雙環模結構生物質顆粒燃料設備的研制與性能分析

遼寧省能源研究所 ■ 閆昌國 張曉健 張歡 寇巍 張大雷

0 引言

隨著我國農村生活水平的提高，一方面，農村對清潔能源的需求量越來越大；另一方面，大量的農林廢棄物未得到很好利用，環境污染問題日益突出。開發生物質能源的利用既可彌補常規能源的短缺，也具有重大的環境效益，發展低碳型、環境友好型、可持續型經濟已勢在必行[1-2]。

生物質能源是以生物質為載體的綠色能源[3，4]，使用無污染，并且具有可再生的特點，是除煤炭、石油和天然氣以外占世界能源資源第4位的可再生能源。如果充分利用生物質能源，它可滿足世界范圍內約14%的能源需求[4，5]。我國疆域寬廣，生物質資源豐富，每年農村剩余秸稈量達到7.26×109t[3]，如果去除秸稈還田、牲畜飼料及生活燃燒等消耗，還約有2.5×109t的剩余量未得到很好利用。目前對于生物質能的研究開發，主要有3種手段，分別為物理轉換、化學轉換和生物轉換，涉及到氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等技術[6]。與其他生物質能利用技術相比，生物質固化技術更容易實現產業化，是提高能源密度和能效的有效方法。生物質固化技術是將各類生物質粉碎成具有一定粒度的物料，然后在一定含水率條件下通過成型設備，靠機械壓力將其擠壓制成具有一定密度、形狀規則的成型燃料的加工技術[4，7，8]，其主要目的是將體積大、密度低的生物質轉變為體積小、密度高的生物質燃料。密度可達1.0 g/cm3以上，含水率一般在12%以下，增加了單位體積的熱值(約16～21 MJ/kg)[3]，燃燒性能明顯改善。成型燃料使用方便，可作為生物質高效燃燒爐氣化爐和小型鍋爐的燃料[3]，環保無污染，體積的縮小大幅降低了運輸和儲存成本[4，9]。生物質固化技術把各類生物質資源和林業加工廢棄物轉化成成型燃料，是解決生物質資源浪費和污染的一項重要技術手段[10，11]。

由于我國對生物質能的研究起步較晚，某些關鍵技術還未完全突破，更主要的是技術的集成不夠，單一技術效益低下。我國現有顆粒燃料成型設備普遍存在能耗高的不足，使成型燃料的生產成本一直降不下來；同時，成型部件易磨損，使設備性能不穩定，大多不能長期連續運轉。因此，有必要研制開發一款結構簡單、操作方便、低能耗、高效率的成型燃料生產設備。本文介紹的SHM-300型雙環模結構的顆粒燃料加工裝備以降低生產能耗、降低產品成本、提高模具耐磨性為主攻方向，著重解決生物質成型燃料加工過程中存在的能耗高、易損件更換頻繁、維護困難等問題。

1 雙環模設備國內外發展現狀及成型原理分析

1.1 國外雙環模發展現狀

農林廢棄物常溫成型顆粒燃料的應用在發達國家受到廣泛重視，如意大利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和美國等國家生物質能在總能源消耗中所占比例增加相當迅速。2001年瑞典顆粒燃料產值為70千萬歐元，比2000年增長15%。顆粒燃料市場較大的增長需求，也促進了成型設備技術的日益完善。尤其瑞典與意大利，成功推出了冷成型顆粒燃料加工設備，全球經濟一體化，生物質能的生產應用范圍擴大，也讓他們設備開發的重點轉移到了發展中國家。亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓等國從80年代開始就先后開展了生物質成型機設備及成型工藝方面的研究并形成了工業化生產[12-16]。從純技術的角度看，意大利ETS(EcoTre System)研制開發的顆粒制粒生產系統較為先進，它對原料含水率有較寬的適應性，在10%～25%之間都可成型。所以，大部分原料無需干燥即可直接用于制粒；成型后的溫升也只有10～15 ℃，無需冷卻即可直接進行包裝，減少了干燥和冷卻兩道工序，使整套系統的能耗很低，比傳統的工藝方法減少60%～70%，且機器磨損也大幅減小。據有關資料顯示，該設備價格較高，最小系統(2 t/h)的價格為87萬英鎊/套(折合人民幣1300萬元/套)，但性能比較穩定，目前已推向市場，單位產品能耗為25～60 kWh/t。設備外形如圖1所示。

