生物質(zhì)燃料破碎機的開發(fā)

謝鴻微，江 林，曾 鑫，李金亮，韓 旭，王顯鋒，李浩浩，龔從宏，涂海珠，張魯剛

（1. 格薪源生物質(zhì)燃料有限公司，武漢 430223；2. 山東魯鋼機械有限公司，鄒平 256200）

為應(yīng)對全球氣候變化，越來越多的國家將發(fā)展生物質(zhì)能作為替代化石能源、保障能源安全的重要戰(zhàn)略措施。生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)成熟，生物質(zhì)消耗量大。截至2016年底，我國農(nóng)林生物質(zhì)發(fā)電累計并網(wǎng)裝機容量約646.3萬kW，每年消耗農(nóng)林生物質(zhì)約0.6億t。絕大多數(shù)農(nóng)林廢棄生物質(zhì)物料需要經(jīng)過破碎處理后方可進入下一工序。由于生物質(zhì)燃料形態(tài)、質(zhì)地、堆積密度和純凈度各異，造成其破碎效率低、磨損快和危險性高等問題；同時受我國國情限制，生物質(zhì)電廠基本上都不能依靠單一燃料滿足電廠滿負荷運行需求，需燃燒各種農(nóng)林廢棄物，那么配套的破碎機必須能夠破碎多種生物質(zhì)，而國內(nèi)尚無這種破碎能力大且能夠破碎多種生物質(zhì)的破碎機［1］。因此，開發(fā)一種用于農(nóng)林廢棄物等生物質(zhì)物料破碎加工的設(shè)備，從而有效降低破碎設(shè)備購置成本和生物質(zhì)破碎作業(yè)綜合成本，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 生物質(zhì)破碎機發(fā)展狀況

國外生物質(zhì)破碎設(shè)備發(fā)展較早，專業(yè)設(shè)備廠家較多，著名品牌有Vermeer、Bandit、CBI、Morbark等。單機產(chǎn)品依據(jù)型號大小，售價從250萬元到600萬元不等，部分大型號產(chǎn)品甚至需投資千萬，購置成本較高，導(dǎo)致物料破碎作業(yè)成本增加。若在國內(nèi)使用時出現(xiàn)故障后售后人員不能及時趕到現(xiàn)場排除故障。國外設(shè)備零部件一般為英制標準，國標零件無法與其互換，需到國外訂購，導(dǎo)致零配件供貨周期較長，影響正常生產(chǎn)。并且國外品牌的生物質(zhì)破碎機能夠處理的生物質(zhì)品種單一。

國內(nèi)生物質(zhì)破碎設(shè)備的類型主要是削片機。該機型是從人造板行業(yè)引入，其破碎效率較低且能耗高，需要操作人員數(shù)量多，且可破碎的物料品種單一，不能滿足生物質(zhì)發(fā)電用物料的破碎加工需求。削片機生產(chǎn)效率一般在3～20 t·h-1左右，主要用來破碎小徑材、樹枝椏、樹皮、板皮、邊角料等林業(yè)廢棄物。當樹皮、邊角料、山林雜灌等生物質(zhì)燃料中有石塊、鐵質(zhì)工具等混入時，這些硬質(zhì)物體進入削片機內(nèi)，會使削片機發(fā)生飛刀事故，往往給設(shè)備及操作人員造成嚴重的傷害［2］。削片機加工生物質(zhì)燃料的另一個缺點是刀片磨損快，一般1個班次需磨刀1次，減少了破碎設(shè)備有效工作時間，降低了生物質(zhì)燃料的破碎效率。

2 生物質(zhì)燃料破碎機的開發(fā)

生物質(zhì)的破碎按粉破后的粒徑分為粗破碎和粉磨。破碎后物料的粒徑大于30 mm小于200 mm的稱為粗碎。經(jīng)過粗碎后的生物質(zhì)可以作為生物質(zhì)發(fā)電的燃料輸送到鍋爐內(nèi)燃燒，或者作為成型燃料等其他生物質(zhì)利用工藝的第一階段破碎［3］。本文所研究的就是生物質(zhì)的粗碎設(shè)備，該類設(shè)備應(yīng)用范圍最廣。

生物質(zhì)燃料破碎機如圖1所示。喂料裝置由鏈板式進料槽、解包裝置和強制喂料輥組成，實現(xiàn)物料均勻地送入破碎機腔；工作裝置由破碎刀輥、篩網(wǎng)、底刀等構(gòu)成，破碎輥是破碎機的關(guān)鍵部件，它具有較好的剛性和較大的慣性矩，破碎輥上裝有合金刀頭；出料裝置采取兩級皮帶輸送，保障成品破碎料的順暢排出；動力裝置一般配置電動機，在沒有電力的條件下可以配柴油機；輔助裝置包括液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，保障整機正常運轉(zhuǎn)。

