生物質(zhì)燃料成型工藝與關(guān)鍵部件研究進展

趙瀟銘 徐建 李娜 張林海 薛黨勤 解芳

摘要：本文圍繞生物質(zhì)顆粒燃料成型工藝與關(guān)鍵部件進行研究，對現(xiàn)有的主要生產(chǎn)工藝進行總結(jié)，比較分析了壓輥擠壓成型、螺旋擠壓成型、活塞沖壓成型等傳統(tǒng)工藝及部分技術(shù)革新，同時對新出現(xiàn)的對輥柱塞成型、柱塞平模成型等工藝進行研究，探討成型原理，比較成型設(shè)計及實驗參數(shù)，提出現(xiàn)有設(shè)備的優(yōu)缺點，提出設(shè)備研發(fā)方向及標準制定方向，為研發(fā)新設(shè)備及關(guān)鍵部件提供參考。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì);顆粒燃料;成型工藝;固體成型

中圖分類號：TK6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0030-03

0? 引言

國際能源機構(gòu)（IEA）的定義，生物質(zhì)（biomass）是指通過光合作用而形成的各種有機體，包括所有的動植物和微生物。我國具有豐富的生物質(zhì)資源，我國每年各類生物質(zhì)資源超20億噸[1]，同時城鎮(zhèn)化進程以及用能方式的改變，生物質(zhì)資源大量廢棄，造成能源浪費，大量生物質(zhì)資源無人收獲且被隨意堆放或被直接焚燒，嚴重污染環(huán)境，也影響新農(nóng)村建設(shè)。

長遠來看，生物質(zhì)成型燃料作為清潔能源是全球可再生能源發(fā)展方向，到2020年，固體成型燃料利用量3000萬噸/年[2]。為推動生物質(zhì)固體成型燃料更好、更快的發(fā)展，適應(yīng)于各類生物質(zhì)（如各類農(nóng)作物秸稈、林業(yè)廢棄物及農(nóng)副產(chǎn)品廢棄物等）的新的固體成型設(shè)備的研發(fā)，仍然是必要需求。

本文對生物質(zhì)固體成型工藝現(xiàn)狀進行研究，從原理上探討固體成型設(shè)備的優(yōu)點與缺點，對熱壓和冷壓兩種成型工藝參數(shù)要求已經(jīng)成型力學實驗及理論分析現(xiàn)狀進行研究，探討解決制約規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中的相關(guān)成型設(shè)備研發(fā)的技術(shù)途徑，為相關(guān)設(shè)備研發(fā)與理論研究提供參考[3]。

1? 壓輥擠壓型固體成型設(shè)備

壓輥擠壓型固體成型設(shè)備主要以壓輥擠壓式的平模和環(huán)模成型機的應(yīng)用最為普遍，其它還有改進的壓輥成型機。

1.1 平模顆粒成型機

如圖1是平模生物質(zhì)顆粒成型機的結(jié)構(gòu)簡圖。

平模顆粒成型機采用壓模為帶孔的水平圓盤，匹配壓輥在其上旋轉(zhuǎn)擠壓物料進入模孔而成型。工作原理過程是將粉碎秸稈物料經(jīng)進料機構(gòu)進入成型機，由攤平機構(gòu)將物料攤平，然后在壓輥的擠壓作用下進入壓模成型孔壓制而成顆粒燃料，成型顆粒形狀則有成型孔形狀決定，成型顆粒擠出成長條狀，則有切刀按需要尺寸切割成長度相對統(tǒng)一的顆粒。梁昱在平模生物質(zhì)燃料成型機的結(jié)構(gòu)改進一文中[4]，提出了活動模具的結(jié)構(gòu)理念，可方便更換模具，也可以改變長徑比，其實驗機參數(shù)如表1。

