生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與裝備的研究

本文在分析生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與裝備的研究必須考慮的相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了既可移動又可用于固定場所加工的生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)和裝備的技術(shù)方案，并就主要關(guān)鍵設(shè)備多物料一次粉碎機(jī)、生物質(zhì)顆粒燃料平模成型機(jī)和加工機(jī)組的集成技術(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。研究表明，生物質(zhì)成型燃料加工設(shè)備的性能好否，直接與生物質(zhì)原料的壓縮特性如壓縮力、壓縮密度、壓縮量，一次粉碎的粒度，成型燃料的密度、生產(chǎn)率、能耗，關(guān)鍵部件平模的長徑比等因素有密不可分的關(guān)系。 　　我國生物質(zhì)資源（農(nóng)作物秸稈）豐富，但利用率不高。為了高效利用生物質(zhì)資源，本文就生物質(zhì)成型燃料的加工技術(shù)與裝備進(jìn)行初步研究，以探討綜合利用生物質(zhì)資源的技術(shù)途徑。 　　一、影響生物質(zhì)成型燃料加工裝備性能的因素分析 　　1、生物質(zhì)原料的來源與特點(diǎn) 　　我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)林廢棄物資源十分豐富。我國每年總量約有7億噸的農(nóng)作物秸稈，另外，我國每年還有大量的林業(yè)采伐和林木制品加工廠產(chǎn)生的廢棄物，如枝椏、小徑木、板片、木屑等，總量也近1億噸。生物質(zhì)成型燃料，是以枝條、樹皮、秸稈等農(nóng)林剩余物為原料。這些原料具有來源廣泛、分散、種類多、質(zhì)地不統(tǒng)一等特點(diǎn)，決定了成型燃料加工技術(shù)與裝備的設(shè)計(jì)必須做到滿足原料來源的廣泛性、多樣性和方便靈活性。 　　2、生物質(zhì)成型燃料的特點(diǎn)要求與使用對象 　　生物質(zhì)成型燃料是將生物質(zhì)原料經(jīng)過粉碎、調(diào)質(zhì)等處理，在高壓條件下，壓縮成顆粒狀且質(zhì)地堅(jiān)實(shí)的成型物，除應(yīng)具有比重大、便于貯存和運(yùn)輸、著火易、燃燒性能好、熱效率高（是直接燃燒的5倍以上）的優(yōu)點(diǎn)外，還應(yīng)具有灰分小、燃燒時(shí)幾乎不產(chǎn)生S O2、不會造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)?？勺鳛楣I(yè)鍋爐、住宅區(qū)供熱、農(nóng)業(yè)暖房及戶用炊事、取暖的燃料。成型燃料的這些特點(diǎn)，決定了成型燃料加工技術(shù)與裝備的設(shè)計(jì)必須在充分考慮生物質(zhì)原料特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，保證生物質(zhì)原料的粉碎細(xì)度達(dá)到成型的要求，燃料成型的密度、成型設(shè)備的有關(guān)模板、模孔、壓輥等成型關(guān)鍵部件，在盡可能滿足噸料加工能耗較少，加工關(guān)鍵設(shè)備使用壽命較長，加工的成型燃料性能具有較好的燃燒性能的要求下，應(yīng)具有實(shí)用性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性。 　　3、生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與設(shè)備的國內(nèi)外現(xiàn)狀 　　成型燃料有顆粒狀和棒狀兩大類。根據(jù)成型主要工藝特征的差別，國內(nèi)外生產(chǎn)生物質(zhì)壓縮燃料的工藝大致可劃分為濕壓（冷壓）成型、熱壓成型、碳化成型等3種。按成型加壓的方法不同來區(qū)分，技術(shù)較為成熟、應(yīng)用較多的成型燃料加工機(jī)有輥模擠壓式（包括環(huán)模式和平模式）、活塞沖壓式（包括機(jī)械式、液壓式）、螺旋擠壓式等三種機(jī)型，其中輥模擠壓式成型機(jī)采用的是濕壓（冷壓）成型工藝，活塞沖壓式、螺旋擠壓式成型機(jī)都采用的是熱壓成型工藝。 　　國外開發(fā)工作始于20世紀(jì)40年代。1948年日本申報(bào)了利用木屑為原料采用螺旋擠壓方法生產(chǎn)棒狀成型燃料的第1個(gè)專利，60年代成立了成型燃料行業(yè)協(xié)會。70年代初，美國研究開發(fā)了環(huán)模擠壓式顆粒成型機(jī)，并在國內(nèi)形成大量生產(chǎn)。