生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型技術(shù)研究進(jìn)展

歐陽(yáng)雙平1，2，侯書(shū)林1，趙立欣2，田宜水2，孟海波2

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100125）

　　摘要：綜合分析了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型技術(shù)、成型設(shè)備及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，比較了生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)和生物質(zhì)環(huán)模壓塊成型機(jī)的性能和產(chǎn)品，指出了生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模技術(shù)及設(shè)備存在著基礎(chǔ)理論薄弱、原料適應(yīng)差、易損件壽命短等問(wèn)題；提出了我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型技術(shù)的發(fā)展方向。

　　0引言

　　生物質(zhì)能作為一種清潔能源，具有可再生和環(huán)境友好的雙重屬性。發(fā)展生物質(zhì)能，既有利于緩解我國(guó)能源緊張的局面，減少溫室氣體的排放，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，又有利于改善農(nóng)村居民生產(chǎn)生活條件，增加農(nóng)民收入。我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，具有豐富的生物質(zhì)資源。目前，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量已超過(guò)7億t，折合成標(biāo)煤約為3.5億t。此外，我國(guó)還有約13億t林木業(yè)生物質(zhì)資源可供利用。

　　生物質(zhì)固體成型燃料是各類(lèi)原來(lái)分散的、沒(méi)有一定形狀的秸稈等生物質(zhì)經(jīng)干燥和粉碎后，在一定溫度與壓力作用下，壓制成的具有一定形狀的、密度較大的新型清潔燃料。它具有便于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，不僅可為農(nóng)村家庭提供炊事、取暖用能，也可作為工業(yè)鍋爐和發(fā)電廠燃料，替代煤、天然氣、燃料油等化石能源，是生物質(zhì)能利用的重要發(fā)展方向之一。隨著農(nóng)村居民生活水平的提高、對(duì)新型能源需求的擴(kuò)大以及加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)、應(yīng)對(duì)全球氣候變化的戰(zhàn)略需要，生物質(zhì)固體成型燃料已成為一種極具競(jìng)爭(zhēng)力和發(fā)展?jié)摿Φ奶娲茉础?/p>

　　目前，生物質(zhì)固體成型燃料的成型設(shè)備主要有螺旋擠壓式成型機(jī)、活塞沖壓式成型機(jī)和壓輥式成型機(jī)等3種形式。其中，壓輥式成型機(jī)分為環(huán)模成型機(jī)和平模成型機(jī)。環(huán)模成型機(jī)采用環(huán)狀壓模，成型?？篆h(huán)狀徑向輻射均布，工作區(qū)接觸面積大、模孔多，環(huán)模與壓輥接觸線上各點(diǎn)等速，具有生產(chǎn)率高、能耗較低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸成為當(dāng)前歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的主流技術(shù)。

　　本文擬通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)等進(jìn)行綜合分析，探討制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，并提出下一步研究方向及對(duì)策措施。

　　1技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　1.1環(huán)模成型理論研究進(jìn)展

　　生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)研究，早期主要集中于成型壓力和密度上。Skalweit最早提出了秸稈壓縮成型理論，得出壓力與密度為指數(shù)關(guān)系。隨后，各國(guó)的研究者對(duì)其做進(jìn)一步的證明和修正。

　　李在峰分析了成型時(shí)電耗主要集中在粉碎與制粒兩個(gè)工序上，在不影響顆粒燃料使用性能的前提下，應(yīng)盡可能地降低對(duì)密度的要求。姜洋發(fā)現(xiàn)了豆稈采用壓縮比為4.0的環(huán)模、玉米秸稈采用壓縮比為4.5的環(huán)模、鋸末采用壓縮比為5.0的環(huán)模時(shí)，顆粒燃料密度達(dá)到質(zhì)量要求時(shí)設(shè)備系統(tǒng)的能耗較低。申樹(shù)云對(duì)環(huán)模顆粒成型機(jī)核心工作部件——環(huán)模進(jìn)行了ANSYS有限元分析，建立了顆粒成型過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)模型，得到長(zhǎng)徑比為5∶1時(shí)成型效果最佳的結(jié)論。高建輝對(duì)環(huán)模壓塊成型機(jī)利用ANSYS程序?qū)Τ尚驮O(shè)備力學(xué)性能以及振動(dòng)響應(yīng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的量化分析，得到主軸部件的前6階模態(tài)振型、臨界轉(zhuǎn)速以及在工作載荷頻率下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