楊波在平模直輥式生物質(zhì)成型機的改進設(shè)計一文中，將壓輥由直輥改為錐輥，認為輥輪在受力時不會出現(xiàn)腰鼓形狀，可以降低壓輥轉(zhuǎn)速，減少打滑現(xiàn)象，同時增加對物料向下的正壓力[5]。

1.2 環(huán)模顆粒成型機

環(huán)模成型機如圖2所示，采用的是環(huán)狀壓模和壓輥為主要工作部件的成型機，其主要由供料系統(tǒng)、攪拌調(diào)質(zhì)系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)及成型系統(tǒng)組成，其相對于平模產(chǎn)量更高，為國內(nèi)外最通用的機型[6]。

國內(nèi)外部分環(huán)模成型參數(shù)比較如表2所示。

1.3 改進環(huán)模顆粒成型機

李震在齒輥式環(huán)模生物質(zhì)成型機設(shè)計與試驗一文中[7]，將壓輥設(shè)計成帶齒型。認為壓輥擠壓物料的同時，輥齒能起到推擠物料進入模孔的作用，具有活塞沖壓與普通環(huán)模的雙重優(yōu)點。論文提到齒輥式環(huán)模生物質(zhì)成型機具有比普通環(huán)模成型機更高生產(chǎn)率，提高3.36～6.25%，平均比能耗56.82kW·h·h.-1，比普通環(huán)模成型機60.3kW·h.-1降低了5.77%。

2? 螺旋擠壓式固體成型設(shè)備

如圖3是螺旋擠壓式成型機結(jié)構(gòu)簡圖[8]。

工作原理：物料中添加粘結(jié)劑，在錐形螺旋輸輸送裝置的擠壓及輸送條件下，直徑不斷變小，壓力逐漸變大，密度增大，連續(xù)成型為棒狀燃料。（表3）

螺旋擠壓成型機目前還沒有統(tǒng)一標準，各個企業(yè)依據(jù)自家生產(chǎn)和實驗給出參數(shù)，生產(chǎn)率>10kg/kW.h，螺桿壽命>100h。

3? 活塞沖壓式固體成型設(shè)備

如圖4為活塞沖壓式成型機的結(jié)構(gòu)簡圖[9]。

工作原理：原料從進料口進入，通過機械或者液壓推動活塞壓縮物料成型，間斷性擠壓，每次成型活塞移動的距離。

毋高峰在活塞沖壓式棒狀生物質(zhì)成型機成型筒的優(yōu)化設(shè)計一文中[10]，設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖7所示，其組成主要是送料、壓縮、成型、翻轉(zhuǎn)以及卸料裝置等結(jié)構(gòu)。物料：農(nóng)作物秸稈;物料粒度/mm：12;物料含水率：10～30%;成型壓力/MPa：10;生產(chǎn)率/kg.h-1：200～500。

4? 對輥柱塞型固體成型設(shè)備

寧廷州在對輥柱塞式成型機設(shè)計與試驗一文中，其工作原理如圖5 所示。生物質(zhì)原料通過落料裝置下落到環(huán)模上，壓輥柱塞通過和環(huán)模相嚙合，物料被壓進到環(huán)模孔中，然后分離[11]。

設(shè)計實驗的主要參數(shù)：燃料顆粒直徑/mm：10;成品密度/t.m-3：1.15;物料粒度/mm：12;能耗/kg.h.t-1：56;生產(chǎn)率/kg.h-1：75。

5? 柱塞式平模固體成型設(shè)備

陳忠加在柱塞式平模生物質(zhì)成型機設(shè)計與試驗一文中，提出了柱塞式生物質(zhì)環(huán)模成型機[12]，其工作原理如圖6所示，柱塞上下運動，對原料進行擠壓，擠進相應(yīng)的成型筒中進而成型為顆粒燃料。

其主要實驗參數(shù)：

原料：玉米秸稈;顆粒度/mm：2<4;成品密度/t.m-3：1.24;生產(chǎn)率/kg.h-1：3.81;最大工作壓力/MPa：92.58;能耗/kg.h.t-1：32.8（設(shè)計值）。