瑞土、瑞典、西歐等發(fā)達(dá)國家都先后開發(fā)研究了沖壓式成型機(jī)、輥模擠壓式顆粒成型機(jī)。其中已有120多年歷史的世界著名飼料機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)——德國卡爾公司（Kahl）生產(chǎn)的動輥式平模制粒機(jī)，不僅能生產(chǎn)中低密度的顆粒飼料，而且還能生產(chǎn)較優(yōu)高密度的顆粒燃料，成品產(chǎn)量大、能耗低而且質(zhì)量好，在歐洲和東南亞國家使用較為廣泛。在最早開發(fā)螺旋擠壓成型燃料生產(chǎn)技術(shù)的日本也有采用環(huán)模顆粒成型機(jī)加工木屑成型燃料的大型生產(chǎn)企業(yè)。如今，固化成型燃燒在日本、歐、美等地已經(jīng)商品化，在丹麥的一座叫阿文多的發(fā)電廠，還利用木屑壓縮顆粒來發(fā)電。1985年日本平均每戶家庭消耗成型燃料達(dá)750kg。1985年美國生產(chǎn)成型燃料達(dá)200萬t以上。 　　我國從20世紀(jì)80年代中期起開始了成型燃料的開發(fā)研究,一方面組織科技攻關(guān),另一方面, 引進(jìn)國外先進(jìn)機(jī)型，經(jīng)消化、吸收，研制出各種類型的適合我國國情的生物質(zhì)壓縮成型機(jī)，用以生產(chǎn)棒狀、塊狀或顆粒生物質(zhì)成型燃料。全國現(xiàn)有生物質(zhì)壓縮成型廠35個(gè)。生物質(zhì)成型燃料的種類按其密度分為中密度（800～1100K g/m3）和高密度（1100～1400kg/m3）二種，前者適宜于家庭爐灶或小型鍋爐用，也可滿足自動爐排機(jī)械加料的大型鍋爐用，后者更適于進(jìn)一步加工成為炭化產(chǎn)品。 　　國內(nèi)主要的幾種成型燃料生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀分述如下： 　　1） 螺旋擠壓技術(shù) 　　螺旋擠壓成型技術(shù)是目前生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料最常采用的技術(shù)，尤其是以機(jī)制炭為最終產(chǎn)品的用戶，大都選用螺旋擠壓成型機(jī)。 　　1990年中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所與江蘇省東海糧食機(jī)械廠合作，完成了國家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目——木質(zhì)棒狀(螺旋擠壓)成型機(jī)的開發(fā)研究工作，并建立了l000t／年棒狀成型燃料生產(chǎn)線；1993年前后，中國大陸的一部分企業(yè)和省農(nóng)村能源辦公室從日本、中國臺灣、比利時(shí)、美國引進(jìn)了近20條生物質(zhì)壓縮成型生產(chǎn)線，基本上都采用螺旋擠壓式，以鋸木屑為原料，生產(chǎn)“炭化”燃料。棒狀成型燃料的形狀為直徑50*10-3m左右、長度450*10-3m左右，橫截面為圓形或六角形，每根重約1Kg，用于蒸發(fā)量≤1000kg/h工業(yè)鍋爐或民用爐灶。 　　國內(nèi)現(xiàn)已有包括陜西武功縣輕工機(jī)械廠、河南省鞏義合英實(shí)業(yè)公司等在內(nèi)的近十家廠家生產(chǎn)此種類型的設(shè)備。 　　螺旋擠壓成型機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是： 　?、俪善访芏雀?。以木屑、稻殼、麥草等為原料，國內(nèi)生產(chǎn)的幾種螺旋擠壓成型機(jī)加工的成型棒料的密度都在1100～1400Kg/m3 。 　?、诔善焚|(zhì)量好、熱值高，更適合再加工成為炭化燃料。 　　螺旋擠壓成型機(jī)的缺點(diǎn)是： 　?、佼a(chǎn)量低，目前國產(chǎn)設(shè)備的最高臺時(shí)產(chǎn)量不到150Kg/h，距離規(guī)?；a(chǎn)的產(chǎn)量要求相差較大。 　?、谀芎母?，粉料在螺旋擠壓成型前先要經(jīng)過電加溫預(yù)熱，擠壓成型過程的的噸料電耗就在90Kwh/t以上。 　?、垡讚p件壽命短，國產(chǎn)設(shè)備主要工作部件——螺桿的最高壽命不超過500h，距離國際先進(jìn)水平1000h以上還有不小的差距。 　?、茉弦罂量?。螺旋擠壓成型機(jī)采用連續(xù)擠壓，成型溫度通常調(diào)整在220～280℃之間，為了避免成型過程中原料水分的快速汽化造成成型塊的開裂和“放炮”現(xiàn)象發(fā)生，一般要將原料含水率控制在8~12%之間，所以對有的物料要進(jìn)行預(yù)干燥處理，增加了加工成本。這一點(diǎn)，對于移動式的成型燃料加工系統(tǒng)來說也許是一個(gè)致命傷，因?yàn)榕c旋擠壓成型工藝相銜接還需有配套的烘干機(jī)。 　　