龐利沙^1，2，田宜水²，侯書(shū)林¹，趙立欣²，孟海波²

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2.農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京100125)

　　摘要：介紹了生物質(zhì)顆粒燃料及其特性，綜述了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)環(huán)模顆粒成型機(jī)和平模顆粒成型機(jī)的性能和應(yīng)用進(jìn)行了比較，并針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)及設(shè)備存在的問(wèn)題，提出了我國(guó)生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。

　　0引言

　　近年來(lái)，人類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展日益迅猛，但這是以大量消耗化石能源并污染環(huán)境為代價(jià)的。化石能源日益減少，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，尋找一種可再生的替代能源已迫在眉睫。生物質(zhì)能是一種可再生能源，具有可再生性和環(huán)境友好性的雙重屬性，近年來(lái)越來(lái)越受到人們重視，其消耗量已躍居第4位，僅次于石油、煤炭和天然氣^[1]。我國(guó)的生物質(zhì)能資源十分豐富^[2]，每年僅農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量就有約7.15億t，其中農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約為4.33億t，約占60%^[3]。

　　我國(guó)大多數(shù)農(nóng)民利用秸稈、薪柴的方式還停留在最原始的直接燃燒的狀態(tài)，這樣不僅農(nóng)作物秸稈不能充分燃燒，浪費(fèi)資源，而且對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，危害人們身心健康[4]。生物質(zhì)成型燃料的能量密度相當(dāng)于中質(zhì)煙煤，但成型燃料燃燒排放的CO2來(lái)自于秸稈光合作用吸收的CO2，吸收和排放達(dá)到平衡，基本實(shí)現(xiàn)零排放，其它有毒有害氣體排放量也遠(yuǎn)小于煤。生物質(zhì)成型燃料本身體積較小，接觸到的空氣充足，可以充分燃燒，相對(duì)于煤來(lái)說(shuō)，燃燒特性明顯改善，利用效率顯著提高[5]。生物質(zhì)秸稈固體成型燃料包括顆粒燃料、塊狀燃料和棒狀燃料，其中顆粒燃料因其自身特性，具有流動(dòng)性強(qiáng)、燃燒效率高等優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。

　　本文擬通過(guò)介紹生物質(zhì)顆粒燃料及其特性，綜述國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比分析國(guó)內(nèi)環(huán)模顆粒成型機(jī)和平模顆粒成型機(jī)的性能和應(yīng)用，探討國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)及設(shè)備存在的問(wèn)題，并提出我國(guó)生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。

　　1生物質(zhì)顆粒燃料特性

　　秸稈等生物質(zhì)原料在施加一定的外部壓力的作用下，由于物料間以及物料和模輥間的相互摩擦，物料達(dá)到一定溫度，再加上木質(zhì)素的黏結(jié)作用，使植物體變得致密均勻，當(dāng)取消外部壓力后，由于纖維分子之間的相互纏繞，一般不能恢復(fù)原來(lái)的結(jié)構(gòu)和形狀，冷卻以后強(qiáng)度增加，成為成型燃料^[6]。

　　生物質(zhì)顆粒燃料通常是指由經(jīng)過(guò)粉碎的固體生物質(zhì)原料通過(guò)成型機(jī)的壓縮成為圓柱形的生物質(zhì)固體成型燃料，直徑≤25mm，長(zhǎng)徑比≤4，常見(jiàn)直徑尺寸有6，8，10mm。成型顆粒燃料密度明顯增大，體積明顯縮小，便于運(yùn)輸和貯存；同時(shí)，體積小，與空氣接觸面積大，利于燃燒；規(guī)格一致，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化輸送和燃燒；可作為工業(yè)鍋爐、住宅區(qū)供暖及戶(hù)用炊事、取暖的燃料^[7]。

　　燃料的揮發(fā)分含量越高，則點(diǎn)火越容易，燃燒性能越好，而生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分含量高達(dá)60%～70%^[8]，遠(yuǎn)高于煤，故其點(diǎn)火性能和燃燒性能均優(yōu)于煤；碳含量為35%～42%，遠(yuǎn)低于煤。這使得其熱值低于煤^[9]；N含量為0.5%～3%，S含量?jī)H為0.1%～0.5%t^[10]，燃燒時(shí)NOx和SO2的排放量遠(yuǎn)低于煤，排放的CO2和秸稈光合作用吸收的CO2達(dá)到平衡，基本實(shí)現(xiàn)零排放^[11]；與原始狀態(tài)的生物質(zhì)資源相比，顆粒燃料燃燒時(shí)間更持久。由此可見(jiàn)，生物質(zhì)顆粒燃料是一種“優(yōu)質(zhì)、清潔、高效”的燃料^[12]。

