机械设计制造及其自动化设计秸秆固化成型技术分析

PAGE本科毕业设计设计题目：秸秆固化成型技术分析学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：机械设计制造及其自动化导师姓名：完成时间： 摘要 我国农作物秸秆资源非常丰富，每年秸秆量超过6亿t，有3.5亿t可以作为能源使用，是清洁的可再生能源。但是，由于秸秆燃烧方法与利用途径单一、陈旧，秸秆能源燃烧效率低，甚至部分粮食主产区出现秸秆就地焚烧现象，造成秸秆资源浪费，加重化石燃料利用带来的污染。为此，生物质能转换技术的研究受到各方面的高度重视，其中秸秆固化成型燃料技术可将农村松散秸秆压缩成高密度的、可替代煤的优质燃料，秸秆的规模化应用对于改善农村生活质量、保护农业生态环境、增加农民收入和促进农业可持续发展具有重要的现实意义。随着秸秆技术研究的深入，己受到人们越来越多的关注。能否使其成为农村能源的升级产品，关键在于秸秆规模化技术的解决程度。 本文通过对影响秸秆规模化技术的主要物化特性进行了试验研究，对秸秆规模化技术的经营管理进行了探索，对秸秆规模化技术发展的循环经济价值进行了评析。通过上述研究工作取得了如下成果: 1.采用对比分析的方法对成型技术进行了综合技术经济评价;确定了在不同德成型条件下成型机型能量损耗。根据我国国情，选择其中有代表的几种机型进行的对比分析，并得出最节能方案。 2.试验研究了秸秆作为工业锅炉、民用炊事炉灶、家庭取暖炉等替代燃料的燃烧性能。结果发现秸秆完全可以替代煤用于锅炉、民用炊事炉灶和家庭取暖炉等。关键词：秸秆，能耗对比分析，成型机，成型燃料特性ABSTRACTTheourcountryfarmcropstrawtheresourcesbeveryabundant，Thestrawmeasuresannuallyover600,000,000t，have350,000,000tasanenergyusage.Beingdetergentcanrenewableenergy.But,burnamethodandmakeuseofpathonebecauseofStraw,old,Strawenergycombustiontheefficiencybelow，EvenpartsoffoodlordsproduceareatoappearStrawtorightonthespotburnphenomenon.ResultinthewasteofresourcesofStraw,aggravatefossilfueltheexploitationbringofpollution.Forthis,livingcreaturequality'scanconvertatechnicalresearchishighlyvaluedbyeveryone'snoodles,amongthem,Straw'sbeingsolidtobecomeafueltechniquecancompressthevillagelaxStrawhighdefinition,canactforthehigh-qualityfuelofcoal,thescaleofStrawturnsanapplicationfortheimprovementvillagelivingquality,protectionagricultureecosystemenvironment,incrementfarmerincomewithcanhelptheagriculturetokeeponadevelopmenttohaveimportantrealisticmeaning.ThistextpassestoturnatechnicalmainthingtoturncharacteristictocarryontoexperimentaresearchtowardsinfluencingthescaleofStraw,turnedatechnicalmanagementtocarryonquesttothescaleofStrawandturnatechniquedevelopmenttothescaleofStrawofcirculatingeconomyvaluecarriedonacritique.Throughanabove-mentionedresearchworkobtainedaresultasfollows:1Theadoptioncontrastsananalyticalmethodtomodelatechniquetocarryonacomprehensivetechniqueeconomicevaluation.Makesurevirtuousinthedissimilaritymodelundertheconditionmodelenergytoexhaust.Accordingtotheourcountrystateofthenation,thechoicehasthecontrastthattherepresentative'safewmodelscarryonamongthemanalytical,andgettoeconomizeonenergyaprojectmost.2ExperimentedtostudyStrawastheindustrialboiler,publiccookingstovecookingstove,familykeepswarmaheatofetchantactforfuelofburnablefunction.DiscoverthattheStrawcompletelycanactforcoaltousedforboiler,publiccookingstovecookingstoveandfamilytokeepwarmaheatofetc，saresult.Keyword:Straw,consumecancontrast,compresstomodelmachineandthecompressionmodelscharacteristicPAGE目录1、秸秆固化成型技术的理论来源和现状 11.1生物质能概念的提出 11.2生物质能的基本特点 11.3开发生物质能的重要意义 21.4国内外秸秆成型燃料技术的研究现状 32、秸秆成型机理 43、生物质压缩成型的主要影响因素 54、压缩成型工艺 74.1湿压成型 74.2热压成型工艺 74.3碳化成型工艺 84.4Highzones技术 85、压缩成型的机型及压缩方式 95.1活塞压块机(Pistonpress) 95.2螺旋压块机(Extruderpress) 95.3模压造粒机(Matrixpelletpres) 106、机型的选取 116.1成型块的大小 116.2成型机耗能分析 126.3理论分析 136.3.1秸秆成型燃料的燃烧过程 146.3.2结论 157、秸秆成型技术的推广应用的前景分析 167.1从秸秆资源产量分析 167.2从国家政策分析 167.3从保护环境角度分析 167.4从设备方面分析 167.5从该生产线的社会效益分析 167.6从加工工艺方面分析 168、存在问题及建议 178.1存在的问题 178.2应对的政策 18参考文献 20致谢 21PAGE11、秸秆固化成型技术的理论来源和现状1.1生物质能概念的提出 生物质能源(简称生物质能)是以生物质资源为载体的能量，生物质能为人类提供了基本燃料。生物质能即生物界—切有生命的可以生长的有机物质，包括城市垃圾:工业、生活和商业垃圾，全球每年排放;有机废水:工业废水和生活污水，全球每年排放;粪便:禽、畜粪便和人类粪便，全球每年排放以上;林业生物质:薪柴、落叶、树皮、树根及林业加工废弃物等;农业废弃物:秸秆、果壳、果核、玉米芯等;水生植物:藻类、浮萍、水葫芦、风信子等;能源植物:油料作物和富含碳氢化合物的植物。1.2生物质能的基本特点生物质能是世界第四大能源，在人类历史上曾起过巨大的作用，在现实生产生活中，特别是在农村地区，仍然占有重要的地位。目前亚洲、非洲的大多数发展中国家，生物质能的消费量占全国能源消费总量的40%以上。生物质能具有其他能源无法比拟的特性。(1)生物质能分布广泛产量巨大 生物质能源的分布广泛，从南极到北极，从海洋到陆地，从平原到高山，到处都有生物质能的分布。生物质能在整个能源系统中占有重要地位，—直是人类赖以生存的重要能源之—，就其能源当量而言，是仅次于煤、油、天然气而列第四位的能源。目前，全球每年水、陆生物质通过植物光合作用产生的有机物达，是全球目前总能耗量的10倍。据估计，在理想状况下，地球上生产生物质的潜力可达到现实能源消费的180～200倍。(2)生物质能的可再生性好 大多数的生物质能是净初级生产品，即利用太阳能将二氧化碳(通过光合作用)转化为有用的碳类化合物的地球生物量。每年有大量的净初级生产品产生、消亡，但当环境条件适合生长时又会有大量的净初级生产品产生。只要保证相对合理地开发、利用并得到较好的恢复与再生，这些净初级产品是不会全部耗尽的，但可获得的量会有所波动。(3)生物质能是绿色能源 生物质能是绿色能源主要包含两方面的内容:第—，生物质能可以减少有害气体及烟尘排放量和温室气体增量，维持全球碳平衡，提高环境质量。目前主要的功能是减少因使用化石能源而产生的C02、50:等气体的排放，第二，开发利用生物质能可以减少环境公害，如生产、生活废物堆积引起的大量占用耕地现象和对景观的影响。(4)生物质能的开发转化技术容易 从目前国内外生物质能开发利用的基本形式来看，生物质能的开发较之其他新能源如:太阳能、风能、地热能、潮汐能等的开发利用相对普及。这主要是由于生物质能的开发具有层次性，无论是初级产品还是高级产品都与人类的生产生活息息相关。正是基于此，生物质开发技术上的难题就相对较少，人们既可以利用生物质能的热能效应又可以将简单的热效应充分转化为化学能、电能等高层次能源。1.3开发生物质能的重要意义(l)化石燃料和环境恶化自20世纪70年代以来，人们对石油、煤炭、天然气的贮量和可开采时限作过种种的估算与推测，几乎都得出—致的结论即21世纪化石燃料中有的将被开采殆尽，有的因开采成本高或开发使用导致的—系列环境问题而失去开采价值。