生物质成型燃料加工技术与装备的研究

新能源产业生物质成型燃料加工技术与装备的研究肖宏儒宋卫东钟成义秦广明农业部南京农业机械化研究所　　本文在分析生物质成型燃料加工技术与装备的研究必须考虑的相关因素的基础上，设计了既可移动又可用于固定场所加工的生物质成型燃料加工技术和装备的技术方案，并就主要关键设备多物料一次粉碎机、生物质颗粒燃料平模成型机和加工机组的集成技术的设计进行了研究。研究表明，生物质成型燃料加工设备的性能好否，直接与生物质原料的压缩特性如压缩力、压缩密度、压缩量，一次粉碎的粒度，成型燃料的密度、生产率、能耗，关键部件平模的长径比等因素有密不可分的关系。　　我国生物质资源（农作物秸秆）丰富，但利用率不高。为了高效利用生物质资源，本文就生物质成型燃料的加工技术与装备进行初步研究，以探讨综合利用生物质资源的技术途径。　　一、影响生物质成型燃料加工装备性能的因素分析　　1、生物质原料的来源与特点　　我国是农业大国，农林废弃物资源十分丰富。我国每年总量约有7亿吨的农作物秸秆，另外，我国每年还有大量的林业采伐和林木制品加工厂产生的废弃物，如枝桠、小径木、板片、木屑等，总量也近1亿吨。生物质成型燃料，是以枝条、树皮、秸秆等农林剩余物为原料。这些原料具有来源广泛、分散、种类多、质地不统一等特点，决定了成型燃料加工技术与装备的设计必须做到满足原料来源的广泛性、多样性和方便灵活性。　　2、生物质成型燃料的特点要求与使用对象　　生物质成型燃料是将生物质原料经过粉碎、调质等处理，在高压条件下，压缩成颗粒状且质地坚实的成型物，除应具有比重大、便于贮存和运输、着火易、燃烧性能好、热效率高（是直接燃烧的5倍以上）的优点外，还应具有灰分小、燃烧时几乎不产生SO2、不会造成环境污染等优点。可作为工业锅炉、住宅区供热、农业暖房及户用炊事、取暖的燃料。成型燃料的这些特点，决定了成型燃料加工技术与装备的设计必须在充分考虑生物质原料特点的基础上，保证生物质原料的粉碎细度达到成型的要求，燃料成型的密度、成型设备的有关模科学研究ScientificResearch科学研究ScientificResearch新能源产业板、模孔、压辊等成型关键部件，在尽可能满足吨料加工能耗较少，加工关键设备使用寿命较长，加工的成型燃料性能具有较好的燃烧性能的要求下，应具有实用性、适应性和经济性。　　3、生物质成型燃料加工技术与设备的国内外现状　　成型燃料有颗粒状和棒状两大类。根据成型主要工艺特征的差别，国内外生产生物质压缩燃料的工艺大致可划分为湿压（冷压）成型、热压成型、碳化成型等3种。按成型加压的方法不同来区分，技术较为成熟、应用较多的成型燃料加工机有辊模挤压式（包括环模式和平模式）、活塞冲压式（包括机械式、液压式）、螺旋挤压式等三种机型，其中辊模挤压式成型机采用的是湿压（冷压）成型工艺，活塞冲压式、螺旋挤压式成型机都采用的是热压成型工艺。　　国外开发工作始于20世纪40年代。1948年日本申报了利用木屑为原料采用螺旋挤压方法生产棒状成型燃料的第1个专利，60年代成立了成型燃料行业协会。70年代初，美国研究开发了环模挤压式颗粒成型机，并在国内形成大量生产。瑞土、瑞典、西欧等发达国家都先后开发研究了冲压式成型机、辊模挤压式颗粒成型机。其中已有120多年历史的世界著名饲料机械生产企业——德国卡尔公司（Kahl）生产的动辊式平模制粒机，不仅能生产中低密度的颗粒饲料，而且还能生产较优高密度的颗粒燃料，成品产量大、能耗低而且质量好，在欧洲和东南亚国家使用较为广泛。在最早开发螺旋挤压成型燃料生产技术的日本也有采用环模颗粒成型机加工木屑成型燃料的大型生产企业。如今，固化成型燃烧在日本、欧、美等地已经商品化，在丹麦的一座叫阿文多的发电厂，还利用木屑压缩颗粒来发电。1985年日本平均每户家庭消耗成型燃料达750kg。1985年美国生产成型燃料达200万t以上。　　