　　生物質(zhì)顆粒燃料的加工工藝主要包括原料接收、粉碎、混合、除塵、成型、冷卻、篩選回收和計(jì)量包裝等工序，具體工藝流程圖如圖1所示。

　　近年來(lái)，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，秸稈能源化利用得到了高度重視，國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列鼓勵(lì)和支持相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策法規(guī)。在這些政策法規(guī)的鼓勵(lì)和支持下，國(guó)內(nèi)生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，截至2009年底，全國(guó)已有生產(chǎn)廠(chǎng)家260余處，生產(chǎn)能力每年約76.6萬(wàn)t^[13]。國(guó)內(nèi)生物質(zhì)固體成型燃料主要用作農(nóng)村居民戶(hù)用炊事、取暖、住宅區(qū)取暖、工業(yè)鍋爐以及發(fā)電廠(chǎng)等的燃料，可減少一次能源的損耗，增加生態(tài)效益；減少溫室氣體排放，增加環(huán)境效益；為農(nóng)民增收，增加社會(huì)效益^[14]。

　　2國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

　　2.1國(guó)內(nèi)生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的研究現(xiàn)狀

　　經(jīng)過(guò)多年的研究與試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)部分成型設(shè)備及其配套產(chǎn)品發(fā)展成熟。如農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院的生物質(zhì)制粒設(shè)備，整機(jī)傳動(dòng)部分選用瑞士、日本高品質(zhì)軸承，確保傳動(dòng)高效、穩(wěn)定、噪聲低，采用國(guó)際先進(jìn)的真空護(hù)熱處理制造工藝加工而成的合金鋼環(huán)模，使用壽命長(zhǎng)，且適用范圍廣，可將玉米秸稈、棉花秸稈、花生殼以及木屑等多種燃料制粒成型；江蘇牧羊集團(tuán)生產(chǎn)的MUZL系列制粒機(jī)，采用雙馬達(dá)同步齒形帶分步驟傳動(dòng)系統(tǒng)及獨(dú)特三壓輥經(jīng)典設(shè)計(jì)，布料均勻，產(chǎn)量高，噪音低，環(huán)模技術(shù)可加工最小顆粒孔徑1.2mm；江蘇正昌集團(tuán)生產(chǎn)的MZLH508JG高效率制粒機(jī)，采用國(guó)際先進(jìn)的設(shè)備和工藝加工制造的合金鋼環(huán)模，使用壽命長(zhǎng)，特制喂料機(jī)構(gòu)，進(jìn)料均勻可靠，專(zhuān)為壓制各種秸稈顆粒燃料而設(shè)計(jì)。3個(gè)生產(chǎn)廠(chǎng)家的主要產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)及性能指標(biāo)如表1所示。

　　2.2國(guó)外生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的研究現(xiàn)狀

　　目前，國(guó)外的很多企業(yè)生產(chǎn)的顆粒成型設(shè)備技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，像德國(guó)SALMATEC公司的MAXIMA模塊化設(shè)計(jì)的制粒機(jī)，可以適應(yīng)多種原料，生產(chǎn)率高達(dá)30000kg/h；奧地利ANDRITZ公司生產(chǎn)的Feed＆Bio-fuel系列顆粒機(jī)，軋輥可以快速、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確的滾動(dòng)調(diào)整，模孔尺寸通常的范圍從1.5～9.5mm，顆粒模具可達(dá)到約90mm厚。此外，ANDRITZ公司針對(duì)每道工序或完整的工藝生產(chǎn)線(xiàn)采用全自動(dòng)控制系統(tǒng)，確保成型顆粒質(zhì)量的同時(shí)，符合成本效益。模塊化設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，范圍從業(yè)務(wù)職能的基本控制到整個(gè)工藝生產(chǎn)線(xiàn)，包括先進(jìn)的電腦控制、秤、粉碎機(jī)、攪拌機(jī)、擠壓機(jī)、烘干機(jī)、制粒機(jī)、冷卻器和涂層機(jī)等。