　　現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型設(shè)備的研究成果，主要是基于某種條件下進(jìn)行的試驗(yàn)研究得到的一些優(yōu)化結(jié)果。但受成型過(guò)程多方面因素影響，優(yōu)化結(jié)果只在特定環(huán)境發(fā)揮作用。尚沒(méi)有深入地研究環(huán)模成型機(jī)理，也缺乏對(duì)環(huán)模壓塊成型機(jī)的試驗(yàn)研究。

　　1.2產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

　　生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)最初由飼料成型設(shè)備改進(jìn)而得。早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)約翰迪爾公司生產(chǎn)的Lundell壓餅機(jī)，即采用了環(huán)模式壓餅裝置，并己成為定型產(chǎn)品在市場(chǎng)上銷(xiāo)售。目前，國(guó)外主要生產(chǎn)木制顆粒燃料。近年來(lái)，生物質(zhì)顆粒燃料總產(chǎn)量逐年增加，2008年全世界生物質(zhì)顆粒燃料總產(chǎn)量達(dá)1160萬(wàn)t，其中歐洲（不含俄羅斯）總產(chǎn)量達(dá)740萬(wàn)t。某些大企業(yè)年產(chǎn)量達(dá)數(shù)十萬(wàn)t，如瑞典Skellefte覽KraftAB公司2009年的產(chǎn)量達(dá)23.5萬(wàn)t。

　　從20世紀(jì)80年代起，我國(guó)開(kāi)始致力于生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)的研究。1996年，遼寧省農(nóng)牧業(yè)機(jī)械研究所申請(qǐng)了環(huán)模壓塊機(jī)的專(zhuān)利；1998年江蘇正昌糧機(jī)集團(tuán)公司開(kāi)發(fā)了環(huán)模顆粒成型機(jī)，生產(chǎn)能力為250～300kg/h；2008年，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院完成了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的環(huán)模顆粒成型機(jī)，并在北京市大興區(qū)建成年產(chǎn)1萬(wàn)t生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線。國(guó)內(nèi)外部分環(huán)模成型機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1。

　　目前，國(guó)外環(huán)模成型機(jī)適用原料主要為木屑等林業(yè)廢棄物，產(chǎn)品多為顆粒燃料，設(shè)備制造比較規(guī)范，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)技術(shù)大部分已經(jīng)成熟，并達(dá)到規(guī)?；蜕唐坊珒r(jià)格較高。國(guó)內(nèi)生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)還處于商業(yè)化初期，規(guī)模較小、適應(yīng)性差，因此，亟待開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的環(huán)模成型設(shè)備。

　　2生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)分類(lèi)和比較

　　生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)可按生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸規(guī)格進(jìn)行分類(lèi)，主要分為生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)和生物質(zhì)環(huán)模壓塊成型機(jī)。本文重點(diǎn)對(duì)農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院在北京大興基地研制的兩種典型環(huán)模成型機(jī)進(jìn)行分析比較。

　　2.1生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)

　　生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)生產(chǎn)的顆粒燃料，通常為圓柱形，直徑一般不大于25mm，長(zhǎng)度不大于其直徑的4倍；常見(jiàn)的直徑尺寸有6，8，10mm。顆粒燃料的密度大于壓塊燃料，達(dá)1.2～1.4t/m3。由于顆粒燃料直徑較小，?？讐嚎s比較大，對(duì)原料含水率要求較高，一般在含水率為12%~15%、原料粒徑為1～5mm時(shí)適合成型。

　　環(huán)模顆粒成型機(jī)及關(guān)鍵部件見(jiàn)圖1和圖2，該機(jī)型采用環(huán)形壓模和與其相配的圓柱形壓輥為主要工作部件，主要由喂料、攪拌、傳動(dòng)及潤(rùn)滑系統(tǒng)組成。因其壓模軸線通常為水平布置，故常稱(chēng)臥軸環(huán)模顆粒成型機(jī)。

　　環(huán)模顆粒成型機(jī)工作原理：原料在配料倉(cāng)經(jīng)專(zhuān)門(mén)配置的抄板攪拌混合，調(diào)質(zhì)處理，隨后螺旋供料器將物料喂入壓粒器制粒。在壓粒器內(nèi)，勻料板將調(diào)質(zhì)好的物料均勻地分配到模、輥之間。

