遼寧省能源研究所 ■ 閆昌國 張曉健 張歡 寇巍 張大雷

0 引言

隨著我國農(nóng)村生活水平的提高，一方面，農(nóng)村對清潔能源的需求量越來越大；另一方面，大量的農(nóng)林廢棄物未得到很好利用，環(huán)境污染問題日益突出。開發(fā)生物質(zhì)能源的利用既可彌補常規(guī)能源的短缺，也具有重大的環(huán)境效益，發(fā)展低碳型、環(huán)境友好型、可持續(xù)型經(jīng)濟已勢在必行[1-2]。

生物質(zhì)能源是以生物質(zhì)為載體的綠色能源[3，4]，使用無污染，并且具有可再生的特點，是除煤炭、石油和天然氣以外占世界能源資源第4位的可再生能源。如果充分利用生物質(zhì)能源，它可滿足世界范圍內(nèi)約14%的能源需求[4，5]。我國疆域?qū)拸V，生物質(zhì)資源豐富，每年農(nóng)村剩余秸稈量達到7.26×109t[3]，如果去除秸稈還田、牲畜飼料及生活燃燒等消耗，還約有2.5×109t的剩余量未得到很好利用。目前對于生物質(zhì)能的研究開發(fā)，主要有3種手段，分別為物理轉(zhuǎn)換、化學(xué)轉(zhuǎn)換和生物轉(zhuǎn)換，涉及到氣化、液化、熱解、固化和直接燃燒等技術(shù)[6]。與其他生物質(zhì)能利用技術(shù)相比，生物質(zhì)固化技術(shù)更容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，是提高能源密度和能效的有效方法。生物質(zhì)固化技術(shù)是將各類生物質(zhì)粉碎成具有一定粒度的物料，然后在一定含水率條件下通過成型設(shè)備，靠機械壓力將其擠壓制成具有一定密度、形狀規(guī)則的成型燃料的加工技術(shù)[4，7，8]，其主要目的是將體積大、密度低的生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w積小、密度高的生物質(zhì)燃料。密度可達1.0 g/cm3以上，含水率一般在12%以下，增加了單位體積的熱值(約16～21 MJ/kg)[3]，燃燒性能明顯改善。成型燃料使用方便，可作為生物質(zhì)高效燃燒爐氣化爐和小型鍋爐的燃料[3]，環(huán)保無污染，體積的縮小大幅降低了運輸和儲存成本[4，9]。生物質(zhì)固化技術(shù)把各類生物質(zhì)資源和林業(yè)加工廢棄物轉(zhuǎn)化成成型燃料，是解決生物質(zhì)資源浪費和污染的一項重要技術(shù)手段[10，11]。

由于我國對生物質(zhì)能的研究起步較晚，某些關(guān)鍵技術(shù)還未完全突破，更主要的是技術(shù)的集成不夠，單一技術(shù)效益低下。我國現(xiàn)有顆粒燃料成型設(shè)備普遍存在能耗高的不足，使成型燃料的生產(chǎn)成本一直降不下來；同時，成型部件易磨損，使設(shè)備性能不穩(wěn)定，大多不能長期連續(xù)運轉(zhuǎn)。因此，有必要研制開發(fā)一款結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、低能耗、高效率的成型燃料生產(chǎn)設(shè)備。本文介紹的SHM-300型雙環(huán)模結(jié)構(gòu)的顆粒燃料加工裝備以降低生產(chǎn)能耗、降低產(chǎn)品成本、提高模具耐磨性為主攻方向，著重解決生物質(zhì)成型燃料加工過程中存在的能耗高、易損件更換頻繁、維護困難等問題。