　　國(guó)外生物質(zhì)顆粒設(shè)備制造已經(jīng)比較規(guī)范，但成本較高，同等生產(chǎn)能力的設(shè)備是國(guó)內(nèi)的5～10倍。

　　3生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)

　　生物質(zhì)固體成型主要分為模輥擠壓、螺旋擠壓和活塞沖壓等方式^[15]。其中，螺旋擠壓、活塞沖壓主要用于生產(chǎn)塊狀及棒狀燃料，模輥擠壓主要用于生產(chǎn)顆粒燃料，且具有生產(chǎn)率高、成型率高、成型顆粒質(zhì)量好、可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，與螺旋擠壓、活塞沖壓相比，工作狀態(tài)更穩(wěn)定，對(duì)物料的適應(yīng)性更好，且其生產(chǎn)的顆粒燃料滿(mǎn)足燃煤電廠(chǎng)對(duì)生物質(zhì)成型燃料均勻度要求，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)的自動(dòng)化上料，是目前發(fā)展的重點(diǎn)。

　　模輥式成型機(jī)分為環(huán)模成型機(jī)和平模成型機(jī)，主要工作部件是壓模與壓輥，在成型室中，壓模與壓輥通過(guò)將原料擠壓進(jìn)模孔而成型^[16]。

　　3.1環(huán)模顆粒成型機(jī)

　　環(huán)模顆粒成型機(jī)機(jī)型采用環(huán)形壓模和壓輥為主要工作部件，主要由上料系統(tǒng)、攪拌調(diào)質(zhì)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及成型系統(tǒng)組成^[17]。環(huán)模顆粒成型機(jī)結(jié)構(gòu)及設(shè)備如圖2和圖3所示。

　　成型機(jī)工作原理：電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)模轉(zhuǎn)動(dòng)，由于摩擦力的作用，環(huán)模上的物料帶動(dòng)壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)。物料被強(qiáng)制喂料器送入壓制室內(nèi)之后，隨環(huán)模和壓輥轉(zhuǎn)動(dòng)，二者相互擠壓，夾在其間的物料就被不斷壓縮，隨著物料內(nèi)部壓力和密度不斷增大，達(dá)到一定密度的物料就被壓入環(huán)模模孔當(dāng)中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間保壓定型，具有一定密度的生物質(zhì)顆粒燃料即成型[18]。

　　由于顆粒燃料直徑較小，環(huán)模壓縮比較大，對(duì)原料的含水率要求較高，一般含水率在12%～15%之間、原料粒徑在1～5mm之間時(shí)適合成型^[19－21]。

　　3.2平模顆粒成型機(jī)

　　平模顆粒機(jī)采用平模和與其相配合的圓柱形壓輥為主要工作部件，按工作部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分，平模制粒機(jī)有動(dòng)輥式、動(dòng)模式、模輥雙動(dòng)式3種，動(dòng)模式和模輥雙動(dòng)式常見(jiàn)于小型平模制粒機(jī)，動(dòng)輥式則一般用于較大機(jī)型。按壓輥的形狀分，又可以分為錐輥式和直輥式兩種。

　　直輥動(dòng)輥式平模制粒機(jī)工作原理如圖4所示。電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)減速箱減速后驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸帶動(dòng)壓輥公轉(zhuǎn)。同時(shí)，壓輥繞壓輥軸自轉(zhuǎn)，原料被送入喂料室后，由分料器和刮板將其均勻地鋪在平模上；壓輥不斷自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，將平模上的物料不斷擠壓進(jìn)模孔內(nèi)；物料在模孔內(nèi)密度和溫度不斷升高，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間保壓定型后，被擠出平模；旋轉(zhuǎn)切刀將物料切斷，形成顆粒燃料；最后，由掃料板將成型顆粒送出。平模顆粒成型機(jī)設(shè)備如圖5^[23]所示。

　　平模成型機(jī)對(duì)原料水分適應(yīng)性強(qiáng)，含水率一般在15%～25%之間，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，適于農(nóng)村小規(guī)模使用，但產(chǎn)量普遍偏低，一般不超過(guò)0.5t/h^[24]。

　　3.3環(huán)模顆粒機(jī)和平模顆粒機(jī)的對(duì)比

　　環(huán)模顆粒機(jī)特點(diǎn)在于產(chǎn)量大，成型顆粒規(guī)格一致，密度高，可達(dá)1.0～1.3kg/m³，不加任何添加劑也能做出顆粒來(lái)；壓輥和環(huán)模磨損均衡，能夠降低易損耗品的消耗；拆裝容易，維護(hù)簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是電耗普遍偏高。