　　環(huán)模由電機(jī)帶動(dòng)回轉(zhuǎn)，安裝于環(huán)模內(nèi)的2只壓輥在模輥間的物料及其間的摩擦力作用下只自轉(zhuǎn)不公轉(zhuǎn)。由于模、輥的旋轉(zhuǎn)，將模、輥間的物料鉗入、擠壓，最后成條柱狀從?？字斜贿B續(xù)擠出來(lái)，再由安裝在壓模外面的固定切刀切成一定長(zhǎng)度的顆粒燃料。

　　制粒系統(tǒng)工藝流程主要包括原料干燥、粉碎（除塵）、氣流輸送、收集、原料混合攪拌、螺旋輸送、制粒成型、切斷、冷卻、包裝、入庫(kù)等工序。

　　2.2生物質(zhì)環(huán)模壓塊成型機(jī)

　　生物質(zhì)環(huán)模壓塊成型機(jī)生產(chǎn)的壓塊燃料，通常為棱柱形或圓柱形，其直徑或橫截面的對(duì)角線一般大于25mm，長(zhǎng)度不等。由于?？讬M截面尺寸為30mm×32mm，?？讐嚎s比較小，對(duì)原料含水率要求寬松一些，一般為10%~20%。

　　環(huán)模壓塊成型機(jī)主要構(gòu)造及關(guān)鍵部件見(jiàn)圖3和圖4，它主要由喂料系統(tǒng)和主傳動(dòng)壓塊系統(tǒng)兩部分組成。

　　環(huán)模壓塊成型機(jī)的主要工作原理不同于環(huán)模顆粒成型機(jī)，它的主要工作部件是由固定的單列方?？椎沫h(huán)模和轉(zhuǎn)動(dòng)的單一偏心壓輪組成。粉碎后的秸稈物料經(jīng)喂料口進(jìn)入帶有不等螺距的內(nèi)外螺帶的機(jī)體腔倉(cāng)中，隨著主軸體的轉(zhuǎn)動(dòng)，將物料推至環(huán)模腔中，并布滿環(huán)模溝槽，由沿著環(huán)模溝槽內(nèi)切公轉(zhuǎn)和摩擦自轉(zhuǎn)的偏心壓輪將物料擠壓進(jìn)環(huán)?？字?。環(huán)模壓塊成型機(jī)主軸體與偏心壓輪有一定的偏心距形成主軸體的旋轉(zhuǎn)扭力臂，偏心壓輪的半徑形成了傳動(dòng)扭力臂，主軸體的動(dòng)力作用點(diǎn)在偏心壓輪的軸心上形成主軸圓周力。偏心壓輪每完成一次公轉(zhuǎn)周期就將布滿環(huán)模溝槽內(nèi)的物料擠壓入?？變?nèi)，從而形成了燃料塊的一個(gè)壓層。

　　隨著物料的不斷喂入和偏心壓輪的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)，便接連不斷地形成無(wú)數(shù)個(gè)物料壓層，相繼地?cái)D入模孔中，通過(guò)模孔中不斷呈柱狀擠出，然后與出料罩斜面接觸，被撅成一定長(zhǎng)度的方形柱狀物。

　　壓塊系統(tǒng)工藝流程主要包括原料干燥、粉碎（除塵）、輸送、成型、冷卻、包裝等工序。

　　2.3環(huán)模顆粒成型機(jī)與環(huán)模壓塊成型機(jī)性能對(duì)比

　　由于環(huán)模顆粒成型機(jī)的環(huán)模內(nèi)徑不超過(guò)500mm，因此環(huán)模可以整鑄；采用動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)，喂料方便，可以獲得更高的轉(zhuǎn)速；顆粒產(chǎn)品的質(zhì)量好，密度大，能達(dá)1.2~1.4t/m3，生產(chǎn)率達(dá)1.5~2t/h，成型率不低于95%。

　　由于環(huán)模壓塊成型機(jī)的環(huán)模內(nèi)徑超過(guò)800mm，因此環(huán)模采用分體式模塊組成；采用動(dòng)輪式驅(qū)動(dòng)，主運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量輕、節(jié)能，但可能導(dǎo)致喂料不均勻；壓塊產(chǎn)品的生產(chǎn)率高，能達(dá)3~4t/h，密度適中，為0.6~1.0t/m3，成型率在90%。兩種環(huán)模成型機(jī)性能特點(diǎn)如表2所示。