1 雙環(huán)模設(shè)備國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及成型原理分析

1.1 國外雙環(huán)模發(fā)展現(xiàn)狀

農(nóng)林廢棄物常溫成型顆粒燃料的應(yīng)用在發(fā)達國家受到廣泛重視，如意大利、丹麥、芬蘭、法國、挪威、瑞典和美國等國家生物質(zhì)能在總能源消耗中所占比例增加相當(dāng)迅速。2001年瑞典顆粒燃料產(chǎn)值為70千萬歐元，比2000年增長15%。顆粒燃料市場較大的增長需求，也促進了成型設(shè)備技術(shù)的日益完善。尤其瑞典與意大利，成功推出了冷成型顆粒燃料加工設(shè)備，全球經(jīng)濟一體化，生物質(zhì)能的生產(chǎn)應(yīng)用范圍擴大，也讓他們設(shè)備開發(fā)的重點轉(zhuǎn)移到了發(fā)展中國家。亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓等國從80年代開始就先后開展了生物質(zhì)成型機設(shè)備及成型工藝方面的研究并形成了工業(yè)化生產(chǎn)[12-16]。從純技術(shù)的角度看，意大利ETS(EcoTre System)研制開發(fā)的顆粒制粒生產(chǎn)系統(tǒng)較為先進，它對原料含水率有較寬的適應(yīng)性，在10%～25%之間都可成型。所以，大部分原料無需干燥即可直接用于制粒；成型后的溫升也只有10～15 ℃，無需冷卻即可直接進行包裝，減少了干燥和冷卻兩道工序，使整套系統(tǒng)的能耗很低，比傳統(tǒng)的工藝方法減少60%～70%，且機器磨損也大幅減小。據(jù)有關(guān)資料顯示，該設(shè)備價格較高，最小系統(tǒng)(2 t/h)的價格為87萬英鎊/套(折合人民幣1300萬元/套)，但性能比較穩(wěn)定，目前已推向市場，單位產(chǎn)品能耗為25～60 kWh/t。設(shè)備外形如圖1所示。

圖1 意大利ETS顆粒機

1.2 國內(nèi)雙環(huán)模顆粒機發(fā)展現(xiàn)狀

雙環(huán)模顆粒機在國內(nèi)也有報道，但還處于研究階段，未推向市場。相關(guān)研究單位也加工出了樣機，但產(chǎn)量很小，第一代產(chǎn)品只有每小時幾十kg，第二代產(chǎn)品正在測試，產(chǎn)量也只有每小時兩三百kg。單位產(chǎn)品能耗為100 kWh/t(包括粉碎和制粒)，與意大利的ETS系統(tǒng)性能還有很大差距，適合小規(guī)模的分散型處理。

1.3 雙環(huán)模顆粒機成型原理分析

雙環(huán)模顆粒成型機的成型原理是利用一對相向轉(zhuǎn)動的中空滾筒做線速度差速運動，使落入兩滾筒之間的物料由于重力作用在向下運動過程中被擠壓，并通過筒壁的成型模腔，從而被制成生物質(zhì)顆粒燃料[17]，如圖2所示。

圖2 雙環(huán)模成型機結(jié)構(gòu)原理圖

由于生物質(zhì)原料的力傳導(dǎo)性極差，再加上兩滾筒間存在線速度差(n1≠n2)，使物料在進入成型模腔之前，就被施加一剪切力，使物料中的纖維素分子團錯位、變形、延展成薄片，縮短了力的傳導(dǎo)距離。所以，在較小壓力下，會使其相鄰相嵌、層層相疊。同時，在正壓力作用下，一部分粒子變形后進入成型模腔，形成上下嚙合的狀態(tài)，從而制成的顆粒燃料具有特定結(jié)構(gòu)模型，具有很好的力學(xué)性能[17，18]。雙環(huán)模顆粒成型機就是利用這一原理生產(chǎn)的，具有設(shè)備體積小、運行能耗低的特點，可實現(xiàn)自然含水率的生物質(zhì)物料在不添加任何添加劑、粘結(jié)劑的情況下常溫成型。在設(shè)備運行過程中，零部件磨損較少，在物料重力和兩個空心對輥輪轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生相互擠壓力的聯(lián)合作用下，使物料源源不斷地被強制進入成型孔成型，再由環(huán)模內(nèi)部自然斷裂后甩出，最后落到成品篩上進行篩選，分開顆粒與未成型的粉料，從而完成物料制粒的整個過程。

2 設(shè)備結(jié)構(gòu)及參數(shù)的確定

2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)的確定

根據(jù)目前國內(nèi)外該種設(shè)備發(fā)展情況，經(jīng)過深入研究，確定了設(shè)備傳動結(jié)構(gòu)、環(huán)模轉(zhuǎn)速、環(huán)模間隙調(diào)整方式、出料方式、切刀設(shè)置方式等技術(shù)難點，并完成相關(guān)理論計算和設(shè)計圖紙，由我所加工廠自行加工和裝配，生產(chǎn)出實驗室規(guī)模的雙環(huán)模設(shè)備樣機。整臺設(shè)備主要由驅(qū)動電機、機架、減速機、聯(lián)軸器、齒輪箱體、活動箱體和環(huán)模組成。設(shè)備運行時，電機產(chǎn)生的動力通過5根C型三角帶傳遞到減速機的輸入端，經(jīng)過減速后動力的一個分支通過聯(lián)軸器與齒輪箱體輸入軸相連，輸出軸上配有雙向連接鍵，帶動一個環(huán)模轉(zhuǎn)動。動力的另一個分支經(jīng)過鏈條的傳動傳遞給活動箱體，該箱體輸出軸帶動另外一個環(huán)模做反方向轉(zhuǎn)動，兩個環(huán)模之間間隙由箱體上的螺桿調(diào)整。設(shè)備主機設(shè)計3D結(jié)構(gòu)如圖3所示。