　　而平模機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)在于耗能小，機(jī)動(dòng)性大，適合農(nóng)村居民小規(guī)模應(yīng)用，不適合工廠(chǎng)企業(yè)的大規(guī)模運(yùn)作。其缺點(diǎn)在產(chǎn)量低，壓力小，成型質(zhì)量差。其工作面如加寬后，壓輥和平模的磨損又不均衡，達(dá)不到更大的產(chǎn)量，配件拆裝繁瑣、維護(hù)麻煩。平模機(jī)和環(huán)模機(jī)性能特點(diǎn)^[26－32]的對(duì)比分析如表2所示。

　　4存在問(wèn)題

　　1)易損件磨損快。對(duì)于模輥式顆粒成型機(jī)，原料中的硅酸鹽成分、雜質(zhì)、喂料的不均勻以及原料中水分等因素都會(huì)加劇壓輥表面的磨損，致使壓輥快速磨損失效。環(huán)模不但是易損件，而且制造成本較高^[33]，減少和改善環(huán)模與壓輥的磨損，不僅有利于明顯降低顆粒加工成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，而且可提高產(chǎn)品生產(chǎn)率及成型產(chǎn)品質(zhì)量。

　　2)模孔堵塞嚴(yán)重。發(fā)生模孔堵塞，與物料本身特性、調(diào)質(zhì)質(zhì)量、輸送速度和模輥間隙等有關(guān)。模孔堵塞不但影響正常生產(chǎn)，降低生產(chǎn)率，還會(huì)影響成型顆粒質(zhì)量，降低環(huán)模壽命。但是，目前如何很好地預(yù)防和及時(shí)處理模孔堵塞的問(wèn)題還未得到解決。

　　3)成型機(jī)專(zhuān)業(yè)化水平低。目前，國(guó)外的顆粒燃料成型技術(shù)雖然已經(jīng)比較成熟，但其顆粒成型機(jī)針對(duì)的原料多為木屑，少有針對(duì)秸稈的成型設(shè)備。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的針對(duì)秸稈原料的顆粒成型機(jī)，也是僅針對(duì)像玉米秸稈、小麥秸稈、花生殼等幾種常見(jiàn)原料，對(duì)其它原料，則會(huì)出現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行不平穩(wěn)甚至無(wú)法正常運(yùn)行的現(xiàn)象，即對(duì)原料要求較高，適應(yīng)性差，還未達(dá)到專(zhuān)業(yè)化水平。

　　4)無(wú)相關(guān)配套設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。和成型機(jī)配套的相關(guān)輔助設(shè)備沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，如粉碎設(shè)備的粉碎粒度規(guī)格不統(tǒng)一，造成成型機(jī)成型的難易程度不同，從而導(dǎo)致成型燃料質(zhì)量及成型率不同，影響生產(chǎn)率，且易造成設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定、生產(chǎn)線(xiàn)故障率高。

　　5結(jié)論

　　生物質(zhì)顆粒燃料有諸多優(yōu)點(diǎn)，隨著一次能源的減少，其使用必將更加廣泛。國(guó)外針對(duì)生物質(zhì)固體成型燃料設(shè)備的研究已經(jīng)比較成熟，而且多數(shù)是大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，有的已經(jīng)實(shí)現(xiàn)模塊化的全自動(dòng)控制生產(chǎn)線(xiàn)，生產(chǎn)率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，已達(dá)到規(guī)模化和商品化。

　　國(guó)內(nèi)制粒機(jī)近年來(lái)已取得很大進(jìn)展，但與國(guó)外相比，最為突出的還是能耗問(wèn)題，目前，能源問(wèn)題日益突出，降低制粒機(jī)能耗，應(yīng)是今后重點(diǎn)研究方向。其中，環(huán)模制粒機(jī)環(huán)模的磨損以及模孔堵塞，也是亟待解決的問(wèn)題。從根本上提高制粒機(jī)的產(chǎn)量和成型顆粒質(zhì)量、降低能耗，還需要通過(guò)改變模輥間隙、模孔形狀等細(xì)節(jié)問(wèn)題上來(lái)提高，可以降低生產(chǎn)線(xiàn)故障率，提高穩(wěn)定性。此外，制定生物質(zhì)顆粒燃料成型設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，有利于促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化和商品化進(jìn)程。

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