燃生物質顆粒燃料導熱油爐的研究開發

汪 琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

（上海熱油爐設計開發中心)

燃生物質顆粒燃料導熱油爐的研究開發

汪 琦*張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

（上海熱油爐設計開發中心)

介紹了生物質顆粒燃料的特點和綠色環保性能。分析了生物質顆粒的成型加工原理和生產工藝流程，討論了添加劑和黏結劑的作用和效果，研究了生物質顆粒的成型加工方法和成型機械裝備。設計開發了燃木材和木顆粒往復爐排管架式導熱油爐、燃生物質顆粒臥式鏈條爐排方箱形導熱油爐，給出了臥式方箱形燃生物質顆粒燃料導熱油爐的技術性能參數表，為生物質顆粒燃料的生產加工和使用提供了設計開發數據。

熱油爐 生物質顆粒 工藝流程 加工方法 機械裝備 木顆粒

0 前言

生物質顆粒燃料是采用木屑、秸稈、稻殼、玉米芯、樹枝、麥桿、稻草等農林廢棄物為原材料，經過粉碎、烘干、混合、擠壓等工藝，制成的一種顆粒狀可直接燃燒的新型潔凈燃料。一般農作物秸稈、木屑、稻殼等都具有疏松、密度小、單位體積熱值低等缺點，作為燃料使用很不方便。生物質顆粒燃料不僅能有效地解決這一問題，而且能有效地改變木屑、秸稈、稻殼等農林廢棄物的燃燒特性，實現快速、潔凈燃燒。

生物質顆粒燃料成型技術是通過粉碎、干燥、機械加壓等過程，將松散細碎的秸稈、木屑、稻殼等壓成結構緊密的顆粒狀燃料，其能量密度較加工前要大十倍左右。這種生物質顆粒燃料便于貯運，燃燒后排放的煙灰遠低于煤炭，是一種適合于導熱油爐使用的綠色可再生能源。近年來隨著對大氣環境保護力度的加強，綠色可再生能源的綜合開發也越來越受到重視，以生物質顆粒為燃料的導熱油爐得到了開發與應用，從而能使之更好地為工農業生產服務，達到改善環境、緩解能源危機的目的。

1 生物質顆粒燃料成型原理和工藝流程

木屑、秸稈、稻殼等原料內的纖維素生物質細胞中含有纖維素、半纖維素和木質素，這些成分占植物體的2/3以上。由于植物生理方面的原因，生物質原料的結構通常比較疏松，密度比較小。這些質地松散的生物質原料在受到一定的外部壓力后，原料顆粒先后經歷位置關系重新排列、顆料機械變形和塑性流變等階段，體積大幅度減小，密度顯著增大。在水分存在時，用較小的作用力即可使纖維素形成一定的形狀；當含水率在10%左右時，需施加較大的壓力才能使其成型，但成型后結構牢固。由于非彈性或黏彈性的纖維分子之間相互纏繞和絞合，在去除外部壓力后，一般不能再恢復原來的結構形狀。

對于木質素等黏彈性組分含量較高的原料，如果成型溫度達到木質素的軟化點，則木質素會發生塑性變形，從而將原料纖維緊密地黏結在一起，并維持既定的形狀。成型燃料塊經降溫冷卻后，強度增大，即可得到燃燒性能類似于木材的生物質成型燃燒塊。對于木質素含量較低的原料，在壓縮成型過程中，加入少量的諸如黏土、淀粉、廢紙漿等無機黏結劑、有機黏結劑和纖維類黏結劑，也可以使壓縮后的成型塊維持致密的結構和既定的形狀。因為這些黏結劑加入后，生物質顆粒表面會形成一層吸附層，使顆粒之間產生引力（即范德華力），同時在較小外力作用下顆粒之間也可產生靜電引力，致使生物質顆粒之間形成連鎖結構。生物質顆粒燃料成型生產的工藝流程如圖1所示。

圖1 生物質顆粒燃料成型生產的工藝流程

生物質顆料燃料成型生產中加入添加劑有兩個目的。一是增加壓塊的熱值。例如加入10%～20%的煤粉或炭粉[1]，就可以達到增加熱值的目的。但加入添加劑時一定要注意均勻度，防止因相對密度不同造成不均勻聚結。二是增加黏結力，減少動力輸入。這就要求生物質顆粒要小，便于黏結劑均勻接觸。一般都是預壓前在輸送過程中加入黏結劑，便于攪拌均勻。