2）活塞沖壓技術(shù) 　　這種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是成型密度較大，允許物料水分高達(dá)20%左右，但因?yàn)槭怯透淄鶑?fù)運(yùn)動，間歇成型，生產(chǎn)率不高，產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定，不適宜炭化。活塞式的成型模腔容易磨損，一般100h要修一次，有的含sio2少的生物質(zhì)材料可維持300h。 　　另據(jù)報(bào)道，2003年，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)承擔(dān)完成了科技部研究項(xiàng)目“秸稈壓塊成型燃料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的可行性研究”，開發(fā)了HPB―Ⅲ型液壓驅(qū)動式秸稈成型機(jī)，采用活塞套筒雙向擠壓間歇成型。生產(chǎn)率：400kg/h； 噸料成型電耗：60Kwh/t左右。 　　另外北京三升集團(tuán)研發(fā)了機(jī)械傳動、活塞擠壓成型技術(shù)，在工業(yè)化生產(chǎn)中密度飼料塊的同時(shí)，還生產(chǎn)高密度（＞900Kg/m3 ）的燃料塊。 　　3）輥模擠壓技術(shù) 　　生物質(zhì)顆粒燃料的輥模擠壓成型技術(shù)是在顆粒粒飼料生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，二者的主要區(qū)別在于纖維性物料含量的多少和成型密度的高低。用輥模擠壓式成型機(jī)生產(chǎn)顆粒成型燃料一般不需要外部加熱，依靠物料擠壓成型時(shí)所產(chǎn)生的摩擦熱，即可使物料軟化和黏合。對原料的含水率要求較寬，一般在10%～40%之間均能成型。其最佳水份成型條件為18%左右，相比于螺旋擠壓和活塞沖壓而言，輥模擠壓成型法對物料的適應(yīng)性最好。因此，國內(nèi)一些生產(chǎn)秸稈顆粒飼料的企業(yè)在生產(chǎn)顆粒飼料的同時(shí)也生產(chǎn)顆粒燃料，以提高設(shè)備的利用率。 　　以國內(nèi)知名飼料機(jī)械生產(chǎn)企業(yè)——江蘇正昌集團(tuán)為代表的我國飼料機(jī)械業(yè)界，目前在環(huán)模制粒機(jī)和平模制粒機(jī)的設(shè)計(jì)、制造方面，已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，某些方面已達(dá)到世界先進(jìn)水平。在生物質(zhì)顆粒成型燃料加工機(jī)械的研發(fā)方面也進(jìn)行了多年的探索，并取得了可喜的成績。 　　4）環(huán)模擠壓成型技術(shù) 　　1994～1998年，江蘇正昌集團(tuán)公司聯(lián)合中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所承擔(dān)了國家林業(yè)局下達(dá)的項(xiàng)目“林業(yè)剩余物制造顆粒成型燃料技術(shù)研究”。該項(xiàng)目以江蘇正昌集團(tuán)公司生產(chǎn)的KYW32型環(huán)模式飼料顆粒成型機(jī)為基本結(jié)構(gòu)，研究成功了以木屑和刨花粉為主要原料的顆粒燃料成型機(jī)，臺時(shí)產(chǎn)量在250Kg/h左右，產(chǎn)品規(guī)格：直徑6*10-3m，長度為8-15*10-3m，顆粒密度＞1000Kg/m3 ，其熱值為4800kcal/Kg左右。產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到日本“全國燃料協(xié)會”公布的顆粒成型燃料標(biāo)準(zhǔn)的特級或一級。但是由于當(dāng)時(shí)在材料和加工工藝等方面的原因，主要易損件環(huán)模在面對粗纖維物料時(shí)，暴露出了使用壽命短的缺陷。使用成本高，成為環(huán)模式制粒機(jī)難以在生物質(zhì)成型燃料領(lǐng)域大面積推廣的重要原因。但是，該項(xiàng)目的開展，為我國今后在輥模擠壓成型燃料技術(shù)的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。 　　5）平模擠壓成型技術(shù)。由于在平模制造工藝水平和主要加工物料對象方面與國外的差距等原因，以前國內(nèi)在對平模式制粒機(jī)的研究方面不夠深入，國內(nèi)能生產(chǎn)的最大平模直徑只有400*10-3m。