圖1 意大利ETS顆粒機

1.2 國內雙環模顆粒機發展現狀

雙環模顆粒機在國內也有報道，但還處于研究階段，未推向市場。相關研究單位也加工出了樣機，但產量很小，第一代產品只有每小時幾十kg，第二代產品正在測試，產量也只有每小時兩三百kg。單位產品能耗為100 kWh/t(包括粉碎和制粒)，與意大利的ETS系統性能還有很大差距，適合小規模的分散型處理。

1.3 雙環模顆粒機成型原理分析

雙環模顆粒成型機的成型原理是利用一對相向轉動的中空滾筒做線速度差速運動，使落入兩滾筒之間的物料由于重力作用在向下運動過程中被擠壓，并通過筒壁的成型模腔，從而被制成生物質顆粒燃料[17]，如圖2所示。

圖2 雙環模成型機結構原理圖

由于生物質原料的力傳導性極差，再加上兩滾筒間存在線速度差(n1≠n2)，使物料在進入成型模腔之前，就被施加一剪切力，使物料中的纖維素分子團錯位、變形、延展成薄片，縮短了力的傳導距離。所以，在較小壓力下，會使其相鄰相嵌、層層相疊。同時，在正壓力作用下，一部分粒子變形后進入成型模腔，形成上下嚙合的狀態，從而制成的顆粒燃料具有特定結構模型，具有很好的力學性能[17，18]。雙環模顆粒成型機就是利用這一原理生產的，具有設備體積小、運行能耗低的特點，可實現自然含水率的生物質物料在不添加任何添加劑、粘結劑的情況下常溫成型。在設備運行過程中，零部件磨損較少，在物料重力和兩個空心對輥輪轉動過程中產生相互擠壓力的聯合作用下，使物料源源不斷地被強制進入成型孔成型，再由環模內部自然斷裂后甩出，最后落到成品篩上進行篩選，分開顆粒與未成型的粉料，從而完成物料制粒的整個過程。

2 設備結構及參數的確定

2.1 設備結構的確定

根據目前國內外該種設備發展情況，經過深入研究，確定了設備傳動結構、環模轉速、環模間隙調整方式、出料方式、切刀設置方式等技術難點，并完成相關理論計算和設計圖紙，由我所加工廠自行加工和裝配，生產出實驗室規模的雙環模設備樣機。整臺設備主要由驅動電機、機架、減速機、聯軸器、齒輪箱體、活動箱體和環模組成。設備運行時，電機產生的動力通過5根C型三角帶傳遞到減速機的輸入端，經過減速后動力的一個分支通過聯軸器與齒輪箱體輸入軸相連，輸出軸上配有雙向連接鍵，帶動一個環模轉動。動力的另一個分支經過鏈條的傳動傳遞給活動箱體，該箱體輸出軸帶動另外一個環模做反方向轉動，兩個環模之間間隙由箱體上的螺桿調整。設備主機設計3D結構如圖3所示。

為了試驗測試的需要，需給設備配備可調整上料量的上料系統。根據生物質物料的特性及工藝特點，選用螺旋輸送機上料。螺旋輸送機具有結構簡單、橫斷面積較小，密封性能好、便于進料和出料、操作安全方便、制造成本較低等優點。驅動上采用電磁調速離合器進行轉速控制，便于更好地進行各種原料的試驗。最終系統配置圖如圖4所示。

