左鵬鵬，楊俊紅，黃濤，韓奎，王樸方，鞏啟濤

（1中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津大學機械工程學院，天津 300072；2西安市長安區(qū)新區(qū)熱力有限公司，陜西 西安 710100）

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粒度和含水率對秸稈成型燃料生產能耗的影響

左鵬鵬1，楊俊紅1，黃濤2，韓奎2，王樸方1，鞏啟濤1

（1中低溫熱能高效利用教育部重點實驗室，天津大學機械工程學院，天津 300072；2西安市長安區(qū)新區(qū)熱力有限公司，陜西 西安 710100）

摘要：針對成型燃料規(guī)?；a中原料參數(shù)的優(yōu)化問題，以陜西某年產2萬噸的秸稈成型燃料加工生產線為例，采用離散系統(tǒng)仿真軟件ExtendSim對成型燃料生產線進行仿真。研究了粉碎粒度和干燥后的含水率對成型燃料的生產率及整體比能耗的影響，得出理論能耗的最優(yōu)參數(shù)組合并與調研的生產性試驗結果進行比較。敏感性分析發(fā)現(xiàn)，壓塊燃料的整體比能耗對參數(shù)變化更敏感，而顆粒燃料的生產率對參數(shù)變化更敏感。因此，按對參數(shù)變化敏感性更高的性能指標進行最優(yōu)化參數(shù)選擇。結果表明：與原經驗參數(shù)相比，壓塊燃料按參數(shù)（15%，20～30mm）優(yōu)化后理論節(jié)能11.64%，相關生產性試驗節(jié)能10.36%；顆粒燃料按參數(shù)（10%，10mm）優(yōu)化后理論節(jié)能5.58%，相關生產性試驗節(jié)能6.36%。本文提出的按對參數(shù)變化更敏感的性能指標選擇最優(yōu)參數(shù)組合的方法使生產能耗更低，為成型燃料原料參數(shù)選擇提供理論依據，指導工程實踐。

關鍵詞：生物燃料；生產；粒度；含水率；整體比能耗；模擬

第一作者及聯(lián)系人：左鵬鵬（1989—），男，碩士研究生，主要從事生物質成型燃料研究。E-mail 13820058072@163.com。

我國具有豐富的農作物秸稈資源，秸稈通過壓縮成型可生產生物質成型燃料。生物質成型燃料一定程度上可以替代燃煤[1-3]，與天然氣相比也有明顯的價格優(yōu)勢。我國現(xiàn)階段生物質成型燃料生產正向著規(guī)?；较虬l(fā)展，應用較多的壓塊和顆粒兩種形態(tài)燃料的工藝環(huán)節(jié)大體相同，主要包括原料粉碎、篩分、干燥、輸送、成型、冷卻、質檢八道工序。

目前，現(xiàn)有文獻大多針對原料參數(shù)對生產中某個環(huán)節(jié)能耗或生產率的影響[4-9]進行研究，且實際生產中由于成型環(huán)節(jié)能耗較大，常按成型環(huán)節(jié)節(jié)能兼顧生產率的經驗值選取系統(tǒng)生產的原料參數(shù)[5-7]。據文獻報道，原料粒度較大時粉碎能耗較低，但成型能耗高[6]；含水率在一定范圍降低時干燥能耗升高[7]，粉碎能耗降低，成型能耗先降后升[8-9]；不同工藝對原料參數(shù)有不同要求。對于從系統(tǒng)生產角度考慮原料粉碎、干燥、成型、輸送等環(huán)節(jié)的整體比能耗及生產率最優(yōu)時原料參數(shù)優(yōu)化選擇的研究還很少見。

本文以陜西某生物質區(qū)域供熱企業(yè)擬建的年產2萬噸生物質成型燃料加工生產線為例，以降低成型燃料系統(tǒng)能耗為目標，利用離散系統(tǒng)仿真軟件ExtendSim對生產線進行仿真。

1 案例分析

以陜西某年產2萬噸的生物質成型燃料加工生產線為例，生物質原料可以考慮周邊的林間剩余物、農作物秸稈等，成型燃料主要針對應用較多的壓塊與顆粒兩種形態(tài)。本文具體參數(shù)分析，以玉米秸稈為例，有壓塊、顆粒兩條生產線，工藝流程如圖1。

通常，壓塊燃料一般截面為方形且邊長大于25mm，原料粉碎粒度低于50mm時都可成型；顆粒燃料直徑通常在5～10mm之間，粉碎粒度低于10mm時都可成型；原料含水率一般要求在10%～25%[2-3]。