為了使生物質顆粒燃料在運輸、儲存和使用時不致破損、裂開，并具有良好的燃燒性能，理想的黏結劑必須能夠保證生物質顆粒燃料具有足夠的強度和抗潮解性，而且在燃燒時不產生煙塵和異味，最好黏結劑本身也可以燃燒。常用的黏結劑可分為無機黏結劑、有機黏結劑和纖維類黏結劑三類。其中無機黏結劑有水泥、黏土和水玻璃等，雖然具有一定的黏結能力，但這類黏結劑會增加燃料的灰分含量，降低燃料的熱值，而且在生物質顆粒燃燒時會使之產生開裂現象，使用效果較差。有機黏結劑有焦油、瀝青、樹脂和淀粉等，也具有較強的黏結能力。淀粉黏結劑使用量一般為4%左右，雖然在燃燒時不產生煙氣，但其抗潮解能力較差。以焦油、瀝青和糖漿廢料作為黏結劑使用時，用量大約為30%，這類黏結劑的抗潮解能力較強，但在燃燒時會產生一定的煙氣和異味。纖維類黏結劑有廢紙漿和水解木纖維等工業廢棄物，不僅價格低廉，而且具有較好的黏結能力。使用纖維類黏結劑生產的生物質顆粒燃料可以采用自然干燥，不必進行人工干燥。

2 生物質顆粒燃料成型加工方法和成型機械裝備

生物質顆粒燃料的成型加工方法可分為濕壓成型、熱壓成型和炭化成型三種基本類型。生物質顆粒的壓縮成型機械裝備主要有螺旋擠壓成型、活塞壓力式成型和壓輥式擠壓成型三種類型。

2.1 濕壓成型

濕壓成型工藝常用于含水率較高的原料。備料時，可將原料浸水數日再將水擠走，或采用對原料噴水的方法，然后加黏結劑攪拌混合均勻。加工時，原料從濕壓成型機進料口進入成型室，然后在壓輥或壓模的轉動作用下，進入壓模與壓輥之間被擠入成型孔擠壓成型。最后用切斷刀將其切割成一定長度的顆粒從機內排出，再進行烘干處理。

2.2 熱壓成型

熱壓成型是目前普通采用的生物質壓縮成型工藝。其工藝過程一般為原料粉碎、干燥混合、擠壓成型、冷卻包裝等幾個環節。熱壓成型工藝中采用的成型機主要有螺旋擠壓式成型機、機械驅動活塞式成型機、液壓驅動活塞式成型機等幾種形式。其中螺旋擠壓式成型機采用連續擠壓的方法成型，成型溫度通常調整在220～280℃之間。為了避免成型過程中原料水分的快速汽化，導致生物質成型顆粒發生開裂和 “放炮”現象，一般要將原料含水率控制在8%～12%之間。在擠壓過程中，原料與成型部件摩擦產生的熱量不能滿足成型溫度的要求，因而需要采用電加熱元件等對成型部件進行加熱。也可以在原料進入成型機之前，將原料預加熱到100℃左右，以減輕成型部件的磨損。

2.3 炭化成型

炭化成型工藝的基本過程是：首先將生物質原料炭化或部分炭化，然后加入一定量的黏結劑擠壓成型。由于原料纖維結構在炭化過程中受到破壞，高分子組分受熱裂解轉換成炭，并釋放出揮發成分，包括可燃氣體、木醋液和焦油等，因而其擠壓加工性能得到改善，成型部件的機械磨損和擠壓過程的功率消耗明顯降低。但是炭化后的原料在擠壓成型后，維持既定形狀的能力較差，儲存、運輸和使用時容易開裂或破碎，所以采用炭化成型工藝時，一般都要加入一定量的黏結劑。如果成型過程中不使用黏結劑，要使成型顆粒具有一定的儲存和使用性能，則需要較高的成型壓力，這將明顯提高成型機的造價。