圖1 生物質(zhì)燃料破碎機Fig.1 Biomass fuel crusher

2.1 喂料裝置的設(shè)計

物料輸送一般采用膠帶輸送機。但由于生物質(zhì)燃料自然堆放時較蓬松，堆積密度小，物料與膠帶之間的摩擦力小，造成膠帶運動而物料不動，達不到輸送物料的目的。另外，模板、廢舊家具板常帶有釘子等尖銳物體，會把膠帶撕破。為此，該破碎機喂料裝置采用專門設(shè)計的由耐磨鋼制作的輸送鏈板（如圖2所示），其粗糙度高、抗沖擊、耐磨，可滿足生物質(zhì)的復(fù)雜工況。輸送鏈板承重能力遠大于皮帶輸送機，可給破碎機喂入大量物料，使提高破碎機破碎效率成為可能。組成鏈板的各塊鋼板之間留有適當?shù)目p隙，使摻在物料中的泥土在輸送過程中從縫隙中漏掉。

圖2 輸送鏈板和解包裝置Fig.2 Conveyor chain plate and unpacking device

大圓捆打捆機的廣泛使用使秸稈的收集效率更高效，也使大量利用秸稈成為可能。但在秸稈利用環(huán)節(jié)，這種層層卷的圓包卻難以解散，國內(nèi)尚無解散此圓包的裝備。通過多次試驗，設(shè)計了解包裝置，如圖2所示。該裝置可與破碎機喂料裝置配合，秸稈包解包后直接進入破碎腔，減少了中間環(huán)節(jié)，有效地解決了圓包秸稈破碎問題。

樹枝椏等生物質(zhì)燃料非常蓬松，且流動性差，不能順利地進入破碎腔。為本破碎機設(shè)計的強制喂料輥（如圖3所示）既可繞公轉(zhuǎn)軸公轉(zhuǎn)，又可繞自轉(zhuǎn)軸自轉(zhuǎn)。逆時針公轉(zhuǎn)時進料口擴大，物料進來后順時針公轉(zhuǎn)，進料口縮小，將蓬松的物料壓實，同時自轉(zhuǎn)，輥上的齒板將物料強制送入破碎腔，從而解決了蓬松物料喂料效率低下的問題。

圖3 強制喂料裝置Fig.3 Forced-feeding device

2.2 刀具的設(shè)計

刀具是生物質(zhì)破碎機的核心零件，刀具的設(shè)計決定破碎機的整體結(jié)構(gòu)和破碎能力。破碎非金屬一般采用錘頭撞擊或壓板擠壓，破碎金屬則一般采用尖銳的切削刀。生物質(zhì)的特性介于兩者之間，其刀具既要有撞擊功能，又要有切削功能。

另外，考慮到生物質(zhì)中有石塊、鐵塊等硬物，該破碎機的刀具設(shè)計為短刀頭，并將整體的大刀片分解成若干個小刀頭。這些小刀頭按螺旋線分布在整個刀輥上，即使碰到石塊、鐵塊等硬物，也只有部分刀頭受損。由于刀頭與物料的接觸面積相比于整個刀片與物料的接觸面積要小很多，所以刀輥轉(zhuǎn)速可設(shè)計成高速，從而解決了高破碎效率的難題。本文所研究的破碎機刀輥轉(zhuǎn)速為 1 000 rad·min-1，而削片機轉(zhuǎn)速一般為560 rad·min-1，因此，其破碎效率大大提高。

根據(jù)物料的性質(zhì)選用不同形式的刀頭：當需要破碎偏韌性的秸稈類物料時，使用切削刃相對尖銳的切削刀頭（見圖4）；當需要破碎脆性大、硬質(zhì)的木質(zhì)材料時，使用撞擊刀頭（見圖4）。由于單個刀頭重量輕，慣性小，所帶來的傷害就小。

圖4 切削刀頭和撞擊刀頭Fig.4 Cutting knife and impacting knife

2.3 篩網(wǎng)的設(shè)計

為了增加破碎機的破碎能力，進料槽和刀輥需足夠大。以進料有效寬度為1 200 mm的破碎機為例，其篩網(wǎng)寬度為1 200 mm，重量為120 kg，因此更換篩網(wǎng)較困難。為此設(shè)計了整體篩網(wǎng)。樣機投運后發(fā)現(xiàn)，當篩網(wǎng)下部三分之一磨損至不能使用時，上部三分之二仍可使用。篩網(wǎng)材料是較昂貴的耐沖擊、耐磨鋼材，更換篩網(wǎng)造成了較大的浪費，為此設(shè)計了組合式篩網(wǎng)。該篩網(wǎng)整體框架不同，根據(jù)磨損頻率將篩網(wǎng)分成三部分，僅需更換需要更換的部分即可，降低了使用維護成本。