文獻調研報道，現(xiàn)有生產線在保證顆粒、壓塊燃料生產率前提下[10-12]按成型環(huán)節(jié)節(jié)能的優(yōu)化經驗[5-7]選擇秸稈原料參數(shù)。顆粒燃料選取含水率10%、粒度6mm，壓塊燃料選取含水率15%，粒度20～30mm作為現(xiàn)行生產參數(shù);其顆粒燃料單噸平均能耗為127.3kWh[5]，壓塊燃料單噸平均能耗為72.4 kWh[9]。

實際規(guī)模化生產中，成型設備常在室溫下保持恒定壓輥間隙，并于額定功率下運轉。因此，在原料確定的情況下，含水率和粉碎粒度成為影響成型燃料生產率和整體比能耗的主要因素。兩條生產線擬選主要設備型號及參數(shù)見表1。

圖1 生物質成型燃料生產工藝流程1—粉碎；2—篩分；3—干燥；4—攪拌；5—輸送；6—成型；7—冷卻；8—質檢

表1 主要設備型號及參數(shù)

圖2 秸稈成型燃料生產工藝流程模型

2 模型綜述

2.1 模型組成

生物質秸稈成型燃料生產線模型由原料的粉碎、干燥、成型3個模塊組成，如圖2所示。

對于兩種形態(tài)燃料，篩分、干燥、攪拌等環(huán)節(jié)所需設備相同，建模時予以合并。原料含水率（MC）要求在30%[10]以下。如圖2，N表示不符合要求的產品，Y表示符合要求的產品。干燥環(huán)節(jié)能耗包括電耗和熱耗，燃料小部分來自顆粒、壓塊的不合格產品，其余由壓塊成型燃料成品提供。壓塊和顆粒燃料粉碎粒度量級不同，成型前分別采用傳送帶和氣力輸送方式。

2.2 模型參數(shù)及能耗計算

模型參數(shù)包括各設備的運行參數(shù)和系統(tǒng)綜合性能參數(shù)，其中運行參數(shù)包括定值參數(shù)和可變參數(shù)。

2.2.1 定值參數(shù)

設定系統(tǒng)生產線產能為定值，設備都處于額定工況下運轉，原料進入系統(tǒng)時的初始含水率恒為30%，且除干燥外各環(huán)節(jié)的理論生產時間為定值。

2.2.2 可變參數(shù)

粉碎環(huán)節(jié)通過調節(jié)粉碎機篩孔直徑將含水率30%的秸稈原料分別粉碎成粒度10～20mm、20～30mm、30～40mm[9]的壓塊原料；粒度為6mm、8mm、10mm[5]的顆粒原料。干燥環(huán)節(jié)按照生產中常用的含水率范圍設置干燥后含水率為5%、10%、15%、20%、25%共5個水平，通過調節(jié)原料干燥時間來達到要求的含水率。

2.2.3 系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)

（1）生產率 生產率指一臺設備或一個制造系統(tǒng)（生產線、車間或工廠）單位時間內生產的產品或零部件的數(shù)量。定義生產率＝系統(tǒng)總產量／(系統(tǒng)運行時間?設計產能)[13]。系統(tǒng)運行時間T由各環(huán)節(jié)的實際生產時間之和得到，實際總產量為Q'，由仿真系統(tǒng)自帶的history模塊統(tǒng)計得出，生產線設計產能為Q，因此生產率公式如式(1)。

（2）設備利用率[14]設備處于忙態(tài)的時間占工作時長的比例，它是時間的持續(xù)統(tǒng)計量（由仿真系統(tǒng)的Item模塊得到）。其隨時間變化的“忙態(tài)”函數(shù)為u(t)，某設備利用率η即為曲線u(t)下面積除以各環(huán)節(jié)實際生產時間ti，如式(2)。

（3）比能耗 比能耗定義為單位時間內生產單位質量的成型燃料所消耗的能量與成品質量間的比值[14]，如式(3)。

式中，W為比能耗，kWh/t；E為單位時間內總能耗，kWh；M為成型燃料總重，t。

2.2.4 比能耗計算方法

（1）能耗計算公式 除干燥、成型環(huán)節(jié)外，其余五環(huán)節(jié)在不同參數(shù)組合下的能耗都可按式(4)進行計算，機器設備生產1t燃料所消耗的電量，計算公式如式(4)[14]。