6? 存在問題

我國生物質(zhì)固體成型成型工藝及關(guān)鍵設(shè)備的研發(fā)目前尚有以下幾個主要問題：

①傳統(tǒng)中的生物質(zhì)固體成型設(shè)備來源于飼料加工，對于生物質(zhì)為原料的固體成型，傳統(tǒng)的壓輥擠壓成型原理是壓輥與模具之間相對硬摩擦，傳統(tǒng)的柱塞和螺旋成型時效率較低;

②在傳統(tǒng)固體成型的基礎(chǔ)上成長起來的創(chuàng)新設(shè)計，仍然不能有效解決硬摩擦與效率之間的矛盾;

③標準不一致，各個論文中的數(shù)據(jù)出入較大，成型壓力、生產(chǎn)率、能耗等這些參數(shù)是如何計算的，是否合理，沒有統(tǒng)一的標準。

7? 結(jié)語

本文圍繞生物質(zhì)顆粒燃料成型工藝與關(guān)鍵部件進行研究，對現(xiàn)有的主要生產(chǎn)工藝進行總結(jié)，比較研究了壓輥擠壓成型、螺旋擠壓成型、活塞沖壓成型等傳統(tǒng)工藝及部分技術(shù)革新，同時研究了新出現(xiàn)的壓輥擠壓成型、對輥柱塞成型、柱塞平模成型等工藝，探討成型原理，比較成型設(shè)計及實驗參數(shù)，為研發(fā)新設(shè)備及關(guān)鍵部件提供參考。

下步工作應(yīng)加強生物質(zhì)固體成型工藝及技術(shù)革新，仍需研發(fā)新設(shè)備以適應(yīng)不同生物質(zhì)類型，同時需加強各項標準的制定，為固體成型燃料的產(chǎn)業(yè)化打下良好的社會及政策基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1]崔明，趙立欣，等.中國主要農(nóng)作物秸稈資源能源化利用分析評價[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2008，24（12）：291-296.

[2]張林海，侯書林，田宜水，趙立欣，孟海波.生物質(zhì)固體成型燃料成型工藝進展研究[J].中國農(nóng)機化，2012（05）：87-91，100.

[3]數(shù)據(jù)來源國家能源局，http：//www.gov.cn/xinwen/2016-12/05/content_5143612.htm.

[4]梁昱，周立迎，黃昊旻，姚固文.平模生物質(zhì)燃料成型機的結(jié)構(gòu)改進[J].農(nóng)機化研究，2012，34（12）：206-209，213.

[5]楊波，趙偉麗，賈孟立，杜振洲.平模直輥式生物質(zhì)成型機的改進設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2011，50（15）：3175-3177.

[6]姚宗路，趙立欣，田宜水，孟海波，龐麗沙，霍麗麗.立式環(huán)模生物質(zhì)成型機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2013，44（11）：139-143.

[7]李震，俞國勝，陳忠加，袁湘月，曹麗英.齒輥式環(huán)模生物質(zhì)成型機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2015，46（05）：220-225.

[8]高翔，曲靜霞，薛善玉，張大雷.大型螺旋固化成型機及其性能評價[J].可再生能源，2009，27（02）：83-84.

[9]李保謙，張百良，夏祖璋.PB-Ⅰ型活塞式生物質(zhì)成型機的研制[J].河南農(nóng)業(yè)大學學報，1997（02）：11-16.

[10]毋高峰，劉云鵬，呂風朝，李保謙.活塞沖壓式棒狀生物質(zhì)成型機成型筒的優(yōu)化設(shè)計[J].河南農(nóng)業(yè)大學學報，2017，51（03）：341-347，369.

[11]寧廷州，侯書林.對輥柱塞式成型機仿真分析[J].農(nóng)機化研究，2017，39（08）：58-61，65.

[12]陳忠加，俞國勝，等.柱塞式平模生物質(zhì)成型機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（19）：31-38.