2000年，我所承擔(dān)了農(nóng)業(yè)部引進(jìn)國際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目（簡稱“948”項(xiàng)目）——秸稈顆粒飼料加工技術(shù)與設(shè)備的引進(jìn)，在引進(jìn)國際上著名的德國卡爾公司（Kahl）的38-780型大型平模式制粒機(jī)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實(shí)際，又進(jìn)行了多處技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新。2003年12月，該項(xiàng)目通過了農(nóng)業(yè)部“948”項(xiàng)目辦公室的驗(yàn)收。 　　與其他生物質(zhì)成型顆粒（塊）加工技術(shù)相比，大型平模式制粒機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于： 　?、僭线m應(yīng)性廣。平模式制粒機(jī)壓制室空間較大，可采用大直徑壓輥，因而能將諸如秸稈、干甜菜根、稻殼、木屑等體積粗大、纖維較長的原料強(qiáng)行壓碎后壓制成粒，對原料的粉碎度要求降低了。另外，平模式制粒機(jī)在壓縮纖維性物料時(shí)，原料水分在15～25%（最佳18%左右）都能被壓縮成型，大多數(shù)情況下，不需要對原料進(jìn)行干燥。 　?、诋a(chǎn)量大。經(jīng)江蘇省農(nóng)機(jī)鑒定站檢測，SZLP-780型平模制粒機(jī)在以100%苜蓿草粉為原料時(shí)，產(chǎn)量可達(dá)2100kg/h。在此后進(jìn)行的以木屑為原料的制粒試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)成型顆粒密度在1100Kg/m3時(shí)，產(chǎn)量達(dá)到1500Kg/h，是國內(nèi)現(xiàn)有成型顆粒燃料加工設(shè)備所達(dá)到的最大產(chǎn)量。 　　③噸料耗電低。一方面，平模式制粒機(jī)由于壓制室空間大、壓輥直徑大的原因，能將粒度相當(dāng)大的原料制成顆粒，因而能克服環(huán)模擠壓制粒機(jī)和螺旋式擠壓機(jī)在這方面的局限，這就減少了物料在粉碎工段的能耗；另一方面，與環(huán)模制粒機(jī)相比，平模?？讕娣e比值高，出料孔多，而且出料顆粒密度和大小比較一致。 　?、茌伳勖L。由于工作原理的差異，平模式制粒機(jī)壓輥的線速度比環(huán)模式的低，因而輥、模的磨損比較慢。而且，平模在一側(cè)面工作面磨損后可翻過來使用另一側(cè)面，可以提高使用壽命。 　?、莩尚兔芏瓤烧{(diào)。壓輥和壓模之間的工作間隙和壓力可通過液壓式中央螺母調(diào)節(jié)裝置使壓輥同步升降，操作簡單省時(shí)。既可生產(chǎn)中低密度的顆粒飼料，也可生產(chǎn)較高密度的顆粒燃料，一機(jī)多用。 　　但總體來看，目前，我國的生物質(zhì)固化成型裝備在設(shè)備的實(shí)用性、系列化、規(guī)?；线€很不足，距國際先進(jìn)水平還有不小的差距。這一問題以成型機(jī)最為突出，表現(xiàn)在生產(chǎn)率低、成型能耗高、主要工作部件壽命短、機(jī)器故障率多、費(fèi)用高等方面。 　　4、生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展趨勢 　　進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，人們愈加感覺到石化能源漸趨枯竭，在對可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的追求中，世界開始將目光聚焦到了可再生能源與材料，“生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)”已經(jīng)浮出水面。以生物能源和化工產(chǎn)品生產(chǎn)為主的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)正在興起，引起了世界各國政府和科學(xué)家的關(guān)注。許多國家都制定了相應(yīng)的計(jì)劃，如日本的“陽光計(jì)劃”，美國的“能源農(nóng)場”，印度的“國家戰(zhàn)略行動”等。2005年 “可再生能源法”在我國正式頒布實(shí)施，所有這些，預(yù)示著各國在包括生物質(zhì)成型燃料開發(fā)在內(nèi)的生物質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域的競爭進(jìn)入一個(gè)白熱化時(shí)代。 　　雖說生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是世界發(fā)展之大勢和新興的朝陽產(chǎn)業(yè)，但其當(dāng)前成本與價(jià)格尚難與石油基產(chǎn)品競爭，這一點(diǎn)對于成型燃料來說，表現(xiàn)得尤其明顯。因此，以降低儲運(yùn)成本和壓縮成型成本為目的，尋求技術(shù)上的創(chuàng)新、突破，成為生物質(zhì)成型燃料領(lǐng)域最大的命題。