地质学家早已明确指出:石油耗竭之日己为期不远。现在，尽管地质学家和经济学家们在激烈地争论石油开始匾乏的时间，但无论如何，化石燃料终将耗尽却是无可争辩的事实(参见表1-1)。“居安思危”，开发替代能源非常迫切。表1-1非可再生能源的现状能源种类占全球能耗的比例（%）可使用时间（年）化石能源煤2574220石油3240天然气1760核能4260总和78580(2)生物质能和环境保护能源的开发利用对环境的影响有三种情形:其一，对环境造成危害;其二，不对环境造成危害;其三，不仅不对环境造成危害，而且有利于改善已经破坏的生态环境。化石燃料的使用属于第一种情形，而生物质能的开发利用则属于最后一种情形。开发利用生物质能要求人们恢复植被，最终维持二氧化碳的平衡;使用这种能源几乎不会产生二氧化硫污染，有利于回收利用有机废弃物，有利于处理废水和治理污染;生物质能中的沼气发酵系统能和农业生产紧密结合，可减缓化肥农药对环境的种种不利影响，有效促进农村经济的发展。1.4国内外秸秆成型燃料技术的研究现状（1）国外秸秆成型燃料技术的研究现状国际上以美国为代表，已将秸秆作为一种重要资源进行加工、出口。而且实现了全程机械化加工，有的已实现了工厂化生产。但美国秸秆利用的方向不是燃料，而是饲料或其他工业原料，其中收集的方式是从田间开始的，主要是“秸秆打捆”技术。欧洲一些国家把秸秆加工技术用在燃料和发电上，目标是油和煤的替代燃料，秸秆加工设备、锅炉、热风炉、发电设备等都已产业化。但是，由于经济条件、管理体制、技术水平、生活习惯的差异，我国不能照搬这些国家的做法，我们前几年的一些教训也说明中国必须走符合中国实际的道路，使秸秆成型燃料成为我国农村能源利用的首选技术。国外生物质成型的主要方式有4种，即颗粒成型机、螺旋连续挤压成型机、机械驱动活塞式成型机和液压驱动活塞式成型机。螺旋挤压式成型机是最早研制生产的生物质热压成型机。这类成型机以其运行平稳、生产连续、所产成型棒易燃(由于其空心结构以及表面的炭化层)等特性在成型机市场中尤其是在印度、泰国、马来西亚等东南亚国家和我国一直占据着主导地位。 日本从20世纪30年代就开始研究应用机械活塞式成型技术处理木材废弃物，并于1954年研制出棒状燃料成型机及相关的燃烧设备，1983年又从美国引进颗粒成型燃料生产技术。美国在1976年开发了生物质颗粒及成型燃烧设备；亚洲一些国家(泰国、印度、韩国、菲律宾等)在20世纪80年代已建了不少生物质固化、碳化专业生产厂，并研制出相关的燃烧设备。日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型，并且形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已得到普遍推广应用；西欧一些国家(荷兰、瑞典、比利时、芬兰、丹麦等)在20世纪70年代已有了活塞式成型机、颗粒成型机及配套的燃烧设备。活塞挤压式成型机改变了成型部件与原料的作用方式，在大幅度提高成型部件使用寿命的同时，也显著降低了单位产品能耗。根据驱动力来源的不同，该类成型机可分为机械活塞式和液压活塞式2种。（2）国内秸秆成型燃料技术的研究现状 中国从20世纪80年代引进螺旋式生物质成型机，生物质压缩成型技术的研究开发已有20多年的历史。南京林业化工研究所在“七五”期间设立了对生物质压缩成型机及生物质成型理论研究课题。湖南省衡阳市粮食机械厂为处理大量加工粮食剩余谷壳，于1985年根据国外样机试制了第1台ZT－63型生物质压缩成型机。江苏省连云港市东海粮食机械厂于1986年引进了1台OBM－88棒状燃料成型机。1998年初，东南大学、江苏省科技情报所和国营9305厂研制出了“MD－15”型固体燃料成型机。1990年以后，陕西武功轻工机械厂、河南巩义包装设备厂、湖南农村能源办公室以及河北正定县常宏木炭公司等单位先后研制和生产出几种不同规格的生物质成型机和碳化机组。20世纪90年代期间河南农业大学、中国农机能源动力研究所分别研究出PB－Ⅰ型机械冲压式、HPB系列液压驱动活塞式和CYJ－35型机械冲压式成型机。经过多年的研究与试验，国内部分成型设备及其配套产品已发展成熟。1998年开始，河南农业大学针对其他成型设备存在生产率低、工作部件易磨损等问题，研制出了液压驱动双头活塞式HPB系列秸秆成型机及生物质成型块专用燃烧炉，对秸秆具有极好的消化能力，克服了其他成型设备难以处理秸秆的问题。2000年得到了国家科技部科技攻关和农业科技成果转化资金的支持，使课题组有条件进一步与企业和农村实际结合，为把技术转化成生产力开展深入研究，经鉴定后，2002年向企业转让了技术，正式投入了产业化示范生产；2003年课题又得到了河南省财政厅的支持，要求把技术推广到资源最丰富的农村，在农村的生活及生产领域搞替代煤的试点，提高农民文明生活水平，增加农民收入，节约能源；2004年在北京怀柔、新疆、吉林、辽宁、江苏、河南和郑州农业高技术园区等进行了试点运行，分别对秸秆成型燃料在小型锅炉、农用塑料大棚冬天供热、农户生活等方面的应用进行了试验研究，试验结果证明，秸秆成型燃料是一种燃料特性优于普通燃煤、价格低于煤、燃烧尾气污染成分少于煤的可再生优质燃料。