圖3 設備結構圖

圖4 系統配置圖

2.2 設備基本參數確定

外形尺寸：2185 mm×1120 mm×2200 mm；整機重量：976 kg；主電機功率：37 kW；環模內徑：350 mm；環模成型孔徑：6 mm；成品顆粒規格：φ6；環模轉速：106 r/min。

3 設備性能的測試分析

影響生物質成型的因素很多，除了生物質自身的生化特性和外部壓縮條件外，還與成型機模具類型、壓縮方式、成型工藝等有密切關系，它們都從根本上影響或制約成型物內部的粘結方式和粘結力大小，直接影響成型物的物理品質差異[19-23]。而對于一臺加工好的顆粒成型機而言，原料的種類、含水率、環模轉速及工作壓力是影響顆粒成型的主要因素[24-26]。

本文論述的SHM-300型雙環模成型設備在樣機裝配完成后，進行試運轉，空轉時設備運轉平穩。投料試驗，先少量加入粉碎好的秸稈原料，主機電流緩慢上升，原料進入到模孔中，但隨著原料量的加大，電流不再增加，粉料也不再進入模孔中，從兩個環模之間落到地面，首次試驗宣告失敗。分析原因為：由于設備所用環模為新加工所得，模孔未經過拋光處理，模孔內摩擦力大于克服兩個環模間隙的力，導致物料不易進入模孔，都順著模輥間隙落到地面。找到原因后，對設備進行了改造，在兩個控制環模間隙的箱體上增加兩根絲杠拉緊裝置，并在試驗過程中采用含少量廢機油的玉米秸稈粉作為原料，摻入適量的金剛砂，這樣既可起到潤滑作用，又可對模孔進行研磨拋光。通過試運行，設備的出粒效果有了很大提高，后來又經過不斷完善，采取增加驅動電機功率、更換皮帶輪、更換環模材質和熱處理工藝調整、改變不同環模壓縮比以適應不同物料和水分的需求、配備變頻器以改變環模轉數等手段，使設備最終能適應多種物料的生產，顆粒密度和產量都有了很大的提高。

3.1 環模轉速對產量的影響

為了更好地驗證環模轉速與產量的關系，給設備配備了由深圳偉創公司生產的AC60-T3-037G/045P型變頻器，用來控制電機轉速。試驗原料為已粉碎的玉米秸稈粉，含水率為16.27%，測試結果見表1。

由表1可知，隨著環模的轉速增加，產量也逐步增加，基本為正比例關系，在環模轉速接近106 r/min時產量最高，可達612 kg/h，成品率也最高，為68.75%。隨著轉速的提升，雖然產量達到了744 kg/h，但由于環模轉速加快，導致顆粒落下時碎的較多，成品率降低為53.2%，顆粒外觀也不夠完美。

表1 環模轉速對產品產量和質量的影響

3.2 原料水分對玉米秸稈粉成型質量的影響

生物質物料內的水分一般流動于生物質團粒間，在壓力作用下，與果膠質或糖類混合會形成膠體，起粘結劑的作用。 因此，過于干燥的生物質物料通常情況下很難壓縮成型[27-29]。生物質中適量結合水和自由水的存在是一種潤滑劑，能使粒子間的內摩擦變小，流動性增強，從而促進粒子間的結合[30-32]。為了全面了解該設備對原料水分的適應性，選用易于成型的玉米秸稈原料作為試驗原料，使用我所自行設計加工的攪拌機進行水分調整，對設備進行原料水分影響情況的測試，結果見表2。

表2 原料水分對玉米秸稈粉成型產量和質量的影響

由表2可知，原料含水范圍在10%～20%之間能很好地成型，且顆粒密度和外觀都很好。超過20%成型稍差，成品率和產量有所降低，顆粒表面有裂紋，顆粒密度過小，易斷裂。低于10%的秸稈原料不易成型，產量和成品率都較低，而且秸稈粉四處飄揚，污染環境。

