生物质成型燃料加工技术

1、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

2、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

3、、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 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

4、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

5、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7

6、50kg。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(8001100Kg/ m3和高密度(11001400kg/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

7、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

8、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: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11001400Kg/m3 。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: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。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。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。原料要

9、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220280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812%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。 另据报道,2003年,河南

10、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

11、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19941998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

12、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

13、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:原料适应性广。平模式制粒机压制室空

14、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1525%(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。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。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

15、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。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。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

16、、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”已经浮出水面。以生物能源和化工产品生产 为主的生物质产业正在兴起,引起了世界各国政府和科学家的关注。许多国家都制定了相应的计划,如日本的“阳光计划”,美国的“能源农场”,印度的“国家战略行动”等。2005年 “可再生能源法”在我国正式颁布实施,所有这些,预

17、示着各国在包括生物质成型燃料开发在内的生物质技术领域的竞争进入一个白热化时代。虽说生物质产业是世界发展之大势和新兴的朝阳产业,但其当前成本与价格尚难与石油基产品竞争,这一点对于成型燃料来说,表现得尤其明显。因此,以降低储运成本和压缩成型成本为目的,寻求技术上的创新、突破,成为生物质成型燃料领域最大的命题。降低颗粒燃料的吨料能耗、降低设备的使用成本,也成为本“863”项目所追求的最大目标。在生物质固化成型技术装备研究、开发方面,国内外的发展趋势是装备生产专业化、产品生产批量扩大化、生产装备系列化和标准化。尤其在国内应在设备实用性、系列化上下功夫,不断降低成本并提高技术水平,为21世纪大规模开发利

18、用生物质能提供必要的技术储备。5、生物质成型燃料加工技术与设备的先进性与性价比生物质成型燃料加工技术与设备先进程度的高低必须与其性价比有机的结合起来综合考虑。单一讲究技术和设备的先进性,不考虑技术的投入成本和市场的接受程度,不考虑技术和设备的性能与市场接受的价格合理之比,再先进的技术在市场上如得不到应用,也得不到用户的认可,这种技术起码可以说是不完全适用的技术。生物质成型燃料加工技术与装备的先进性主要体现在以下几方面:一是理想的吨料加工耗能量;二是适度的关键部件的使用寿命;三是良好的产品结构组成;四是合理的加工工艺路线等等。因此,在研究和设计生物质成型燃料加工技术和加工设备时,要在尽可能低的吨

19、料耗能的前提下,使得产品的结构优化与合理,在产品得到较高的使用寿命的基础上,保证产品的价格尽可能适应市场的接受程度,使生物质成型燃料加工技术与装备的先进性与产品的性价比有机结合与统一,以利于推广应用。二、生物质成型燃料加工装备技术方案技术特征1、技术路线和技术方案考虑到上述一些因素,我们在研究设计时充分借鉴利用现有技术成果,并在利用国产制粒机进行成型燃料加工试验的基础上,优化创新设计,采用新结构、新材料、新工艺,研发关键部件;其系统技术方案如下所述。(1技术方案分析我们研究设计的技术方案及机组总体配置示意见以下附图:技术方案图 本技术方案以秸秆等农林废弃物为原料,既可将多物料联合粉碎机、粉料输

20、送组合装置、制粒机等有机集成组装在一台拖车上,形成一个可移动的颗粒燃料加工设备系统,又可将多物料联合粉碎机、粉料输送组合装置、制粒机等有机集成组装在一个固定场所进行加工。系统各部分的设计方案说明如下:1多物料一次粉碎机适应的原料包括经自然风干的玉米秆、棉秆以及麦秆、稻草等,充分考虑到了移动式成型燃料加工系统对原料应具有广泛适应性的要求特点。采用搓揉装置和锤片粉碎、筛分装置的有机组合技术,对原料进行切段粉碎复合作业。粉碎后的粉料过筛后经风管直接输送到粉料暂贮箱中输送至制粒机中;人工只要把待粉碎的原料放到加料斗里即可,大大减轻了劳动强度,并改善了劳动条件。2粉料输送组合装置秸秆类生物质经粉碎后,堆

21、密度很低,输送过程中容易结拱,使送料受阻。本装置的作用是接受由粉碎机经风管输送来的粉料,通过简易脉冲装备向制粒机内连续不断地输送粉料。该装置将采用料仓防结拱技术,有效地避免因纤维可移动式农林废弃物颗粒燃料成型设备系统可移动成型燃料加工系统集成配置示意图 Scientific Research 科学研究 性物料流动性差，而导致喂料不均匀情况的发生。 3）颗粒燃料制粒机 这是本技术装备的核心和关键。根据移动式作业特点 考虑上述的多种因素，采用平模制粒技术方案。实施时通 过试验，进一步优化设计平模制粒成型模孔，调整颗粒燃 料制粒工艺，减小功率，降低主轴转速，增加辊模压力， 保证得到较高密度、质量稳定