2.4 螺旋擠壓成型

螺旋擠壓成型是目前生產加工生物質顆粒燃料常用的加工方法。其成型機的主要組成包括：驅動機、傳動部件、進料機構、壓縮螺桿、成型套筒、電加熱器和控制器等。螺旋擠壓成型機的工作過程是：粉碎的物料經干燥后，從料斗連續加入，由螺旋推擠入成型套筒中，并經螺桿壓成生物質燃料棒，成品連續從成型套筒中擠出，按照一定長短規格進行切斷。由于采用這種擠出方式時必須對物料進行加熱，故在成型套筒外繞有電熱圈，使筒溫保持在220～280℃，溫度由控制器自動控制，達到設定溫度時可自動斷電。在擠壓成型過程中，由于擠壓螺桿與成型套筒是在較高的溫度和壓力以及干摩擦狀態下工作的，故磨損十分嚴重。為了提高螺桿和套筒的耐磨性，延長成型機的使用壽命，應采用可更換的硬質合金耐磨螺桿頭，并在成型套筒內增設硬質合金耐磨小襯套，這樣可將其使用壽命延長至500～1000 h。

2.5 活塞壓力式成型

生物質原料經過粉碎后，通過機械或風力送入預壓室。在預壓室內，當活塞后退時，預壓塊被送入壓縮筒；當活塞前進時，原材料則被壓緊成型。顆粒成型后，被送入保型筒。活塞往復運動，其驅動形式通常有三種：油壓、水壓、機械。油壓式設計比較成熟，運行平穩，油溫便于控制，體積小，驅動力大；水壓式體積大，投資多，驅動力小，生產能力低；機械式生產能力大，且生產的產品密度比水壓式要大得多，但其振動大、噪聲大，沒有油壓式平穩，操作人員容易疲勞。活塞壓力式成型的缺點是：間斷沖擊，會有不平衡的現象；產品不適宜炭化；雖然允許生物質原料含水率有一定的變化幅度，但受其影響產品質量也會有高低反復。

2.6 壓輥式擠壓成型

壓輥式擠壓成型機的基本工作部分是壓輥和壓模，其中壓輥可以繞本身中心軸轉動。壓輥的外圈加工成齒或槽，用于壓緊原料不至于打滑。壓模有圓盤和圓環兩種形式，壓模上加工有成型孔。原料進入壓輥和壓模之間后，在壓輥的作用下被壓入成型孔內，從成型孔內壓出的原料呈圓柱形或棱柱形，最后用切刀將其切成顆粒狀成型燃料。根據壓模的形式，壓輥式擠壓成型機可分為環模成型機和平模成型機，其中環模成型機又有臥式和立式兩種形式。用壓輥式擠壓成型機生產的顆粒成型燃料一般不需要外部加熱，也不必加入黏結劑，因為加工粉碎后的顆粒很細小，成型壓力很大，這樣依靠物料擠壓成型時所產生的摩擦熱，即可使生物質原料軟化和黏合。但是如果原料木質素含量較低，黏結力很小，則可添加少量的黏結劑。壓輥式擠壓成型對原料的含水率要求較寬，一般在10%～40%之間均能成型。

3 燃生物質顆粒燃料導熱油爐的設計開發

燃生物質顆粒燃料的導熱油爐由爐本體和燃燒裝置兩部分組成。圖2所示為燃燒廢木料和木顆粒料導熱油爐的結構，其燃燒裝置采用的是傾斜式往復爐排。其主要特點是活動爐排的往復運動能夠使火床攪動，比較適用于高水分、低熱值的廢木料和生物質顆粒燃料的燃燒。爐本體采用管架式結構，受壓元件有門形管、頂棚管、蛇形管片等，受熱面和集箱互相連接，構成爐本體支撐框架[2]。管架式導熱油爐內，與高溫煙氣接觸的耐火材料面積較大，并且耐火材料具有蓄熱特性，而爐管內的導熱油容量較小，如遇停電故障時，司爐人員需要及時采取停電保護措施，以防止爐管內導熱油超溫結焦積垢現象的發生[3]。

圖2 傾斜式往復爐排燃木顆粒料導熱油爐

管架式導熱油爐內的循環回路是由若干個依據熱負荷和流速不同而區隔的小循環回路組成的，各個小循環回路通過集箱串聯，而單個小循環回路又由多根結構特性相同的管子并聯組成。因管組與集箱采用 “Z”形連接方式，為了降低并聯管間流量偏差，除了保證并聯管結構特性盡量相同外，連接集箱直徑需要適當放大。管架式導熱油爐的受熱面管結構簡單，并且與低位的集箱相連，管內導熱油能自由流動，疏油方便。但由于導熱油的流動方向為上、下交叉流動，為了縮短脫水、排氣時間，應適當提高管內導熱油流速。