我国从20世纪80年代中期起开始了成型燃料的开发研究,一方面组织科技攻关,另一方面,引进国外先进机型，经消化、吸收，研制出各种类型的适合我国国情的生物质压缩成型机，用以生产棒状、块状或颗粒生物质成型燃料。全国现有生物质压缩成型厂35个。生物质成型燃料的种类按其密度分为中密度（800～1100Kg/m3）和高密度（1100～1400kg/m3）二种，前者适宜于家庭炉灶或小型锅炉用，也可满足自动炉排机械加料的大型锅炉用，后者更适于进一步加工成为炭化产品。　　国内主要的几种成型燃料生产技术的现状分述如下：　　1）螺旋挤压技术　　螺旋挤压成型技术是目前生产生物质成型燃料最常采用的技术，尤其是以机制炭为最终产品的用户，大都选用螺旋挤压成型机。　　1990年中国林科院林产化学工业研究所与江苏省东海粮食机械厂合作，完成了国家“七五”攻关项目——木质棒状(螺旋挤压)成型机的开发研究工作，并建立了l000t／年棒状成型燃料生产线；1993年前后，中国大陆的一部分企业和省农村能源办公室从日本、中国台湾、比利时、美国引进了近20条生物质压缩成型生产线，基本上都采用螺旋挤压式，以锯木屑为原料，生产“炭化”燃料。棒状成型燃料的形状为直径50*10-3m左右、长度450*10-3m左右，横截面为圆形或六角形，每根重约1Kg，用于蒸发量≤1000kg/h工业锅炉或民用炉灶。　　国内现已有包括陕西武功县轻工机械厂、河南省巩义合英实业公司等在内的近十家厂家生产此种类型的设备。　　螺旋挤压成型机的优点是：　　①成品密度高。以木屑、稻壳、麦草等为原料，国内生产的几种螺旋挤压成型机加工的成型棒料的密度都在1100～1400Kg/m3。　　②成品质量好、热值高，更适合再加工成为炭化燃料。　　螺旋挤压成型机的缺点是：　　①产量低，目前国产设备的最高台时产量不到150Kg/h，距离规模化生产的产量要求相差较大。　　②能耗高，粉料在螺旋挤压成型前先要经过电加温预热，挤压成型过程的的吨料电耗就在90Kwh/t以上。　　③易损件寿命短，国产设备主要工作部件——螺杆的最高寿命不超过500h，距离国际先进水平1000h以上还有不小的差距。　　④原料要求苛刻。螺旋挤压成型机采用连续挤压，成型温度通常调整在220～280℃之间，为了避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般要将原料含水率控制在8~12%之间，所以对有的物料要进行预干燥处理，增加了加工成本。这一点，对于移动式的成型燃料加工系统来说也许是一个致命伤，因为与旋挤压成型工艺相衔接还需有配套的烘干机。　　2）活塞冲压技术　　这种设备的优点是成型密度较大，允许物料水分高达20%左右，但因为是油缸往复运动，间歇成型，生产率不高，产品质量不太稳定，不适宜炭化。活塞式的成型模腔容易磨损，一般100h要修一次，有的含sio2少的生物质材料可维持300h。科学研究ScientificResearch科学研究ScientificResearch科学研究ScientificResearch科学研究ScientificResearch新能源产业　　另据报道，2003年，河南农业大学承担完成了科技部研究项目“秸秆压块成型燃料产业化生产的可行性研究”，开发了HPB―Ⅲ型液压驱动式秸秆成型机，采用活塞套筒双向挤压间歇成型。生产率：400kg/h；吨料成型电耗：60Kwh/t左右。　　另外北京三升集团研发了机械传动、活塞挤压成型技术，在工业化生产中密度饲料块的同时，还生产高密度（＞900Kg/m3）的燃料块。　　3）辊模挤压技术　　生物质颗粒燃料的辊模挤压成型技术是在颗粒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。用辊模挤压式成型机生产颗粒成型燃料一般不需要外部加热，依靠物料挤压成型时所产生的摩擦热，即可使物料软化和黏合。对原料的含水率要求较宽，一般在10%～40%之间均能成型。其最佳水份成型条件为18%左右，相比于螺旋挤压和活塞冲压而言，辊模挤压成型法对物料的适应性最好。