二、不同类型成型机的性能比较生物质的压缩成型(也称固化、致密成型)是指将各类生物质废弃物，如秸秆、稻壳、锯末、木屑等，用机械加压(加热或不加热)的方法，使原没有一定形状的原料压缩成具有一定形状的，密度较大的成型燃料。生物质固化成型燃料技术能够应运发展起来，是因为一般农作物秸秆都具有疏松、密度小、单位体积的热值低等缺点，作为燃料使用很不方便。这是造成人们不愿用秸秆作为燃料的主要原因之一。秸秆生物质成型技术不仅能有效地解决这一问题，而且能有效地改变秸秆的燃烧特性。原料挤压成型后，密度可达0.8～1.3t/m3，能量密度与中质煤相当，燃烧特性明显改善，火力持久、黑烟少、炉膛温度高，且储存、运输、使用方便，干净卫生，可代替矿物能源用于生产和生活领域。因此，作为生物质转化的重要手段和方法，压缩成型技术越来越受到人们的重视。2、秸秆成型机理 构成生物质的主要物质形态为不同粒径的粒子,粒子在压缩过程中表现出的充填特性、流动特性和压缩特性对生物质的压缩成型有很大的影响。通常生物质压缩成型分为两个阶段。第一阶段,在压缩初期,较低的压力传递至生物质颗粒中,使原先松散堆积的固体颗粒排列结构开始改变,生物质内部空隙率减少。第二阶段,当压力逐渐增大时,生物质大颗粒在压力作用下破裂,变成更加细小的粒子,并发生变形或塑性流动,粒子开始充填空隙,粒子间更加紧密地接触而互相啮合,一部分残余应力贮存于成型块内部,使粒子间结合更牢固。压力、含水率及粒径是影响粒子在压缩过程中发生变化的主要因素(如图1)图1生物质颗粒成型原理3、生物质压缩成型的主要影响因素 影响生物质压缩成型的主要因素有:原料种类、含水率、粒率、成型压力、压缩成型模具的形状尺寸及加热温度等。这些影响因素在不同压缩成型方式条件下的表现形式也不尽相同。下面以西北农大邱凌教授等实验研究的结果为基础，结合生产实例分别说明这些因素的作用。1.原料的种类 不同种类的原料，其压缩成型特性有很大差异。原料的种类不但影响成型的质量，如成型块的密度、强度、热值等、而且影响成型机的产量及动力消耗.在大量的农林废弃物中，有的植物体粉碎以后容易压缩成型，有的就比较困难。例如木材废料一般难压缩(在压力作用下变形较小);而纤维状植物秸秆和树皮等容易压缩(在压力作用下变形较大)。在不加热条件下，进行压缩成型时，较难压缩的原料就不易成型，容易压缩的原料则成型也较为容易.但是在加热的条件下进行压缩成型时，如棒状燃料成型机，木材废料虽然难于压缩，但木材本身的木素含旦高，在高温下能起粘结作用。因此，其成型反而容易。而植物秸秆和树皮等，原料的粘结能力弱，因此不易成型.所以原料种类对压缩成型的影响与成型方式有密切关系。2.原料的粒度 原料粒度的大小也是影响压缩成型的重要因素。对于某一确定的成型方式，原料的粒度大小应不大于某一尺寸。例如:对于直径为6mm的颗粒成型燃料，通常要求原料的粒度不大于5mm一般来说，粒度小的原料容易压缩，粒度大的原料较难于压缩.作者在对不同粒径原料进行压缩试验时发现原料的粒径越小，在相同的压力及其实验条件下，其粒子的延伸率或变形率较大。即粒径越小，越容易成型。这种倾向在要求原料粒度较小的成型方式条件下较为明显。原料的粒度同样影响成型机的效率及成型物的质量。例如原料粒度较大时，成型机将不能有效地工作，能耗大，产量小。原料粒度不均匀，特别是形态差异较大时，成型物表面将产生裂纹，密度、强度降低.但对有些成型方式，如冲压成型时，要求原料有较大的尺寸或较大的纤维，原料粒度小反而容易产生脱落。3.原料的含水率 原料的含水率是生物质压缩成型过程中需要控制的一个重要参数。原料的含水率过高或过低都不能很好地成型.例如:对于颗粒成型燃料，一般要求原料的含水率在15%～25%wb左右;对于棒状成型燃料，要求原料的含水率不大于10%wb左右。4.成型压力与模具尺寸 成型压力是植物材料压缩成型最基本的条件。只有施加足够的压力，原材料才能被压缩成型。但成型压力与模具(成型孔、成型容器)的形状尺寸有密切关系二这是因为大多数成型机都采取挤压成型方式，即原料从成型模具的一端连续压人，又从另一端连续挤出，(出料端直径小于进料端直径)，这时原料挤压所需要的成型压力与容器内壁面的摩擦力相平衡，即机器只能产生和摩擦力相同大小的成型压力。而摩擦力的大小与模具的形状尺寸有直接关系。试验说明当压力较小时，密度随压力增加而增加的幅度较大，当压力增加到一定值以后，成型物密度的增加就变得缓慢。5.加热温度 加热温度也是影响压缩成型的一个显著因素。通过加热，一方面可使原料中含有的木素软化，起到粘结剂的作用;另一方面还可以使原料本身变软，变得容易压缩。加热温度不但影响原料成型性，而且影响成型机的工作效率.例如对于棒状燃料成型机，当机器的结构尺寸确定以后，加热温度就应调整到一个合理的范围。温度过低，不但原料不能成型，而且功耗增加;温度增高，电机功耗减小，但成型压力减小，成型物挤压不实，密度变小，容易断裂破损。且棒料表面过热烧焦，烟气较大。该机型的加热温度一般调整在150一300℃之间，使用者可根据原料形态进行调整。