3.3 同一條件下不同原料的產量研究

不同種類的原料成型難易也有差別[33]，設備對原料的適應性測試，選用玉米秸稈、花生殼、鋸末3種典型原料進行試驗，測試其產量及顆粒質量的差別，結果見表3。

表3 原料對產量和質量的影響

由表3可知，在同等含水率、同等力度的情況下，3種原料中玉米秸稈和花生殼粉能較好成型，表面有光澤，產量也較高，可達到450～550 kg/h；鋸末類木質原料成型效果稍差。分析原因是原料本身不易壓縮，也沒有足夠高的溫度對木質素進行軟化，另外該種設備擠壓力不夠大，導致成型率不好，產量低下。

通過對設備的試驗運行，掌握了不同生物質成型規律，設備達到的技術指標為：生產能力：450～550 kg/h；能量消耗：小于60 kWh/t；適應原料含水率：10%～20%；顆粒密度：0.8～1.1 g/cm3。

4 結論與討論

通過對雙環模顆粒機的研制和測試工作，掌握了雙環模顆粒機成型原理和不同生物質原料成型規律，該種設備的主要優點為：1)設備能適應多種原料并可連續化生產；2)適應原料較寬的含水率，10%～25%都可很好地成型；3)設備的操作簡單，上料量大導致悶車時只要簡單反轉一下，就可迎刃而解，同時環模的調整和更換也很容易；4)設備的易損件少，維修保養十分方便。

和單環模顆粒機相比，由于該種設備為研制初期，還有很多不足之處有待完善：1)設備的成品率相對較低，目前為50%～60%；2)成品顆粒密度較小，為0.8～1.0 g/cm3；3)制粒過程中壓力不足，導致顆粒外型不夠美觀；4)整套系統配套設施不夠完善，上料過程中原料落到模輥間隙時不夠均勻，導致兩環模間隙忽大忽小，電機電流浮動較大；另外，未成型的粉料也需人工操作才能返回到上料輸送機。

本文詳實地介紹了雙環模生物質顆粒燃料設備的研制過程，并通過試驗測試分析了設備運行過程中轉數、水分等因素對造粒產量的影響，通過對比分析玉米秸稈粉、花生殼粉、鋸末3種原料的造粒成型效果，總結了該種類型設備的優缺點，為今后此類生物質成型機在市場上的應用提供了寶貴的借鑒經驗。

[1] 胥暢， 王勝清. 低碳經濟下的農作物秸稈綜合利用研究[J].經濟研究導刊 ， 2011， (31)： 205 － 207.

[2] 祖宇， 郝玲， 董良杰. 我國秸稈粉碎機的研究現狀與展望[J].安徽農業科學 ， 2012， (3)： 505 － 508.

[3] 姚向軍， 田宜水. 生物質能資源清潔轉化利用技術[M]. 北京 ： 化學工業出版社 ， 2005.

[4] 張百良. 農村能源工程學[M]. 北京： 中國農業出版社，1999.

[5] Werther J， Saenger M， Hartge E U，et al. Combustion ofagricultural residues[J]. Progress in Energy and Combustion Science， 2000， 26(1) ： 1 － 27.

[6] 蔣劍春. 生物質能源應用研究現狀與發展前景[J]. 林產化學與工業 ， 2002， (6)： 75 － 76.

[7] 王建祥， 蔡紅珍. 生物質壓縮成型燃料的物理品質及成型技術 [J]. 農機化研究 ， 2008， (1)： 209 － 211.

[8] Angelo Mazz. Study， design and prototyping of an animal traction cam based press for biomass densifi cation[J]. Mech-anism and Machine Theory， 2007， 42(6)： 652 － 667.

[9] 陳軍， 陶占良. 能源化學[M]. 北京： 化學工業出版社，2004.

[10] Li Y， Liu H. High-pressure densifi cation of wood resi-dues to form an upgraded fuel[J]. Biomass and Bioenergy， 2000， 19：177－186.