為了試驗測試的需要，需給設(shè)備配備可調(diào)整上料量的上料系統(tǒng)。根據(jù)生物質(zhì)物料的特性及工藝特點，選用螺旋輸送機上料。螺旋輸送機具有結(jié)構(gòu)簡單、橫斷面積較小，密封性能好、便于進料和出料、操作安全方便、制造成本較低等優(yōu)點。驅(qū)動上采用電磁調(diào)速離合器進行轉(zhuǎn)速控制，便于更好地進行各種原料的試驗。最終系統(tǒng)配置圖如圖4所示。

圖3 設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)配置圖

2.2 設(shè)備基本參數(shù)確定

外形尺寸：2185 mm×1120 mm×2200 mm；整機重量：976 kg；主電機功率：37 kW；環(huán)模內(nèi)徑：350 mm；環(huán)模成型孔徑：6 mm；成品顆粒規(guī)格：φ6；環(huán)模轉(zhuǎn)速：106 r/min。

3 設(shè)備性能的測試分析

影響生物質(zhì)成型的因素很多，除了生物質(zhì)自身的生化特性和外部壓縮條件外，還與成型機模具類型、壓縮方式、成型工藝等有密切關(guān)系，它們都從根本上影響或制約成型物內(nèi)部的粘結(jié)方式和粘結(jié)力大小，直接影響成型物的物理品質(zhì)差異[19-23]。而對于一臺加工好的顆粒成型機而言，原料的種類、含水率、環(huán)模轉(zhuǎn)速及工作壓力是影響顆粒成型的主要因素[24-26]。

本文論述的SHM-300型雙環(huán)模成型設(shè)備在樣機裝配完成后，進行試運轉(zhuǎn)，空轉(zhuǎn)時設(shè)備運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。投料試驗，先少量加入粉碎好的秸稈原料，主機電流緩慢上升，原料進入到?？字?，但隨著原料量的加大，電流不再增加，粉料也不再進入?？字校瑥膬蓚€環(huán)模之間落到地面，首次試驗宣告失敗。分析原因為：由于設(shè)備所用環(huán)模為新加工所得，?？孜唇?jīng)過拋光處理，?？變?nèi)摩擦力大于克服兩個環(huán)模間隙的力，導(dǎo)致物料不易進入?？?，都順著模輥間隙落到地面。找到原因后，對設(shè)備進行了改造，在兩個控制環(huán)模間隙的箱體上增加兩根絲杠拉緊裝置，并在試驗過程中采用含少量廢機油的玉米秸稈粉作為原料，摻入適量的金剛砂，這樣既可起到潤滑作用，又可對?？走M行研磨拋光。通過試運行，設(shè)備的出粒效果有了很大提高，后來又經(jīng)過不斷完善，采取增加驅(qū)動電機功率、更換皮帶輪、更換環(huán)模材質(zhì)和熱處理工藝調(diào)整、改變不同環(huán)模壓縮比以適應(yīng)不同物料和水分的需求、配備變頻器以改變環(huán)模轉(zhuǎn)數(shù)等手段，使設(shè)備最終能適應(yīng)多種物料的生產(chǎn)，顆粒密度和產(chǎn)量都有了很大的提高。

3.1 環(huán)模轉(zhuǎn)速對產(chǎn)量的影響

為了更好地驗證環(huán)模轉(zhuǎn)速與產(chǎn)量的關(guān)系，給設(shè)備配備了由深圳偉創(chuàng)公司生產(chǎn)的AC60-T3-037G/045P型變頻器，用來控制電機轉(zhuǎn)速。試驗原料為已粉碎的玉米秸稈粉，含水率為16.27%，測試結(jié)果見表1。

由表1可知，隨著環(huán)模的轉(zhuǎn)速增加，產(chǎn)量也逐步增加，基本為正比例關(guān)系，在環(huán)模轉(zhuǎn)速接近106 r/min時產(chǎn)量最高，可達612 kg/h，成品率也最高，為68.75%。隨著轉(zhuǎn)速的提升，雖然產(chǎn)量達到了744 kg/h，但由于環(huán)模轉(zhuǎn)速加快，導(dǎo)致顆粒落下時碎的較多，成品率降低為53.2%，顆粒外觀也不夠完美。