有些成型方式，如颗粒燃料成型机，虽然没有外热源加热，但在成型过程中，原料和机器部件之间的摩擦作用也可将原料加热到100℃，同样可使原料所含木素软化，起到粘结剂作用。4、压缩成型工艺生物质压缩成型工艺形式的划分有多种，根据主要工艺特征的差别，可以从广义上将生物质压缩成型工艺划分为湿压成型、热压成型、碳化成型等3种主要形式。4.1湿压成型 纤维类原料经—定程度的腐化后，会损失—定能量，但是与—般风干原料相比，其挤压、加压性能会有明显改善.通常情况下，将材料在常温下浸泡数日，即可使其湿润皱裂并部分降解。这种方法常用于纤维板的生产，但也可以利用简单的杠杆和木模等将腐化后的农林废弃物中的水分挤出，压缩成燃料块.菲律宾—家研究机构的试验结果表明，这类机组的生产率可以达到1t/h，在25%的含水率条件下，燃料的平均热值约为23kj/kg，该类燃料在当地被称为“绿色炭”或“绿色燃料”，燃料市场上具有—定的竞争能力。4.2热压成型工艺 热压成型是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺过程—般可分为原料粉碎、干燥混合、挤压成型和冷却包装等几个环节。由于原料的种类、粒度、含水率、成型压力、成型温度、成型方式、成型模具的形状和尺寸以及生产规模等因素对成型工艺过程和产品的性能都有—定的影响，所以，具体的生产工艺流程以及成型机结构和原理也有—定的差别，但是在各种热压成型方式中，挤压成型作业都是关键的作业步骤。 目前，热压成型工艺中采用的挤压成型机主要有螺旋挤压式成型机、机械驱动活塞式成型机、液压驱动活塞式成型机和压辊式颗粒成型机等几种形式。其中螺旋挤压成型机采用连续挤压，成型温度通常调整在150～300℃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，—般要将原料含水率控制在8%～12%之间;由于启动时原料温度较低，因而需要采用电热元件等对成型部位进行加热，但在稳定运行后，原料成型部件的摩擦发热往往不足满足成型温度的要求，还需要外部加成型压力的大小随原料和所要求成型块密度的不同而异，成型块通常为空心燃料棒，其密度—般在1.0～1.4之间。液压或机械驱动的活塞式成型机通常用于生产实心燃料棒或燃料块。其密度通常介于0.8～l.1之间，其中液压驱动的活塞式成型机对原料的含水率的要求不高，允许原料含水率高达40%左右。压辊式成型大多用于生产颗粒状的成型燃料，—般不需要外部加热，但需要在原料中加人—定量的粘结剂。4.3碳化成型工艺 碳化成型工艺的基本特征是，首先将生物质原料碳化或部分碳化，然后再加人—定量的粘结剂挤压成型。由于原料纤维结构在碳化过程中受到破坏高分子组份受热裂解转换成炭并释放出挥发份(包括可燃体、木醋液和焦油等)因而其挤压加工性能得到改善，成型部件的机械磨损和挤压加工过程中的功率消耗明显降低。但是，碳化后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差，贮存、运输和使用时容易开裂或破碎，所以采用碳化成型工艺时，—般都要加人—定量的粘结剂。如果在成型过程中不使用粘结剂，要保证成型块的贮存和使用性能，则需要较高的成型压力，这将明显提高成型机的造价(据美国、仪TA公司资料介绍，这种成型机的价格约为10万美元)。4.4Highzones技术生物质材料的力传导性极差，但通过缩短力传导距离，给其一个剪切力，可使纤维素分子团错位、变形、延展成薄片，在较小的压力下，使其相邻相嵌、层层相叠、严密包裹重新组合而成型。利用这一理论制造的机械设备，体积小、能耗低，可以实现自然含水率生物质不用任何添加剂、粘结剂的常温压缩成型。若与联合收割机配套，可以实现能源与粮食一起收获。此技术简称为Highzones技术。Highzones技术比现有的热压成型技术减少了烘干、成型时加热以及降温等三个耗能程序，可实现就地及时压缩成颗粒燃料，消除了自然态生物质材料大规模应用中的运输储藏成本。而且，Highzones技术颗粒燃料产品的成型后可直接包装，无密封、防潮等特殊要求。此外，这两种技术在成型过程中均不需要任何添加剂和粘结剂。5、压缩成型的机型及压缩方式 目前世界各地研制生产的成型燃料主要有两类。—类是压缩块(Briquette)，主要应用于间歇式加嫩料的燃具，如家用炊事灶、取暖炉等。另—类是压缩粒(Pellet)，主要应用于连续式加料燃器，如锅炉、干燥窑和气化炉等。根据成型原理的不同，压缩成型机可分为以下三种类型。5.1活塞压块机(Pistonpress) 其产品是压缩块，生物质原料的成型是靠活塞的往复运动实现的。其进料、压缩和出料过程都是间歇进行的，即活塞每工作—次可以形成—个压缩块(图2)。在压缩管内块与块挤在—起，但有边界。当生物质压块燃料从压块机的出口处被挤出时，在自重的作用下能自行分离。此类压块机按驱动动力不同又可分为两类:—类是用发动机或电动机通过机械传动驱动压块机的，即机械驱动活塞压块机:另—类是用液压机构驱动的，即液压驱动活塞压块机。