降低顆粒燃料的噸料能耗、降低設(shè)備的使用成本，也成為本“863”項(xiàng)目所追求的最大目標(biāo)。 　　在生物質(zhì)固化成型技術(shù)裝備研究、開發(fā)方面，國內(nèi)外的發(fā)展趨勢是裝備生產(chǎn)專業(yè)化、產(chǎn)品生產(chǎn)批量擴(kuò)大化、生產(chǎn)裝備系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。尤其在國內(nèi)應(yīng)在設(shè)備實(shí)用性、系列化上下功夫，不斷降低成本并提高技術(shù)水平，為21世紀(jì)大規(guī)模開發(fā)利用生物質(zhì)能提供必要的技術(shù)儲備。 　　5、生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與設(shè)備的先進(jìn)性與性價(jià)比 　　生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與設(shè)備先進(jìn)程度的高低必須與其性價(jià)比有機(jī)的結(jié)合起來綜合考慮。單一講究技術(shù)和設(shè)備的先進(jìn)性，不考慮技術(shù)的投入成本和市場的接受程度，不考慮技術(shù)和設(shè)備的性能與市場接受的價(jià)格合理之比，再先進(jìn)的技術(shù)在市場上如得不到應(yīng)用，也得不到用戶的認(rèn)可，這種技術(shù)起碼可以說是不完全適用的技術(shù)。生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與裝備的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是理想的噸料加工耗能量；二是適度的關(guān)鍵部件的使用壽命；三是良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成；四是合理的加工工藝路線等等。因此，在研究和設(shè)計(jì)生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)和加工設(shè)備時(shí)，要在盡可能低的噸料耗能的前提下，使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與合理，在產(chǎn)品得到較高的使用壽命的基礎(chǔ)上，保證產(chǎn)品的價(jià)格盡可能適應(yīng)市場的接受程度，使生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與裝備的先進(jìn)性與產(chǎn)品的性價(jià)比有機(jī)結(jié)合與統(tǒng)一，以利于推廣應(yīng)用。 　　二、生物質(zhì)成型燃料加工裝備技術(shù)方案技術(shù)特征 　　1、技術(shù)路線和技術(shù)方案 　　考慮到上述一些因素，我們在研究設(shè)計(jì)時(shí)充分借鑒利用現(xiàn)有技術(shù)成果，并在利用國產(chǎn)制粒機(jī)進(jìn)行成型燃料加工試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，采用新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝，研發(fā)關(guān)鍵部件；其系統(tǒng)技術(shù)方案如下所述。 　　（1）技術(shù)方案分析 　　我們研究設(shè)計(jì)的技術(shù)方案及機(jī)組總體配置示意見以下附圖： 　本技術(shù)方案以秸稈等農(nóng)林廢棄物為原料，既可將多物料聯(lián)合粉碎機(jī)、粉料輸送組合裝置、制粒機(jī)等有機(jī)集成組裝在一臺拖車上，形成一個(gè)可移動的顆粒燃料加工設(shè)備系統(tǒng)，又可將多物料聯(lián)合粉碎機(jī)、粉料輸送組合裝置、制粒機(jī)等有機(jī)集成組裝在一個(gè)固定場所進(jìn)行加工。 　　系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)方案說明如下： 　　1）多物料一次粉碎機(jī) 　　適應(yīng)的原料包括經(jīng)自然風(fēng)干的玉米稈、棉稈以及麥稈、稻草等，充分考慮到了移動式成型燃料加工系統(tǒng)對原料應(yīng)具有廣泛適應(yīng)性的要求特點(diǎn)。采用搓揉裝置和錘片粉碎、篩分裝置的有機(jī)組合技術(shù)，對原料進(jìn)行切段粉碎復(fù)合作業(yè)。粉碎后的粉料過篩后經(jīng)風(fēng)管直接輸送到粉料暫貯箱中輸送至制粒機(jī)中；人工只要把待粉碎的原料放到加料斗里即可，大大減輕了勞動強(qiáng)度，并改善了勞動條件。 　　