　　總之，環(huán)模顆粒成型機(jī)采用雙壓輥結(jié)構(gòu)受力比較均勻，壓制的顆粒產(chǎn)品成型率高、密度大、質(zhì)量好、更易于儲(chǔ)存，目前顆粒燃料已經(jīng)有了穩(wěn)定的商業(yè)化市場(chǎng)；環(huán)模壓塊成型機(jī)采用單壓輪結(jié)構(gòu)，物料攝入?yún)^(qū)域大、生產(chǎn)率高、對(duì)物料的含水率適用范圍也比較寬，生產(chǎn)的工序少、設(shè)備投資少、人工成本和能耗低、產(chǎn)品價(jià)格低。

　　3存在的主要問(wèn)題

　　3.1基礎(chǔ)理論研究薄弱

　　國(guó)內(nèi)外在秸稈壓縮環(huán)模成型基礎(chǔ)理論方面的研究還很薄弱，無(wú)法滿足生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備研究和開(kāi)發(fā)需要。目前，針對(duì)螺旋擠壓式和活塞沖壓式壓塊成型機(jī)的研究比較多，針對(duì)環(huán)模成型機(jī)的研究很少。在環(huán)模成型機(jī)的研究中，主要是針對(duì)顆粒成型機(jī)的研究多，針對(duì)壓塊成型機(jī)的研究較少，而壓塊比制粒工藝流程短，實(shí)際工作條件更惡劣，兩者差異較大，須要專(zhuān)門(mén)研究。

　　3.2原料適應(yīng)性差

　　目前，國(guó)外研究的環(huán)模成型機(jī)多以木屑等木質(zhì)類(lèi)為原料，尚缺少專(zhuān)門(mén)針對(duì)農(nóng)作物秸稈開(kāi)發(fā)的成型設(shè)備。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有針對(duì)秸稈原料的生物質(zhì)環(huán)模成型機(jī)，大部分僅適用于有限幾種原料，且可靠性差，運(yùn)行不平穩(wěn)。

　　3.3易損件使用壽命短

　　國(guó)外壓模使用壽命（以產(chǎn)量計(jì)）一般達(dá)到5000～10000t以上，國(guó)內(nèi)壽命僅100～1000t，較好的也只達(dá)5000t左右。

　　3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷

　　采用動(dòng)輪式的環(huán)模壓塊機(jī)，因采用（螺旋）曲線上料，壓輪滾動(dòng)壓縮進(jìn)料，高速旋轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)入環(huán)?？祝丛纤偷?，壓輪也剛好轉(zhuǎn)到，因物料本身重量的原因，喂料上下不太均勻。此外，物料在輸送過(guò)程中存在漏流和逆流情況，致使環(huán)模壓塊機(jī)喂料不均勻、進(jìn)料困難、易堵料，降低了生產(chǎn)率。

　　3.5壓塊燃料密度低，成型率不高

　　環(huán)模壓塊成型機(jī)壓制的壓塊普遍存在密度比較低，難以達(dá)到1t/m3以上，且成型率不高，低于90%，生產(chǎn)的壓塊易松弛，甚至出現(xiàn)開(kāi)裂的問(wèn)題，影響其燃燒效果和運(yùn)輸儲(chǔ)存。

　　4結(jié)論與建議

　　國(guó)外研究的環(huán)模成型機(jī)，所適用的原料多為木屑等木質(zhì)類(lèi)原料，少有針對(duì)農(nóng)作物秸稈這類(lèi)原料開(kāi)發(fā)的環(huán)模成型設(shè)備。環(huán)模成型機(jī)的研究還存在著基礎(chǔ)薄弱等問(wèn)題，加大力度解決生物質(zhì)環(huán)模成型技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)中的成型率低、穩(wěn)定性差、故障率高、難以保證連續(xù)作業(yè)等問(wèn)題，可有效促進(jìn)生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。

　　應(yīng)加緊對(duì)成型影響因素，如開(kāi)孔率、?？仔螤畹冗M(jìn)行試驗(yàn)研究，找出影響規(guī)律及最佳范圍，以便改進(jìn)環(huán)模成型機(jī)局部結(jié)構(gòu)。環(huán)模壓輥（輪）是環(huán)模成型機(jī)的主要工作部分，應(yīng)當(dāng)通過(guò)使用新材料、新熱處理工藝的辦法，提高環(huán)模成型機(jī)環(huán)模壓輥（輪）的使用壽命。此外，還應(yīng)提高環(huán)模成型機(jī)自動(dòng)化水平，改善操作環(huán)境，保證產(chǎn)品質(zhì)量。