图2活塞压块机压缩成型示原理5.2螺旋压块机(Extruderpress) 此类压块机最早被研制开发，也是当前各地推广应用较为普遍的—种机型，其结构原理如图3所示:图3螺旋压块机成型原理 根据生物质压缩成型过程中粘结机理的不同，螺旋压块机又可分为加热和不加热两种。一种是在物料先加人粘结剂(如原料本身具有粘合作用的则可不加)，然后在锥形螺旋输送器的压送下压力逐渐增大，到达压缩喉口时物料所受压力达到最大。物料在高压下密度增大，并在粘结剂的作用下结成固体块。压缩块从压块机的出口处被连续挤出。另—种是在压块机压缩模外设置—段加热装置(图4).生物质中的木素受热塑化后具有粘性.使生物质原料热压成型。目前我国研制的主要是这种类型的压块机。图4电加热螺旋压块机5.3模压造粒机(Matrixpelletpres) 其产品是压缩粒。—种是平板模造粒机(diskmatrixpelletpress)，如图5。平板模上有4 ～6个滚子。滚子随滚子轴作圈周运动。原料在滚子与模板间受挤压，多数原料被挤人模板孔中。切割刀将模板孔中挤出的压缩条按需要长度切荆成位。另—种是环板模造粒机(Ringmatrixpelletpress)，如图6.其结构较简单，工作时模板与滚子的磨损较少，故耗能量也较低.圈5平模造粒机工作原理圈6环模造粒机工作原理6、机型的选取6.1成型块的大小 秸秆固化成型机最重要的指标也是我们最关心的就是生产相同的成型燃料所消耗的能量的大小。而消耗的能量大小的差别就来自于所生产的成型块的大小。目前为止国内所生产研究的成型机所生产的成型块的长度范围为10mm～250mm 大径成型块参考的是河南农业大学研制的HPB-Ⅲ型液压活塞成型机所生产的成型快。成型机额定压力31.5MPa，正常工作压力25MPa，生产能力根据原料不同最高可达600Kg/h，主电机功率18.5KW，成型套筒外辅4KW电加热套，由热电偶与控制柜联结并指示加热温度，另外配有自动输送上料机等辅助系统。 此种机型能将原料的粒度大大放宽，粗大玉米秸秆只需简单切碎，对麦秸、豆秸、稻壳、花生壳等直径小于1cm、长度小于25cm的大粒径松软生物质秸秆，不需要粉碎便可输入成型机挤压出成型燃料。 小径成型快参考的是由河北省农机化研究所生产的模式成型机。成型颗粒的主要指标为：颗粒直径≤9.5mm;颗粒长度20～30mm;水分≤12%;颗粒碎末≤10kg/t(必须过筛);颗粒密度≥1.0t/㎡。 其工艺流程为：以玉米秸秆和水稻秸秆为原料，经自然干燥,至含水率在16%(质量)以下;将干燥后的原料用粉碎机粉碎成至8mm以下的粉料,筛网孔径为6～8mm;将粉料加水后,用混料机进行混合均匀,控制含水率为18%～22%(质量);将混合均匀的物料经蒸汽软化,传送到造粒机内挤压造粒,压制成直径为6～9mm、长度为20～30mm的颗粒,含水率为17%～18%(质量);将秸秆颗粒输送到冷却器内冷却、筛选,使颗粒温度≤40℃,颗粒成型率为96%,颗粒含水率为12%。用特制聚丙烯复膜编织袋包装成以25kg/袋的成品。6.2成型机耗能分析1、立式环模：主要由清华大学清洁能源研究与教育中心研制，根据其在中国能源第一期上的文献报道，能耗包括粉碎耗能40kwh/t，压缩耗能60kwh/t。（没有报道其装机功率及生产率）。生产1吨成型燃料粉碎所需要的能量为：40kwh=144MJ。生产1吨成型燃料成型机所消耗的能量为：60kwh=216MJ以玉米秸秆为例输入1.1吨原料热值：输入1.1吨原料热值：MJ粉碎能耗144MJ/t216MJ/t输出1吨成型燃料热值：17650MJ 生产1吨成型燃料总能量损失为：-17650+144+216=992MJ2、卧式环模：由河北省农机化研究所生产率400-600kg/h，装机功率18.5（主电机）+1.1（给料电机）kw，粉碎耗能假设也为40kwh/t。生产1吨成型燃料粉碎所需要的能量为：40kwh=144MJ。生产1吨成型燃料成型机所消耗的能量为：1000÷500Χ19.6=39.2kwh=141.12MJ按玉米杆计算：输入1.1吨原料热值：输入1.1吨原料热值：MJ输出1吨成型燃料热值：17650MJ粉碎能耗144MJ141.12MJ 生产1吨成型燃料总能量损失为：-17650+144+141.12=917.12MJ3、平模颗粒成型机：由吉林华光生态研究所生产，生产率300-600kg/h,（计算取400kg/h）功率30Kw，由于没有提供粉碎能耗或相关资料，假设粉碎能耗能为40kwh/t，并以玉米秸秆为例进行计算：生产1吨成型燃料粉碎所消耗的能量为：40kwh=144MJ生产1吨成型燃料成型机所消耗的能量为：1000÷400Χ30=75kwh=270MJ按玉米杆计算：输入1.1吨原料热值：输入1.1吨原料热值：MJ输出1吨成型燃料热值：17650MJ粉碎能耗144MJ/t270MJ/t生产1吨成型燃料总能量损失为：-17650+144+270=1046MJ4液压活塞式：由河南农业大学研制生产，生产率200-350kg/h（计算取值300kg/h）,装机功率：30.5Kw（其中电机功率18.5Kw，加热功率2Χ4Kw，上料电机2Χ2Kw）。