2）粉料輸送組合裝置 　　秸稈類生物質(zhì)經(jīng)粉碎后，堆密度很低，輸送過程中容易結(jié)拱，使送料受阻。本裝置的作用是接受由粉碎機(jī)經(jīng)風(fēng)管輸送來的粉料，通過簡易脈沖裝備向制粒機(jī)內(nèi)連續(xù)不斷地輸送粉料。 　　該裝置將采用料倉防結(jié)拱技術(shù)，有效地避免因纖維性物料流動性差，而導(dǎo)致喂料不均勻情況的發(fā)生。 　　3）顆粒燃料制粒機(jī) 　　這是本技術(shù)裝備的核心和關(guān)鍵。根據(jù)移動式作業(yè)特點(diǎn)考慮上述的多種因素，采用平模制粒技術(shù)方案。實(shí)施時(shí)通過試驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)平模制粒成型模孔，調(diào)整顆粒燃料制粒工藝，減小功率，降低主軸轉(zhuǎn)速，增加輥模壓力，保證得到較高密度、質(zhì)量穩(wěn)定的成型燃料的。 　　在主要工作部件（同時(shí)也是主要易損件）壓輥和模具的加工方面，充分利用國內(nèi)輥模制造領(lǐng)域技術(shù)工藝和設(shè)備方面的優(yōu)勢，采用新材料和新工藝，進(jìn)一步提高輥模耐磨性。 　　4）系統(tǒng)集成技術(shù) 　　上述3部分集成裝在1臺拖車上，可以靈活方便地在村鎮(zhèn)間轉(zhuǎn)移，成為一個(gè)流動的加工車間，適應(yīng)了農(nóng)村秸稈原料既分散、季節(jié)性又強(qiáng)的實(shí)際作業(yè)條件。同時(shí)，可以根據(jù)不同的用戶要求，也可將上述3部分集成在固定的工作場所進(jìn)行作業(yè)。 　　本技術(shù)方案在粉碎機(jī)喂料、粉料輸送、成型顆粒篩分等環(huán)節(jié)充分考慮到了自動化的有機(jī)銜接，因此，整個(gè)系統(tǒng)的操作工人只要有3～5名即可。 　　如上所述，本方案全面考慮了農(nóng)村的實(shí)際條件，從有效發(fā)揮機(jī)組加工效能、減輕人工勞動強(qiáng)度等方面著眼，優(yōu)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)加工系統(tǒng)總功率80KW左右，處理能力500～1000Kg/h，是可以滿足課題確定的指標(biāo)要求。 　?。?）設(shè)備投資分析 　　本技術(shù)方案以枝條、秸稈等農(nóng)林廢棄物為原料，有機(jī)集成從原料篩分、粉碎到制粒成型的工藝，形成為一個(gè)整體可移動的加工設(shè)備系統(tǒng)，其中從粉碎到壓縮成型所需的設(shè)備投資合計(jì)約為20萬元。綜合分析國內(nèi)外現(xiàn)有成型燃料加工設(shè)備的生產(chǎn)率和設(shè)備投資情況，本項(xiàng)目研制的成型燃料加工設(shè)備系統(tǒng)有較大競爭優(yōu)勢。 　　2、生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與裝備技術(shù)特征 　　（1）技術(shù)特征 　　1）多物料一次粉碎技術(shù)。該技術(shù)針對不同來源、不同生物質(zhì)原料，采用組合粉碎轉(zhuǎn)子等結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種生物質(zhì)原料一次粉碎，并達(dá)到制粒成型所需的細(xì)度要求。 　　2）物料流量自動調(diào)節(jié)技術(shù)。該技術(shù)就是主要是根據(jù)成型機(jī)加工成型燃料的產(chǎn)量要求，采用簡易脈沖、負(fù)壓輸送等機(jī)構(gòu)自動調(diào)節(jié)來自于粉碎機(jī)粉碎后的生物質(zhì)原料的流量，在保證成型機(jī)不發(fā)生堵塞的情況下，使輸送到成型機(jī)的物料流量達(dá)到最大。 　　3）顆粒燃料成型技術(shù)。該技術(shù)就是將由粉碎機(jī)輸送來的生物質(zhì)原料，通過平面輥壓和平模將原料壓制成顆粒成型燃料。動力通過減速傳動機(jī)構(gòu)帶動主軸運(yùn)轉(zhuǎn)，不同直徑?？椎钠侥？梢愿鶕?jù)需要進(jìn)行更換，成型燃料加工過程可以通過檢查視窗口直接觀察并可通過打開視窗進(jìn)行維護(hù)和修理，模輥間隙和壓制壓力實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，確保顆粒成型燃料的密度符合規(guī)定的要求。 　　4）既可移動又可固定場所連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組集成技術(shù)。該技術(shù)就是根據(jù)用戶需要將多物料一次粉碎機(jī)和顆粒燃料成型加工機(jī)有機(jī)的集成為連續(xù)生產(chǎn)機(jī)組，這種機(jī)組既可安裝在固定場所，也可集成在平板機(jī)車上，所需加工動力既可適用于電力，也可適用于柴油機(jī)動力機(jī)等。 　