式中，W為比能耗，kWh/t；P為設備功率，kW；q為每小時的產量，kg/h；η為設備利用率。

（2）干燥能耗 干燥能耗b包含熱風干燥電機的電耗和燃料的熱耗。干燥環(huán)節(jié)熱量小部分由質檢后不合格的成型燃料提供，其余大部分由壓塊成品燃料提供。計算公式如式(5)。

式中，P為熱風干燥機功率；q為干燥系統(tǒng)生產率；η為由仿真得到的干燥設備利用率；Xi（i=1、2、3、4、5）為5個不同含水率水平；熱風干燥條件下，單位質量水分揮發(fā)所需能耗q0= 3364.57kJ/kg[10]。

（3）成型能耗 考慮不同參數(shù)組合下的系統(tǒng)綜合性能，如圖1所示，顆粒、壓塊成型機設備分別與文獻[5]和[9]中的設備相同，因此成型環(huán)節(jié)能耗及成型生產率數(shù)據分別來源于參考文獻[5]和[9]，見表2。

表2 不同參數(shù)組合下成型環(huán)節(jié)能耗及生產率[5，9]

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化

2.3.1 優(yōu)化方法

通過降維優(yōu)化得到各環(huán)節(jié)設備利用率。確定各工藝環(huán)節(jié)設備額定功率和理論生產時間，通過降維優(yōu)化法依次給定含水率為某一值，變化粉碎粒度水平得到這兩個原料參數(shù)不同組合下的生產率，并對各工藝設備Item模塊中的設備利用率進行統(tǒng)計分析；按照對原料參數(shù)變化更為敏感的系統(tǒng)綜合性能指標確定壓塊、顆粒成型生產的含水率和粉碎粒度最優(yōu)化組合，并與調研的生產性試驗結果進行比較。

2.3.2 優(yōu)化函數(shù)

生物質成型燃料連續(xù)生產，在保證生產率的條件下盡可能降低整體比能耗，以使成型燃料生產系統(tǒng)能耗達到最優(yōu)。優(yōu)化目標函數(shù)見式(6)、式(7)。

式中，φ1為不同參數(shù)組合下的顆粒燃料生產率；φ2為不同參數(shù)組合下的壓塊燃料生產率；W1為壓塊燃料的比能耗；W2為顆粒燃料的比能耗；a～g分別對應生產線的7個環(huán)節(jié)。

3 結果和討論

3.1 不同參數(shù)組合下的生產率

壓塊燃料生產率整體高于顆粒燃料，文獻中實驗數(shù)據與仿真數(shù)據趨勢基本吻合。由圖3可見，壓塊燃料隨著含水率增大生產率變化并不顯著，都處于90%±5%范圍內，且明顯高于顆粒燃料。這主要是由于壓塊燃料生產工藝要求低于顆粒燃料，各環(huán)節(jié)產品不合格率也相對低，單噸生產時間縮短。

如圖3，顆粒燃料在含水率10%時不同粒度的生產率都出現(xiàn)了最大值，這與大多數(shù)生物質顆粒燃料加工廠所選的含水率取值相一致。ISHII等[10]報道以秸稈為原料的萬噸級生產線生產試驗數(shù)據，粒度為10mm的顆粒燃料在不同含水率下生產率的變化趨勢與本文模型結果基本一致，且都在含水率10%時取得生產率的最大值。本文模擬參數(shù)范圍內，壓塊燃料含水率10%、粒度30～40mm時達到生產率最高，顆粒燃料含水率10%、粒度10mm時達到生產率最高。

3.2 不同參數(shù)組合下各環(huán)節(jié)的設備利用率

設備利用率是反映生產線性能的重要指標[15]，是指工作時間占總時間的百分比，各環(huán)節(jié)的設備利用率見圖4。

圖3 不同參數(shù)組合下成型燃料的系統(tǒng)生產率

圖4 不同參數(shù)組合下各環(huán)節(jié)的設備利用率30%—粉碎前的初始含水率；5%、10%、15%、20%、25%—分別為5個含水率水平，環(huán)狀多邊形代表設備利用率百分比

粉碎粒度越大，生產一噸合格品時間越短，設備利用率越高，反之亦然。如圖4(a1)，粒度30～40mm時，粉碎設備利用率只有60%左右，粉碎成為整個壓塊燃料生產的瓶頸環(huán)節(jié)。實際設備選型時建議選擇略低于生產線產能的粉碎設備，既不影響整體生產率，又可以降低設備的空轉能耗。