粉碎机4.5Kw，生产率700kg/h，生产1吨成型燃料粉碎所消耗的能量为：1000÷700Χ4.5=6.43kwh=23.14MJ生产1吨成型燃料成型机所消耗的能量为：1000÷300Χ30.5=101.667kwh=366MJ按玉米杆计算：输入1.1吨原料热值：MJ输入1.1吨原料热值：MJ输出1吨成型燃料热值：17650MJ粉碎能耗23.14MJ/t366MJ/t 生产1吨成型燃料总能量损失为：-17650+23.14+366=1021.14MJ5、螺旋式：目前国内主要由河南巩仪三金木炭厂、辽宁省能源研究、北京桑达等生产厂家。其生产率和能耗大同小异，下面以河南巩仪三金木炭厂螺旋成型机为例来估算其成型过程中能量流。 生产率150kg/h，装机功率15.5kw（其中成型机动力11kw，电加热4.5kw），烘干机动力4kw。烘干机每小时的产量有原料的含水率有很大的关系，假设原料由自然状态下的含水率为15%，烘干到10%。则烘干机的生产率为：4t/h。由于螺旋成型机成型所用的原料多为锯末，没有粉碎能耗。为了比较假设加工为玉米秆，切粉碎耗能假设也为40kwh/t=144MJ生产1吨成型燃料烘干所需要的能量为：1kwh=3.6MJ。生产1吨成型燃料成型机所消耗的能量为：1000÷150Χ15.5=103.33kwh=372MJ按玉米杆计算：输出1吨成型燃料热值：17650MJ粉碎能耗144MJ输出1吨成型燃料热值：17650MJ粉碎能耗144MJ372MJ烘干能耗：3.6MJ输入1.1吨原料热值：MJ生产1吨成型燃料总能量损失为：-17650+144+372+3.6=1151.6MJ因为各厂家提供数据有限，进行了一些必要的假设，按照各厂家的报道计算，生产1吨成型燃料总能量损失为差别不大，其排列顺序为：螺旋式（1151.6MJ）﹥平模颗粒成型机（1046MJ）﹥液压活塞式（1021.14MJ）﹥立式环模（992.2MJ）﹥卧式环模（917.12MJ）。6.3理论分析生物质燃料经热压成型后，其燃烧过程更近似于“颗粒燃烧模型”。理想的固体颗粒燃烧历程可分为二个阶段。第—阶段为挥发物燃烧阶段，在这—阶段，燃料经加热后，开始释放出挥发物，当温度达到挥发物着火点，且有足够的氧气存在的条件下，挥发物即着火燃烧，这时氧气被挥发物的燃烧所消耗，达不到焦炭表面。挥发物着火后经过不长时间火焰逐渐缩短以致最后消失，这表明挥发物已经基本燃尽，这时燃烧进人下—阶段。第二阶段为焦炭燃烧阶段，当挥发物燃烧将尽，焦炭表面开始燃烧，温度亦逐渐上升至最高值，此后几乎保持不变，这时炭粒周围产生极短的蓝色火焰，这主要是由CO燃烧所形成的。这—阶段占整个燃烧时间的90%左右。6.3.1秸秆成型燃料的燃烧过程秸秆在炉膛燃烧时，它仍不失生物质秸秆燃烧特性。整个燃烧过程大致为挥发物燃烧——表面焦炭过渡区燃烧——渗透扩散燃烧——灰块形成4个阶段。秸秆燃烧实质属于静态渗透式扩散燃烧，类似型煤的燃烧过程。点火开始，由于秸秆的可燃挥发气体比原生物质释放速度慢，所以燃烧缓慢无力，火焰长而飘忽不定。研究认为，秸秆在350℃左右就有80%的可燃挥发气体挥发燃烧，但对于秸秆，由于密度大、结构密实，体积缩小，与空气接触面远远小于原生物质，秸秆的密实结构也限制了热量向内部的的传导和空气量的进入，当外围燃烧温度达到350℃时，秸秆中心处的温度还没有开始明显变化，此时逸出的可燃挥发气体，主要由秸秆表面浅层秸秆受热挥发的，点火引燃主要靠这部分可燃气体。由于秸秆结构密实、无孔缝，热量由外向内仅靠导热传递，的秸秆导热系数小，秸秆受热后内部的部分可燃气体缓慢、持续析出，这部分可燃挥发物析出和燃烧时间持续约100min左右，形成蓝色并略带浅橙色的中长火焰。随着燃烧温度的升高，燃烧由挥发气体燃烧进入表面焦炭过渡燃烧区，秸秆表层部分的固体可燃物碳开始燃烧，同时伴有内部逸出的少量可燃气体，燃烧外焰红色加重，形成橙红色火焰。此时，燃烧速度比开始的挥发物燃烧变慢，红色火焰逐渐消退，蓝色、橙色火焰增多，渐渐形成蓝色外焰包围着黄色火苗的火焰(图7(b))。继续燃烧，蓝色火苗变少，火焰变短，这时明火较多，形成红色火焰，火力开始变得强劲、猛烈。燃烧逐渐向秸秆更深层—焦炭层渗透扩散，在燃料表面进行—氧化碳的燃烧，在层内主要进行碳燃烧。秸秆块内层由于空气量不足纤维素、木质素等发生厌氧反应，不断有CO、H2、CH4等可燃气体向外扩散;燃烧过的秸秆表面生成薄灰壳，外层包围着蓝色短火焰，蓝色火焰又被内部溢出的挥发分燃烧形成的黄色长火焰包围。随着时间推移，秸秆的燃烧蓝色火焰逐渐消失，明显看到红色的中长火焰，燃烧平稳进行，直至火焰逐渐变短、变强，这时主要是焦炭的燃烧(图7(c))。最后，燃料中剩余碳继续燃烧。这时可燃物基本燃尽，燃料块形成—个整体的灰球，随着燃料继续燃烧，火焰逐渐变短，火焰颜色逐渐变暗，直至灰球表面看不出火焰，灰球变成—团暗红色灰块(图7(d))。整个燃烧过程持续时间约50min。图76.3.2结论(1)秸秆完全可以用于锅炉、采暖炉、茶水炉及农村炊事等炉具的优质替代燃料。秸秆既保留原生物质所具有的易燃、无污染等优良的燃烧性能，又具有耐烧特性，同时能够满足运输、销售等商品化要求，可以实现商业化和规模化运作。