2.4 安全性設(shè)計

為了保障設(shè)備及操作人員的安全，該破碎機不僅將長刀片改為短刀頭，而且設(shè)計了過載保護裝置。當?shù)额^遇到石塊、鐵塊等硬物使沖擊力達到設(shè)計值時，篩網(wǎng)下方的保護裝置會因過載而斷裂，從而擴大篩網(wǎng)與刀頭的距離，讓石塊等雜物通過，避免造成更大的損失；同時，啟動電機過載保護，立即停機清理，保障了設(shè)備及操作人員安全。該破碎機的啟動、停止及工作中的進料鏈板的前進、后退、強制喂料輥的公轉(zhuǎn)都可采用遙控器操作，操作人員在安全距離內(nèi)操作，從而避免發(fā)生人身傷害事故。

2.5 防火設(shè)計

由于生物質(zhì)易燃，防火工作在生物質(zhì)加工場所非常重要。多數(shù)市售破碎設(shè)備在破碎物料時，物料容易夾在刀輥兩側(cè)與殼體的間隙內(nèi)，高速旋轉(zhuǎn)的刀輥與物料摩擦，溫度達到燃點后會產(chǎn)生火花，引燃物料。本破碎機設(shè)計了三重防護措施，消除火災(zāi)隱患，預(yù)防火災(zāi)：在進料槽兩側(cè)設(shè)置物料導(dǎo)向板，阻止物料進入刀輥兩側(cè)縫隙；在刀輥兩側(cè)安裝側(cè)刀，側(cè)刀隨刀輥旋轉(zhuǎn)，物料一旦進入縫隙，高速旋轉(zhuǎn)的側(cè)刀將縫隙中的物料粉碎后拋出；在刀輥兩側(cè)板上安裝噴嘴和溫度傳感器，當傳感器檢測到側(cè)板溫度達到設(shè)定的溫度后，噴嘴噴水，對刀輥兩側(cè)物料進行冷卻。

2.6 輔助設(shè)計及仿真軟件的使用

采用Pro/Engineer軟件對擬開發(fā)的破碎機進行三維建模，通過模擬運行避免在實際生產(chǎn)時零部件發(fā)生互相干涉。應(yīng)用ANSYS軟件建立破碎機的整體設(shè)計方法，開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)綜合破碎機工藝包和控制技術(shù)。這些軟件的應(yīng)用，不僅縮短了設(shè)備開發(fā)的時間，而且降低了設(shè)備開發(fā)的成本。

3 主要技術(shù)經(jīng)濟指標與國內(nèi)外同類設(shè)備的比較

根據(jù)湖北省農(nóng)機推廣鑒定中心測試及用戶的使用數(shù)據(jù)，將所開發(fā)的破碎機與國外同類生物質(zhì)破碎機、國產(chǎn)BX2113B削片機設(shè)備的性能參數(shù)進行比較，結(jié)果如表1所示，表中：綜合效率指麥秸稈、破碎薪柴、建筑模板和樹根的平均破碎效率；綜合耗電指破碎薪柴、建筑模板和樹根時的耗電量平均值。因BX2113B不能破碎多種物料，所以這兩個參數(shù)均未計入。

表1 破碎機性能參數(shù)對比Tab.1 Comparison of main parameters among different crushers

從表1可以看出：①本文開發(fā)的破碎機綜合破碎效率比國外某品牌破碎機提高了72%，薪柴破碎效率比國內(nèi)BX2113B削片機的提高了136%；②本文開發(fā)的破碎機綜合耗電量比國外某品牌破碎機下降了36.8%；③BX2113B削片機沒有防火功能，而國外某品牌破碎機防火功能較弱，本文開發(fā)的破碎機具有三重防火措施，防火功能強，安全性高。④BX2113B削片機僅能對薪柴、板皮等燃料進行破碎，適應(yīng)性差；國外某品牌破碎機可以對薪柴、建筑模板和樹根等燃料進行破碎，但對打包秸稈不能破碎，燃料適應(yīng)性一般；本文開發(fā)的破碎機對以上所有生物質(zhì)燃料均可以破碎，所以燃料適應(yīng)性廣。⑤購置國外同類型的進口設(shè)備，每臺套價格近300萬元，而本文開發(fā)的破碎機購置費僅為90萬元，是國外同類機型的30%。

4 結(jié)束語

本文研發(fā)的生物質(zhì)破碎機成功投入使用后，滿足了生物質(zhì)破碎的需求，擴大了生物質(zhì)的利用范圍，降低了破碎機的購置成本及使用成本。該破碎機的成功應(yīng)用為我國生物質(zhì)電廠的發(fā)展發(fā)揮了重要作用。隨著生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，破碎機將得到更廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)也將得到更大發(fā)展。