臥式鏈條爐排方箱形燃燒生物質顆粒燃料導熱油爐的結構如圖3所示。該爐爐膛內受熱面爐管為方形盤管密排布置，不僅密封性能好，保溫隔熱材料用量少，爐體重量輕，而且能較好地與機械化鏈條爐排燃燒裝置相匹配。但該爐也存在爐管鋼材利用率低、鋼材耗量大等缺點。此外，方形盤管與圓形盤管不同，不能像圓形盤管那樣，先對接焊好爐管，然后再采用專用圓形盤管機將爐管直接盤繞成圓形盤管形式。方形盤管的爐管對接接頭較多，對制造工藝水平要求較高[4]。表1是筆者設計開發的臥式方箱形燃燒生物質顆粒燃料導熱油爐的技術性能參數表。

表1 臥式方箱形燃燒生物質顆粒燃料導熱油爐的技術性能參數

燃燒生物質顆粒燃料導熱油爐設計配備有二次風結構。二次風約占總風量的30%，在燃生物質顆粒燃料導熱油爐的燃燒中起到十分關鍵的作用。二次風旋流攪拌爐膛內氣體使之混合，使爐內煙氣產生漩渦，延長懸浮的飛灰及飛灰可燃物在爐膛內的行程，使飛灰量及飛灰可燃物量進一步降低。此外，二次風對懸浮可燃物提供了新鮮空氣，有利于提高導熱油爐的熱效率，降低導熱油爐初始排煙濃度。旋流強化對流換熱技術的采用，使煙氣低溫差換熱更加優化，并且不容易積灰。采用喉口及爐膛出口煙氣溫度控制技術，可以使導熱油加熱過程更加均衡穩定。

4 結束語

生物質顆粒燃料作為一種新型的清潔能源，以其特有的經濟優勢和環保效益，完全符合了可持續發展的要求。首先，由于燃料的形狀為顆粒狀，故壓縮了體積，節省了儲存空間，同時也便于運輸，減少了運輸成本。其次，燃燒效率較高，易于完全燃燒，殘留量很少。生物質顆粒燃料的特點為：燃燒點低、易于點火、顆粒密度較高，發熱量在15 900～20 100 kJ/kg之間，經炭化后的發熱量高達29 300～33 500 kJ/kg。生物質顆粒燃料不含硫、磷，燃燒時不產生二氧化硫和五氧化二磷，因而不會導致酸雨的產生，不會污染大氣環境，具有很好的環保效益。燃生物質顆粒燃料的導熱油爐滿負荷運行時純無煙，林格曼黑度為0，爐膛揮發分燃盡率為100%，排出灰渣含碳量為3%～5%，總體燃盡率為95%～97%，節能效果顯著。燃燒后的灰燼還可以作為鉀肥直接使用，從而可以更好地為企業創利。總之，生物質顆粒燃料具有很好的經濟效益和社會效益。

[1]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.燃生物質固硫型煤導熱油爐的設計開發 [J].化工裝備技術，2014,35(6)：4-7.

[2]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.熱載體加熱爐結構與供熱循環系統智能化控制的應用研究 [J].化工裝備技術,2016，37(2)：27-33.

[3]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導熱油爐的清灰除焦與運行檢查研究[J].化工裝備技術，2015，36(2)：10-12.

[4]汪琦.國外有機熱載體加熱爐的結構設計 [J].化工裝備技術，2007，28(1)：33-37.

The Research and Development of Heat-conducting Oil Furnace Burning Biomass Pellet

Wang QiZhang Huifen Yu Hongxiao Wang Yuyou

The characteristics of biomass pellet fuel and its environmental protection performance are introduced.The forming principle and production process of bio-particles are analyzed,and the effects of additives and binders are discussed.The forming machinery equipment and forming process of biomass pellets are studied,including wet compression process,hot pressing process,carbonization process,screw extrusion process,piston type pressing process,and roller type extrusion method.The tube type heat-conducting oil furnace with reciprocating grate burning wood and wood particles,and the horizontal square-box type heat-conducting oil furnace with chain grate burning biomass pellets are designed and developed.The technical parameters table of the horizontal square-box type furnace is offered,which can provide a reference database to the production,processing and use of biomass pellet fuel.

Heat-conducting oil furnace;Biomass pellet;Technical process;Processing method;Mechanical equipment;Wood particle

TK 6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.007

2016-09-12）

*汪琦，男，1961年10月生，碩士，高級工程師。上海市，200042。