?。?）主要技術(shù)指標(biāo) 　　1）成型燃料加工機(jī)組 　　總功率：80KW左右；生產(chǎn)能力：500～1000Kg/h； 　　可方便地整體轉(zhuǎn)移作業(yè)； 　　2）成型燃料加工成本 　　農(nóng)林剩余物固化成型燃料成本低于煤的價(jià)格，噸料能耗≤70KWh/t； 　　3）成型燃料產(chǎn)品性能 　　密度≥1g/cm3； 　　水分≤12%。 　　進(jìn)料流量可調(diào)。 三、生物質(zhì)成型燃料加工裝備的設(shè)計(jì)與研究 　　1、多物料一次粉碎機(jī)的設(shè)計(jì) 　　多物料一次粉碎機(jī)采用同軸搓揉旋切裝置和錘片式粉碎、下置式篩分裝置有機(jī)組合技術(shù)。電機(jī)動力通過皮帶盤驅(qū)動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，使秸稈通過搓揉旋切裝置，搓揉旋切成3～5厘米長，再進(jìn)入錘片粉碎室，經(jīng)受錘片撞擊剪切而粉碎。另一方面，物料與物料之間、物料與錘片之間相互摩擦進(jìn)一步破碎。小于篩孔的粉體被排出粉碎室，大于篩孔的原料則繼續(xù)被錘片打擊、粉碎、直至通過篩孔，從而達(dá)到粉碎的目的。其結(jié)構(gòu)示意如下圖所示。 　　本粉碎機(jī)主要由：轉(zhuǎn)子、機(jī)座、上下殼體、操作料斗、傳動裝置等五大部分組成。考慮到使用與維護(hù)的需要，設(shè)計(jì)了方便安裝更換篩片和錘片的簡易拆卸機(jī)構(gòu)，可以方便用戶使用。 　　多物料一次粉碎機(jī)的主要設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)為：轉(zhuǎn)子直徑：720mm，主軸轉(zhuǎn)速: 2700rpm～3500rpm，錘片數(shù)量: 128片，配用功率: 22kw，軸承型號: NSK SN520，吸風(fēng)量: 3300m3/h，產(chǎn)量: 500～1000K g/h ，整機(jī)重量：1200Kg，外形尺寸(mm)：2975×1730×1140，篩片面積(mm)：1120× 540 。 　　2、顆粒燃料成型機(jī)的設(shè)計(jì) 　　根據(jù)技術(shù)方案，成型機(jī)采用平面輥壓和平模的組合結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)按執(zhí)行部件的運(yùn)動狀態(tài)分，有動輥式、動模式、模輥雙動式三種，由于后兩種僅適用于小型平模燃料成型制粒機(jī)，較大機(jī)型一般用動輥式。因此本機(jī)即采用動輥式結(jié)構(gòu)。按磨輥的形狀分，又可以分為錐輥式和直輥式兩種，考慮到加工的工藝性本機(jī)設(shè)計(jì)為直輥式。其工作原理如下圖所示。  　　由圖可以看出，電動機(jī)通過減速箱驅(qū)動主軸，主軸帶動磨輥，磨輥繞主軸公轉(zhuǎn)的同時(shí)也繞磨輥軸自轉(zhuǎn)。加工顆粒時(shí)，生物質(zhì)原料被送入平模機(jī)的喂料室，在分料器和刮板的共同作用下均勻地鋪在平模上，主軸帶動的壓輥連續(xù)不斷地滾過料層，將物料擠壓進(jìn)入?？?，物料在模孔中經(jīng)歷成型、保型等過程。具體過程為：供料區(qū)內(nèi)的物料在重力作用下緊貼在平模上，當(dāng)壓輥向前滾動，物料進(jìn)入變形壓緊區(qū)，這時(shí)因受到擠壓，原料粒子不斷進(jìn)入粒子間的空隙內(nèi)，間隙中的空氣被排出，粒子間的相互位置不斷更新，粒子間所有較大的空隙逐漸都被能進(jìn)入的粒子占據(jù)。隨著壓輥繼續(xù)滾動，被壓實(shí)的原料進(jìn)入擠壓成型區(qū)，?？椎腻F孔部分和前半部分都屬于擠壓成型區(qū)，該區(qū)內(nèi)，壓力繼續(xù)增加，粒子本身發(fā)生變形和塑性流動，在垂直于最大主應(yīng)力的方向被延展，并繼續(xù)充填周圍較小的空隙，由于壓輥和物料間的摩擦作用加劇而產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致原料中含有的木質(zhì)素軟化，粘合力增加，軟化的木質(zhì)素和生物質(zhì)中固有的纖維素聯(lián)合作用，使生物質(zhì)逐漸成形，這時(shí)部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部，粒子結(jié)合牢固但不甚穩(wěn)定。成型塊在擠壓作用下進(jìn)入?？椎谋Ｐ投危谠摱尾焕谛螤畋３值臍堄鄳?yīng)力被消除，顆粒被定型。一定時(shí)間后以圓柱狀態(tài)被擠出，旋轉(zhuǎn)的切刀將物料切斷，形成顆粒，由掃料板將顆粒送出。 　　本燃料成型機(jī)主要由：電動機(jī)、傳動箱、主軸、喂料室、壓輥、平模 、切刀、掃料板、出料口等九大部分組成。