shè)備理論工作部分開始設(shè)備優(yōu)化和其他一切工作的前提?；旌显O(shè)備是在保證物料混合機(jī)的混合均勻度、縮短混合時間為前提再考慮物料混合的殘留量，設(shè)備損耗與功耗等其它因素，是設(shè)計混合設(shè)備的關(guān)鍵。物料混合設(shè)備的控制應(yīng)考慮工作環(huán)境，控制參數(shù)量，以及控制難易程度和便捷的操作性等方面因素。 　　3.2.4冷卻設(shè)備 　　飼料顆粒工業(yè)生產(chǎn)中，顆粒產(chǎn)品溫度在85℃左右、含水率約16%。這種情況下，顆粒容易破碎，貯存過程中容易發(fā)霉變質(zhì)，必須經(jīng)過冷卻干燥來降低溫度和水分。冷卻干燥原理設(shè)備是利用冷風(fēng)通過冷卻設(shè)備內(nèi)的熱顆粒，帶走水分，降低溫度。冷卻設(shè)備通常采用的是逆流式冷卻器。 　　冷卻設(shè)備要同時保證冷卻和干燥的要求，要設(shè)計合理的容積和合適的風(fēng)機(jī)。工藝設(shè)計中，需防止激冷造成成型顆粒的爆腰，要保證足夠的在冷卻設(shè)備中的停留時間，使成型產(chǎn)品充分冷卻干燥高于室溫5℃以下。這些研究是基于飼料顆粒工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)上，對于作為燃料的生物質(zhì)壓制成型的顆粒產(chǎn)品，溫度也在100℃左右，含水率一般低于10%。成型產(chǎn)品不同，所選用冷卻干燥的參數(shù)，也應(yīng)隨之改變。 　　4存在問題 　　我國生物質(zhì)固體成型燃料成型工藝生產(chǎn)線目前尚有以下幾個主要問題： 　　1)我國的生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線多以單機(jī)等簡單工藝進(jìn)行生產(chǎn)，主要依靠人工間歇性上料，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低，工藝參數(shù)多是人為的經(jīng)驗(yàn)性的進(jìn)行調(diào)整。 　　2)多數(shù)工藝無除雜或有簡單的除雜工藝，特別是對于砂石雜質(zhì)去除率較小，影響關(guān)鍵部件使用壽命，使成型生產(chǎn)線的故障率提高。 　　3)在原料混配中工人依靠經(jīng)驗(yàn)來配比物料，或者簡單的根據(jù)存儲物料量來進(jìn)行物料混合，沒有科學(xué)的原料混配、添加輔料等工藝措施和技術(shù)方案，缺乏物料混配對于對加工為成型燃料后的品質(zhì)特性的影響等方面的研究。 　　5結(jié)語 　　本文圍繞生物質(zhì)固體成型燃料的成型工藝進(jìn)行研究，對工藝進(jìn)行分類，比較研究顆粒和壓塊成型工藝，研究工藝參數(shù)和成型工藝配套設(shè)備等，探討它們對生物質(zhì)燃料成型工藝的影響，為成型工藝生產(chǎn)提供理論依據(jù)。 　　為使產(chǎn)品的質(zhì)量等達(dá)到客戶要求，降低生產(chǎn)的功耗、設(shè)備的磨損，需要合適的生產(chǎn)工藝，需要參考工藝特性來調(diào)整工藝參數(shù)，應(yīng)用先進(jìn)自動控制理論搭建生產(chǎn)線平臺對設(shè)備生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)線中各個設(shè)備間的耦合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和各工序參數(shù)調(diào)整及設(shè)備間的反饋控制。 　　下一步工作應(yīng)加強(qiáng)生物質(zhì)固體成型技術(shù)及工藝裝備系統(tǒng)集成化、自動化的研究開發(fā)，特別是工藝中除雜和混配工藝方面的研究，使工藝設(shè)備和技術(shù)更適合于我國的特定生物質(zhì)原料成型，為我國生物質(zhì)資源化利用提供理論和技術(shù)支撐。（張林海，侯書林，田宜水，趙立欣，孟海波）