[11] Martin Junginger， Torjus Bolkesj， Douglas Bradley， et al.Developments in international bioenergy trade[J]. Biomass and Bioenergy， 2008， 32： 717 － 729.

[12] Malan I N V I， Maks I Mov A A， Kvashni N. Method and apparatus for briquetting of lignin-containing materias[P]. RU 2191799， 2002.

[13] Mason M， Dumbleton， Frederick J . Production of compactbiomass fuel[P]. WO 2003087276， 2003.

[14] Reed， Thomas B. Combined biomass pyrolysis and densifi cation for manufacture of shaped bio mass -derived solid fuels[P]. US 2003221363 ， 2003 .

[15] Werner Hans. Process and apparatus for production of fuels from compressed biomass and use of the fuels[P]. EP 1443096，2004.

[16] Demirbas A ， Sahin-Demirbas A. Briquetting properties of biomass waste materials[J]. Energy Sources， 2004， 26(1)： 83 － 91.

[17] 車戰斌. 生物質就地及時壓縮成型技術——Highzones技術 [J]. 中國能源 ， 2005， (1)： 32 － 35.

[18] 車戰斌. 松散狀生物質可成型材料的成型機[P]. 中國：03277208. 4， 2004-09-08.

[19] 王雅鵬， 孫鳳蓮， 丁文斌， 等. 中國生物質能源開發利用探索性研究[M]. 北京： 科學出版社， 2010.

[20] 朱德文， 陳永生，鐘成義， 等. 多功能空心對輥式生物質顆粒成型機的研制[J]. 農機化研究， 2007， (5)： 91－94.

[21] 盛奎川， 吳杰. 生物質成型燃料的物理品質和成型機理的研究進展 [J]. 農業工程學報 ， 2004， (2)： 243 － 246.

[22] 郭康權. 農林廢棄植物粉碎后的壓縮特性[J]. 農業工程學報 ， 1994(增刊 )， 140 － 145.

[23] 張大雷. 生物質成型燃料開發現狀及應用前景[J]. 現代農業 ， 2009， 98 － 103.

[24] 回彩娟. 生物質燃料常溫高壓致密成型技術及成形機理研究 [D]. 北京 ： 北京林業大學 ， 2006， 4 － 8.

[25] 袁振宏， 吳創之， 馬隆龍， 等. 生物質利用原理與技術[M].北京： 化學工業出版社， 2004.

[26] 李美華， 愈國勝. 生物質成型技術研究現狀[J]. 木材加工機械 ， 2005， (2)： 36 － 40.

[27] 趙廷林， 舒偉， 鄧大軍， 等. 生物質致密成型技術研究現狀與發展 [J]. 新能源產業 ， 2007， 47(4)： 29 － 33.

[28] 盛奎川， 蔣成球， 鐘建立. 生物質壓縮成型燃料技術研究綜述 [J]. 能源工程 ， 1996， 27(3)： 8 － 11.

[29］黃明權， 張大雷， 姜洋， 等. 影響生物質固化成型因素的研究 [J]. 農村能源 ， 1999， 83(1)： 17 － 18.

[30] 姜洋， 曲靜霞， 郭軍， 等. 生物質顆粒燃料成型條件的研究 [J]. 可再生能源 ， 2006， 129(5)： 16 － 18.

[31] 郭康權， 楊中平， 薛少平， 等. 玉米秸稈顆粒燃料成型的試驗研究 [J]. 西北農業大學學報 ， 1995， (2)： 106 － 108

[32] 盛奎川， 吳杰. 生物質成型燃料物理品質和成型機理的研究進展 [J]. 農業工程學報 ， 2004， 20(2)： 242 － 245.

[33] 劉石彩， 蔣劍春. 生物質能源轉化技術與應用(Ⅱ)——生物質壓縮成型燃料生產技術和設備[J]. 生物質化學工程， 2007，41(4)： 59 － 63.