22、的成型燃料的。 在主要工作部件（同时也是主要易损件）压辊和模具的 加工方面，充分利用国内辊模制造领域技术工艺和设备方面 的优势，采用新材料和新工艺，进一步提高辊模耐磨性。 4）系统集成技术 上述3部分集成装在1台拖车上，可以灵活方便地在 村镇间转移，成为一个流动的加工车间，适应了农村秸 秆原料既分散、季节性又强的实际作业条件。同时，可 以根据不同的用户要求，也可将上述3部分集成在固定的 工作场所进行作业。 本技术方案在粉碎机喂料、粉料输送、成型颗粒筛 分等环节充分考虑到了自动化的有机衔接，因此，整个 系统的操作工人只要有35名即可。 如上所述，本方案全面考虑了农村的实际条件，从有 效发挥机组加

23、工效能、减轻人工劳动强度等方面着眼，优 化了系统的设计，整个加工系统总功率80KW左右，处理 能力5001000Kg/h，是可以满足课题确定的指标要求。 （2）设备投资分析 本技术方案以枝条、秸秆等农林废弃物为原料，有 机集成从原料筛分、粉碎到制粒成型的工艺，形成为一 个整体可移动的加工设备系统，其中从粉碎到压缩成型 所需的设备投资合计约为20万元。综合分析国内外现有 成型燃料加工设备的生产率和设备投资情况，本项目研 制的成型燃料加工设备系统有较大竞争优势。 2、生物质成型燃料加工技术与装备技术特征 （1）技术特征 1）多物料一次粉碎技术。该技术针对不同来源、不同 生物质原料，采用组合粉碎转子

24、等结构，实现多种生物质 原料一次粉碎，并达到制粒成型所需的细度要求。 2）物料流量自动调节技术。该技术就是主要是根据 成型机加工成型燃料的产量要求，采用简易脉冲、负压 输送等机构自动调节来自于粉碎机粉碎后的生物质原料 的流量，在保证成型机不发生堵塞的情况下，使输送到 成型机的物料流量达到最大。 3）颗粒燃料成型技术。该技术就是将由粉碎机输送 来的生物质原料，通过平面辊压和平模将原料压制成颗 粒成型燃料。动力通过减速传动机构带动主轴运转，不 同直径模孔的平模可以根据需要进行更换，成型燃料加 工过程可以通过检查视窗口直接观察并可通过打开视窗 进行维护和修理，模辊间隙和压制压力实现自动调节， 确保颗

25、粒成型燃料的密度符合规定的要求。 4）既可移动又可固定场所连续生产机组集成技术。 该技术就是根据用户需要将多物料一次粉碎机和颗粒燃 料成型加工机有机的集成为连续生产机组，这种机组既 可安装在固定场所，也可集成在平板机车上，所需加工 动力既可适用于电力，也可适用于柴油机动力机等。 （2）主要技术指标 1）成型燃料加工机组 总功率：80KW左右；生产能力：5001000Kg/h； 可方便地整体转移作业； 2）成型燃料加工成本 农林剩余物固化成型燃料成本低于煤的价格，吨料 能耗70KWh/t； 3）成型燃料产品性能 密度1g/cm3； 水分12%。 进料流量可调。 三、生物质成型燃料加工装备的设计与

26、研究 1、多物料一次粉碎机的设计 多物料一次粉碎机采用同轴搓揉旋切装置和锤片式粉 碎、下置式筛分装置有机组合技术。电机动力通过皮带盘 驱动转子高速旋转，使秸秆通过搓揉旋切装置，搓揉旋切 成35厘米长，再进入锤片粉碎室，经受锤片撞击剪切而 粉碎。另一方面，物料与物料之间、物料与锤片之间相互 摩擦进一步破碎。小于筛孔的粉体被排出粉碎室，大于筛 孔的原料则继续被锤片打击、粉碎、直至通过筛孔，从而 达到粉碎的目的。其结构示意如下图所示。 1、转子 2、上壳体 3、下壳体 4、传动系统 5、喂料斗 多物料一次粉碎机示意图 新能源产业 21 Scientific Research 科学研究 3、生物质成型颗粒燃料加工装备的集成设计 生物质成型颗粒燃料加工装备的集成设计，就是将 多物料一次粉碎机和颗粒燃料成型机，通过负压简易脉 冲风网系统有机的连接起来，一方面要求加工系统在加 工过程中确保生物质原料的输送均匀，防止堵塞与结 拱，另一方面要保证加工系统在加工过程中不会对环境 造成严重污染，同时尽可能少用人工作业，减少作业劳 动强度和用工量。因此，系统的集成设计成两种方