對于干燥環(huán)節(jié)，粒度和干燥程度對設備利用率都有影響。由圖4(b)知，顆粒燃料干燥環(huán)節(jié)的設備利用率隨秸稈含水率的增大而降低。說明粉碎粒度越細，原料干燥不均勻度越小，對顆粒燃料干燥環(huán)節(jié)設備利用率影響越不明顯。

3.3 含水率和粒度對成型燃料生產能耗的影響3.3.1 含水率變化對壓塊燃料生產能耗的影響

如圖5，對于壓塊燃料，各工藝主要能耗環(huán)節(jié)由高到低依次是成型、干燥、粉碎，總能耗在60～90kWh，這與HU[16]、WANG[17]等對額定產能1.5t/h的秸稈壓塊燃料生產線單噸能耗在60～80kWh的實驗值基本吻合。

壓塊生產中粉碎粒度都在10mm以上，對粉碎能耗的影響可忽略。干燥環(huán)節(jié)占總能耗的23%以上，是除成型外能耗最高的環(huán)節(jié)。成型能耗占總能耗的50%以上，這也是經驗值常按成型環(huán)節(jié)能耗最低選擇原料參數(shù)的重要原因。含水率大于20%時，壓塊燃料內部水分無法快速溢出會出現(xiàn)放炮現(xiàn)象。因此，整體比能耗隨含水率增高呈現(xiàn)先降后升趨勢。

圖5 壓塊燃料能耗隨含水率變化趨勢

3.3.2 含水率變化對顆粒燃料生產能耗的影響

如圖6，顆粒燃料生產中主要耗能環(huán)節(jié)由高到低依次是成型、粉碎、干燥。干燥環(huán)節(jié)能耗隨著含水率增大（干燥程度的降低）而減?。环鬯榱６鹊拇笮Q定了粉碎能耗的高低，且粒度越小越會產生更多的熱量，使含水率在粉碎過程中發(fā)生變化，出現(xiàn)了粉碎能耗隨含水率增加而增大的變化趨勢。按照成型環(huán)節(jié)能耗最低原則，發(fā)現(xiàn)粒度為6mm時不同含水率下成型能耗最低[9]。從整體比能耗來看，最優(yōu)含水率取值雖然也在15%，但最優(yōu)的粉碎粒度隨含水率的變化規(guī)律與只考慮成型環(huán)節(jié)時明顯不同。

3.3.3 粒度變化對主要工藝環(huán)節(jié)能耗的影響

根據圖5、圖6，選擇含水率15%（可以較好反應平均含水率水平下粒度變化對系統(tǒng)能耗的影響）分析6種粒度下各環(huán)節(jié)能耗占總能耗的比例。

由圖7知，粒度對壓塊燃料能耗的影響并不顯著。壓塊燃料成型、干燥環(huán)節(jié)占總能耗的80%左右，而這兩個環(huán)節(jié)對粒度變化并不敏感，這與HU等[16]以2萬噸秸稈壓塊燃料生產線所得各主要耗能環(huán)節(jié)占總能耗的比例相當。顆粒燃料隨粒度的增大成型能耗增加，粉碎能耗減少，但兩環(huán)節(jié)之和占總能耗百分比不變，恒定在75%左右，如圖7所示。由于WANG等[17]在規(guī)?；a中粒度為10mm的顆粒燃料能耗構成分析中，沒有算入干燥環(huán)節(jié)的熱耗，其結果與本文略有不同。

圖6 顆粒燃料能耗隨含水率變化趨勢

圖7 15%含水率下粒度對主要工藝環(huán)節(jié)能耗的影響壓塊30mm數(shù)據源來源于文獻[16]；顆粒10mm數(shù)據源來源于文獻[17]

3.4 敏感性分析及最優(yōu)化參數(shù)選擇

通過比較壓塊和顆粒燃料的生產率和整體比能耗分別對含水率、粉碎粒度兩參數(shù)的敏感程度，用以確定最優(yōu)的原料參數(shù)組合，定義相對線性敏感性系數(shù)[18]，見式(8)。

式中，ΔPi為性能參數(shù)的變化量；Δxi為設備數(shù)量的變化量；Pi和xi為基準參數(shù)。

由圖8知，顆粒燃料的生產率對粒度和含水率的變化最為敏感，粒度對生產率的影響呈正相關。即從整體上看，粒度越大生產率越高；含水率呈負相關，即含水率越大，生產率越低。壓塊燃料的整體比能耗對粒度和含水率的變化較生產率更為敏感，且都呈負相關，即在一定范圍內含水率和粒度越大，整體比能耗越低。