考慮到加工密度的調(diào)節(jié)和輥模間間隙的調(diào)整，設(shè)計(jì)有液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，一是保證加工過程中的加工壓力的穩(wěn)定，二是保證輥模間間隙的自動調(diào)節(jié)，同時(shí)考慮到安裝與維修的方便性，在制粒室周圍設(shè)計(jì)有觀察與調(diào)節(jié)窗口。 　　顆粒燃料成型機(jī)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)為：平模直徑：520mm，壓輥轉(zhuǎn)速: 56rpm，壓輥壓強(qiáng): 100Mpa，配用功率: 4 5 K w，整機(jī)重量：1500K g，外形尺寸(mm)：1530×840×2047，產(chǎn)量: 500～1000Kg/h，顆粒直徑：10mm～20mm，顆粒長度：30mm，顆粒產(chǎn)品密度：≥1g/m3 。 　　3、生物質(zhì)成型顆粒燃料加工裝備的集成設(shè)計(jì) 　　生物質(zhì)成型顆粒燃料加工裝備的集成設(shè)計(jì)，就是將多物料一次粉碎機(jī)和顆粒燃料成型機(jī)，通過負(fù)壓簡易脈沖風(fēng)網(wǎng)系統(tǒng)有機(jī)的連接起來，一方面要求加工系統(tǒng)在加工過程中確保生物質(zhì)原料的輸送均勻，防止堵塞與結(jié)拱，另一方面要保證加工系統(tǒng)在加工過程中不會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染，同時(shí)盡可能少用人工作業(yè)，減少作業(yè)勞動強(qiáng)度和用工量。因此，系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)成兩種方案，一是直接將集成系統(tǒng)安裝在固定場所，二是將系統(tǒng)集成安裝在可移動的平板車上。 　　4、生物質(zhì)成型燃料加工裝備有關(guān)重要技術(shù)參數(shù)的研究結(jié)論 　?。?）生物質(zhì)原料壓縮特性 　　粉碎后的生物質(zhì)原料（秸稈）在壓縮過程中，是在一定壓力下，通過秸稈的塑性變形和其本身的木質(zhì)素軟化固化成型的。在壓縮過程中可分為3個(gè)階段：松軟階段、過渡階段和壓緊階段。在壓力較小時(shí)，成型密度隨壓力的增大顯著增大，但達(dá)到壓緊階段后，變化緩慢，趨于常數(shù)。一般情況下，在壓力為85MPa時(shí)，制粒的成型效果就較好，將壓力控制在85～100MPa范圍內(nèi)就可以達(dá)到較理想的成型要求。同時(shí)通過試驗(yàn)，探索了生物質(zhì)壓縮力和壓縮密度的關(guān)系，確定了壓縮力、壓縮密度、壓縮量的關(guān)系。 　　（2）生物質(zhì)原料的特性對成型的影響 　　生物質(zhì)原料具有流動性差、相互牽連力較大的特性，是成型喂入和壓縮的瓶頸。對于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，壓縮特性有很大的差異，并對成型過程和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。當(dāng)原料水分過高時(shí)，加熱過程中產(chǎn)生的蒸汽不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生爆鳴。但含水率太低，成型也很困難，這是因?yàn)槲⒘克謱δ舅氐能浕⑺芑写龠M(jìn)作用。成型原料的含水率一般在16%左右。植物秸稈易壓縮，在壓力作用下變形較大，壓縮比在9～12之間，木屑廢料較難壓縮，壓縮比在5～9之間。粒度小的原料輕易成型，粒度大的較難壓縮。試驗(yàn)與研究的結(jié)果表明，生物質(zhì)的特性對于解釋和說明物質(zhì)的機(jī)械變化過程很有價(jià)值。 　　（3）成型能耗 　　對于生物質(zhì)成型燃料加工系統(tǒng)來說，能耗是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，能耗是指在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)成型燃料所消耗的能量與該時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的成型燃料質(zhì)量的比值。壓縮成型的能耗主要包括三部分：原料喂入所消耗的能量；物料與成型部件內(nèi)壁摩擦所消耗的能量；克服物料彈性變形所需的能量。影響成型機(jī)能耗的主要因素有：成型燃料的密度，生產(chǎn)率，物料的種類，粒度和含水率等。肖宏儒 宋衛(wèi)東 鐘成義 秦廣明  農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所