表1 環(huán)模轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的影響

3.2 原料水分對玉米秸稈粉成型質(zhì)量的影響

生物質(zhì)物料內(nèi)的水分一般流動于生物質(zhì)團粒間，在壓力作用下，與果膠質(zhì)或糖類混合會形成膠體，起粘結(jié)劑的作用。 因此，過于干燥的生物質(zhì)物料通常情況下很難壓縮成型[27-29]。生物質(zhì)中適量結(jié)合水和自由水的存在是一種潤滑劑，能使粒子間的內(nèi)摩擦變小，流動性增強，從而促進粒子間的結(jié)合[30-32]。為了全面了解該設(shè)備對原料水分的適應(yīng)性，選用易于成型的玉米秸稈原料作為試驗原料，使用我所自行設(shè)計加工的攪拌機進行水分調(diào)整，對設(shè)備進行原料水分影響情況的測試，結(jié)果見表2。

表2 原料水分對玉米秸稈粉成型產(chǎn)量和質(zhì)量的影響

由表2可知，原料含水范圍在10%～20%之間能很好地成型，且顆粒密度和外觀都很好。超過20%成型稍差，成品率和產(chǎn)量有所降低，顆粒表面有裂紋，顆粒密度過小，易斷裂。低于10%的秸稈原料不易成型，產(chǎn)量和成品率都較低，而且秸稈粉四處飄揚，污染環(huán)境。

3.3 同一條件下不同原料的產(chǎn)量研究

不同種類的原料成型難易也有差別[33]，設(shè)備對原料的適應(yīng)性測試，選用玉米秸稈、花生殼、鋸末3種典型原料進行試驗，測試其產(chǎn)量及顆粒質(zhì)量的差別，結(jié)果見表3。

表3 原料對產(chǎn)量和質(zhì)量的影響

由表3可知，在同等含水率、同等力度的情況下，3種原料中玉米秸稈和花生殼粉能較好成型，表面有光澤，產(chǎn)量也較高，可達到450～550 kg/h；鋸末類木質(zhì)原料成型效果稍差。分析原因是原料本身不易壓縮，也沒有足夠高的溫度對木質(zhì)素進行軟化，另外該種設(shè)備擠壓力不夠大，導(dǎo)致成型率不好，產(chǎn)量低下。

通過對設(shè)備的試驗運行，掌握了不同生物質(zhì)成型規(guī)律，設(shè)備達到的技術(shù)指標(biāo)為：生產(chǎn)能力：450～550 kg/h；能量消耗：小于60 kWh/t；適應(yīng)原料含水率：10%～20%；顆粒密度：0.8～1.1 g/cm3。

4 結(jié)論與討論

通過對雙環(huán)模顆粒機的研制和測試工作，掌握了雙環(huán)模顆粒機成型原理和不同生物質(zhì)原料成型規(guī)律，該種設(shè)備的主要優(yōu)點為：1)設(shè)備能適應(yīng)多種原料并可連續(xù)化生產(chǎn)；2)適應(yīng)原料較寬的含水率，10%～25%都可很好地成型；3)設(shè)備的操作簡單，上料量大導(dǎo)致悶車時只要簡單反轉(zhuǎn)一下，就可迎刃而解，同時環(huán)模的調(diào)整和更換也很容易；4)設(shè)備的易損件少，維修保養(yǎng)十分方便。

和單環(huán)模顆粒機相比，由于該種設(shè)備為研制初期，還有很多不足之處有待完善：1)設(shè)備的成品率相對較低，目前為50%～60%；2)成品顆粒密度較小，為0.8～1.0 g/cm3；3)制粒過程中壓力不足，導(dǎo)致顆粒外型不夠美觀；4)整套系統(tǒng)配套設(shè)施不夠完善，上料過程中原料落到模輥間隙時不夠均勻，導(dǎo)致兩環(huán)模間隙忽大忽小，電機電流浮動較大；另外，未成型的粉料也需人工操作才能返回到上料輸送機。

本文詳實地介紹了雙環(huán)模生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備的研制過程，并通過試驗測試分析了設(shè)備運行過程中轉(zhuǎn)數(shù)、水分等因素對造粒產(chǎn)量的影響，通過對比分析玉米秸稈粉、花生殼粉、鋸末3種原料的造粒成型效果，總結(jié)了該種類型設(shè)備的優(yōu)缺點，為今后此類生物質(zhì)成型機在市場上的應(yīng)用提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗。

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