實際生產中，根據壓塊燃料生產率對原料參數(shù)

圖8 性能指標對參數(shù)變化的相對線性敏感性

變化敏感性較弱，建議以整體比能耗最低為原則確定最優(yōu)參數(shù)，即粉碎粒度30～40mm、含水率20%；顆粒燃料整體比能耗在不同參數(shù)組合下波動不大，但生產率波動較大，建議以生產率最高為原則確定最優(yōu)參數(shù)組合，即原料粒度10mm、含水率10%。

3.5 最優(yōu)化參數(shù)與經驗參數(shù)的節(jié)能比較

對比優(yōu)化后參數(shù)組合與工程案例擬采用的經驗參數(shù)組合，并與調研的生產性試驗結果相比較，分析各環(huán)節(jié)能耗、生產率，見表3。

表3 最優(yōu)化參數(shù)與經驗參數(shù)的節(jié)能比較

由表3可見，壓塊燃料按照整體比能耗最優(yōu)參數(shù)組合比經驗參數(shù)理論節(jié)能11.64%，生產率下降2.76%，相關生產性試驗節(jié)能10.36%；顆粒燃料按照生產率最優(yōu)參數(shù)組合比設計參數(shù)理論節(jié)能5.58%，生產率提高約10.07%，相關生產性試驗節(jié)能6.36%。

4 結 論

通過ExtendSim軟件對秸稈壓塊和顆粒燃料的生產線進行仿真，得出以下結論。

（1）壓塊燃料生產率整體高于顆粒燃料，且兩者都在含水率10%時達到最高；顆粒燃料各環(huán)節(jié)設備利用率較為均衡，壓塊燃料生產瓶頸在粉碎環(huán)節(jié)。建議選擇略低于生產線產能的粉碎設備，可在不影響生產率的同時降低生產能耗。

（2）壓塊和顆粒燃料整體比能耗隨含水率增高都呈先降后升趨勢；粒度對壓塊燃料能耗的影響并不明顯，但對顆粒燃料粉碎、成型兩環(huán)節(jié)的能耗有著此消彼長的影響。

（3）通過比較壓塊和顆粒燃料整體比能耗和生產率分別對兩參數(shù)變化的敏感程度，得到各自最優(yōu)的參數(shù)組合。原料參數(shù)優(yōu)化后總體能耗都明顯降低，達到了節(jié)能降耗的目的。

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研究開發(fā)

Effects of particle sizes and moisture content on energy consumption of straw briquette fuel processing

ZUO Pengpeng1，YANG Junhong1，HUANG Tao2，HAN Kui2，WANG Pufang1，GONG Qitao1
（1Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，MOE，School of Mechanical Engineering，
Tianjin University，Tianjin 300072，China;2Xi’an Chang’an District New City Heating Power Co.，Ltd.，Xi’an 710100，Shaanxi，China）

Abstract：In order to select optimal raw material parameters in the straw briquette processing，a straw briquette processing plant in Shaanxi with annual output about 20000 tons was taken as an example. Using the discrete system simulation software ExtendSim，we made a simulation on the straw briquette production and investigated the effects of moisture content and crushing particle size of raw materials on specific energy consumption and productivity of the processing. We obtained the optimal parameters combination of theoretical energy consumption based on the results. Based on the sensitivity analysis，we concluded that energy consumption of briquette fuel was more sensitive to the parameters of raw material than those of its productivity，but the contrary conclusion applied to the pellet fuel. Hence，the optimal parameter selection was based on a performance indicator which was more sensitive to the parameters of raw material. We concluded that as for briquette fuel whose optimal parameters are 15% and 20—30mm，it will save 11.64% energy consumption theoretically and practically saved 10.36%. As for pellet fuel whose optimal parameters are 10% and 10mm，it will save 5.58% theoretically and

6.36% practically. Therefore，the optimal parameter combination chosen by the performance indicator is more energy-saving than the ones from the original parameters optimization experience. It provides a theoretical foundation for the optimal parameter selections in the straw briquette engineering production and helps to guide the engineering practice.

Key words：biofuels；productivity；particle size；moisture content；specific energy consumption；simulation

基金項目：天津市自然科學基金項目（13JCYBJC19000）。

收稿日期：2015-07-27；修改稿日期：2015-08-24。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.019

中圖分類號：S 216.2

文獻標志碼：A

文章編號：1000–6613（2016）03–0773–07