因此，国内一些生产秸秆颗粒饲料的企业在生产颗粒饲料的同时也生产颗粒燃料，以提高设备的利用率。　　以国内知名饲料机械生产企业——江苏正昌集团为代表的我国饲料机械业界，目前在环模制粒机和平模制粒机的设计、制造方面，已积累了丰富的经验，某些方面已达到世界先进水平。在生物质颗粒成型燃料加工机械的研发方面也进行了多年的探索，并取得了可喜的成绩。　　4）环模挤压成型技术　　1994～1998年，江苏正昌集团公司联合中国林科院林产化学工业研究所承担了国家林业局下达的项目“林业剩余物制造颗粒成型燃料技术研究”。该项目以江苏正昌集团公司生产的KYW32型环模式饲料颗粒成型机为基本结构，研究成功了以木屑和刨花粉为主要原料的颗粒燃料成型机，台时产量在250Kg/h左右，产品规格：直径6*10-3m，长度为8-15*10-3m，颗粒密度＞1000Kg/m3，其热值为4800kcal/Kg左右。产品质量达到日本“全国燃料协会”公布的颗粒成型燃料标准的特级或一级。但是由于当时在材料和加工工艺等方面的原因，主要易损件环模在面对粗纤维物料时，暴露出了使用寿命短的缺陷。使用成本高，成为环模式制粒机难以在生物质成型燃料领域大面积推广的重要原因。但是，该项目的开展，为我国今后在辊模挤压成型燃料技术的发展打下了良好的基础。　　5）平模挤压成型技术。由于在平模制造工艺水平和主要加工物料对象方面与国外的差距等原因，以前国内在对平模式制粒机的研究方面不够深入，国内能生产的最大平模直径只有400*10-3m。2000年，我所承担了农业部引进国际先进农业科学技术项目（简称“948”项目）——秸秆颗粒饲料加工技术与设备的引进，在引进国际上著名的德国卡尔公司（Kahl）的38-780型大型平模式制粒机的基础上，结合我国实际，又进行了多处技术改进和创新。2003年12月，该项目通过了农业部“948”项目办公室的验收。　　与其他生物质成型颗粒（块）加工技术相比，大型平模式制粒机的优点在于：　　①原料适应性广。平模式制粒机压制室空间较大，可采用大直径压辊，因而能将诸如秸秆、干甜菜根、稻壳、木屑等体积粗大、纤维较长的原料强行压碎后压制成粒，对原料的粉碎度要求降低了。另外，平模式制粒机在压缩纤维性物料时，原料水分在15～25%（最佳18%左右）都能被压缩成型，大多数情况下，不需要对原料进行干燥。　　②产量大。经江苏省农机鉴定站检测，SZLP-780型平模制粒机在以100%苜蓿草粉为原料时，产量可达2100kg/h。在此后进行的以木屑为原料的制粒试验时，当成型颗粒密度在1100Kg/m3时，产量达到1500Kg/h，是国内现有成型颗粒燃料加工设备所达到的最大产量。　　③吨料耗电低。一方面，平模式制粒机由于压制室空间大、压辊直径大的原因，能将粒度相当大的原料制成颗粒，因而能克服环模挤压制粒机和螺旋式挤压机在这方面的局限，这就减少了物料在粉碎工段的能耗；另一方面，与环模制粒机相比，平模模孔带面积比值高，出料孔多，而且出料颗粒密度和大小比较一致。　　④辊模寿命长。由于工作原理的差异，平模式制粒机压辊的线速度比环模式的低，因而辊、模的磨损比较慢。而且，平模在一侧面工作面磨损后可翻过来使用另一侧面，可以提高使用寿命。　　⑤成型密度可调。压辊和压模之间的工作间隙和压力可通过液压式中央螺母调节装置使压辊同步升降，操作简单省时。既可生产中低密度的颗粒饲料，也可生产较高密度的颗粒燃料，一机多用。　　但总体来看，目前，我国的生物质固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上还很不足，距国际先进水平还有不小的差距。这一问题以成型机最为突出，表现在生产率低、成型能耗高、主要工作部件寿命短、机器故障率多、费用高等方面。　　4、生物质成型燃料加工技术与设备的发展趋势　　进入二十一世纪以来，人们愈加感觉到石化能源渐趋枯竭，在对可持续发展、保护环境和循环经济的追求中，世界开始将目光聚焦到了可再生能源与材料，“生物质经济”已