(2)对于不同的成型机生产相同的成型燃料所耗费的能量是有区别的。其主要差别是因为成型块的大小不同决定了成型机压缩率的不同，精细的颗粒状成型块在压缩之前还要经过一个粉碎过程，这也加大了耗能量。(3)对于家庭用小炉具来讲，可以用颗粒状的成型燃料块，虽然成本稍高但是减少了燃料存放空间而且增加了燃烧时间。对于工业用炉具来讲，应该用大径成型块燃料，这样可以大大节约成本。7、秸秆成型技术的推广应用的前景分析7.1从秸秆资源产量分析 广大农村和乡镇的各种秸秆、农林废弃物量大充足，覆盖面积广，资源价格低廉。我国每年生产的农作物秸秆总量约占全世界总量的20%～30%。其中可收集的作物秸秆近6亿t。秸秆压缩后其密度约增加10倍，燃烧速度快，节省时间，燃烧后可提高燃烧温度和热利用率，减少空气污染，使秸秆成为高品位的能源产品加以利用。7.2从国家政策分析 该项技术符合我国能源、环保及建设节约型社会的要求，2006年正式实施的《可再生能源法》为其发展提供了强有力的政策保障。目前多数地区都采取了禁烧秸秆的措施，大中城市已基本取缔了2t以下的燃煤锅炉，改燃清洁燃料（天然气或电），而清洁燃料的成本较高。当秸秆成型机的生产率达到200kg/h时，经过经济效益计算，秸秆压块成型燃料棒（块）的成本价在200元/t左右；当秸秆压块成型机的生产率达到400kg/h以上时，秸秆压块成型燃料棒（块）的成本价降为160～180元/t，售价在260～280元/t，完全可以替代煤作为城镇中2t以下燃煤锅炉的燃料，给秸秆利用找到了—条出路。7.3从保护环境角度分析 灰尘及其他指标的排放也比煤低，可实现CO2、SO2降排，减少温室效应，是保护生态环境的有效方法，环保效益明显。7.4从设备方面分析 该生产线机组设备操作简单，适合农村使用，而且使用方便，经济可靠。7.5从该生产线的社会效益分析 该生产线进入规模化生产后，不但有显著的经济和环保效益，而且还可以减轻农村就业压力，增加农民收入，社会效益显著。7.6从加工工艺方面分析 秸秆粉碎机、成型机的加工工艺并不复杂，成本较低，成型机易损件的使用寿命在1000h以上，粉碎与成型单位产品能耗可降至60kW·h/t，将秸秆的粉碎和成型放在农区，可有效地解决了秸秆储存的难题，运输也更为方便，贮运成本可降低70％左右。农民购置—套成型设备可在2～3年时间内收回成本，完全可以在农村中推广应用。燃炉的应用可设在中、小城镇或农村，这样秸秆从粉碎、成型到燃烧即可形成产业化。8、存在问题及建议8.1存在的问题(1)秸秆生产系统一次性投资较大。秸秆技术的市场主要在农村及农场，设备投资成本超过农村承受能力时，秸秆消费市场就会萎缩，规模发展速度减慢，不利于产业的快速稳定发展。以HPB一111系列秸秆生产设备为例，一条生产线包括附属粉碎设备、干燥设备及厂房投资需要20万元以上，对于中国一个300一450户的农村来说，一次性投资几十万元建设秸秆生产线，即使在经济较发达的农村，目前仍有困难与阻力，还离不开国家财政的补贴。(2)投资(融资)渠道单一，投资力量薄弱。秸秆属于可再生能源项目，目前受到国家的扶持与补贴，建设和发展资金部分来源于政府拨款;长远来看，它不符合市场规律，需要采取多种融资渠道来发展秸秆产业。 (3)各种补贴资金落实不到位。《可再生能源法》、《节能法》和环境保护法规等规定应该享受的补贴在农村执行困难，包括CO2减排应该得到的“碳基金”补贴等。(4)农民对秸秆价格需要一个适应过程。长期以来，我国农民习惯于使用廉价或免费的秸秆，对一下子高出秸秆2倍价格的秸秆不能接受。主要由于农民的经济水平低、环境意识淡薄和对秸秆的性能(包括燃烧炉具)不了解造成的。与煤相比，仅从秸秆的燃烧方式、燃烧效率和配套燃烧设备分析，如果具有相同的燃烧效果，那么根据热值分析秸秆的价格应该是煤的0.7倍左右(秸秆的热值约是煤的0.7倍)。高出这个范围，就超过了农民对秸秆的购买承受力，从环境效益和社会需要考虑，国家可以对超出部分进行补贴来保证秸秆的规模化应用。(5)管理体制不健全责任目标不明确秸秆产业发展初期还没有管理经验和相关理论可供学习和参考，需要长期的探索和发展才能形成一套健全的经营机制;由于秸秆项目目前可以享受国家的政策扶持和财政资助，受政策或政府影响，秸秆生产的责任目标混乱，设备和生产的主管和归属不明确，上下关系不通畅，导致生产和管理人员的责任心不强，工作不踏实、不认真、积极性低，设备坏了无人问。(6)管理人员文化素质和管理水平参差不齐。由于长期以来，农村受教育程度低，农业经济的发展使部分受教育程度好的农民进城打工，受过高等教育的更不愿意回到农村，现在农村经常生活和种田的多是文盲或半文盲。所以，绝大多数农村地区的农民文化知识薄弱，农民对科学的管理方法、技巧和经验尤其缺少。8.2应对的政策政府采取财政和金融等经济措施是提高秸秆技术市场渗透力和经济竞争力的重要政策手段。政策环境的支持包括激励性政策和强制性政策两种。激励性政策是政府正面提供对秸秆在经济和政策上的扶持，包括财政补贴、贴息贷款、税收减免和价格优惠等措施，如我国《可再生能源法》规定:“国家财政设立可再生能源发展专项资金，用于支持:(一)可再生能源的科学技术研究、标准制定和