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寧廷州，馬阿娟，俞洋，陳忠加
(北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京市，100083)
摘要：為近一步深入研究生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型，對(duì)國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型的研究現(xiàn)狀作較為詳細(xì)的闡述和說(shuō)明，同時(shí)分析了生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型的工作原理、并指出現(xiàn)有環(huán)模生物質(zhì)顆粒成型機(jī)主要存在磨損嚴(yán)重、能耗較大兩大問(wèn)題。最后對(duì)存在的問(wèn)題提出針對(duì)性的解決性方法和對(duì)策。
0引言
生物質(zhì)是指利用大氣、水、土地等通過(guò)光合作用而產(chǎn)生的各種有機(jī)體。其主要包括各類(lèi)動(dòng)植物和微生物。以生物質(zhì)為載體，由其產(chǎn)生的能量即為生物質(zhì)能。由于其總量豐富、分布廣泛，具有可再生性、低污染性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)得到了世界各國(guó)的重視。生物質(zhì)能將太陽(yáng)能以化學(xué)能的形式貯存于生物中，直接或間接源自于植物的光合作用。作為世界上最為廣泛的可再生能源，其僅次于煤炭、石油和天然氣，居于世界能源消費(fèi)總量的第四位，在整個(gè)能源系統(tǒng)中具有極為重要的地位。由此可見(jiàn)，生物質(zhì)能確實(shí)是一個(gè)巨大的能源。生物質(zhì)能主要來(lái)源有各類(lèi)農(nóng)作物秸稈、木質(zhì)廢棄物、薪柴等。
我國(guó)對(duì)生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)與利用極為重視，已經(jīng)連續(xù)在四個(gè)國(guó)家五年計(jì)劃中將其列入國(guó)家重點(diǎn)科技支撐項(xiàng)目。在生物質(zhì)能源利用的研究和開(kāi)發(fā)中我國(guó)已經(jīng)取得了多項(xiàng)優(yōu)秀成果，如生物質(zhì)固體成型、戶(hù)用沼氣池、生物質(zhì)發(fā)電、生物質(zhì)制氫、生物質(zhì)液體燃料、生物質(zhì)氣化、原電池等。政策方面，2005年2月28日召開(kāi)的十屆全國(guó)人大第十四次會(huì)議審議通過(guò)了《可再生能源法》并于2006年1月1日起正式實(shí)施，并且陸續(xù)出臺(tái)了一系列的配套措施。這都表明我國(guó)政府對(duì)可再生能源的重視，同時(shí)我國(guó)政府在政策方面也給予了巨大的優(yōu)惠支持。2007年，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)制訂《中國(guó)對(duì)應(yīng)氣候變化國(guó)家方案》：2010年后將通過(guò)發(fā)展生物質(zhì)能源來(lái)減少溫室氣體排放CO2當(dāng)量0.3億噸／年。同年8月份公布的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中指出：到2010年我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料年利用量達(dá)到100萬(wàn)噸，而到2020年將達(dá)到5000萬(wàn)噸。因此，我國(guó)生物質(zhì)能源的發(fā)展前景和投資前景極為廣闊。
生物質(zhì)顆粒機(jī)根據(jù)結(jié)構(gòu)形式可分為平模生物質(zhì)顆粒機(jī)和環(huán)模生物質(zhì)顆粒機(jī)。與螺旋式、柱塞式生物質(zhì)成型機(jī)相比，具有生產(chǎn)率高、對(duì)物料的適應(yīng)性好、工作狀態(tài)穩(wěn)定、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是目前生物質(zhì)成型發(fā)展的重點(diǎn)。本文重點(diǎn)分析生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)。
1生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
20世紀(jì)70年代末，美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、意大利和芬蘭以及比利時(shí)等國(guó)家相繼研發(fā)出大量的成型設(shè)備，比較典型的有美國(guó)的環(huán)模擠壓式顆粒燃料成型機(jī)、德國(guó)的KAHL系列成型機(jī)、比利時(shí)的T117型螺旋式壓塊機(jī)和芬蘭的移動(dòng)式顆粒壓縮機(jī)。其中，德國(guó)KAHL公司生產(chǎn)的動(dòng)輥式平模制粒機(jī)，能夠生產(chǎn)具有較高密度的生物質(zhì)顆粒燃料，效率高、耗能低，在歐洲和東南亞各國(guó)家得到了廣泛使用。在該制粒機(jī)型的基礎(chǔ)上，KAHL公司又研制成功了功能強(qiáng)更為大的38—780型平模式制粒機(jī)。20世紀(jì)80年代，西歐和日本生物質(zhì)燃料成型技術(shù)迅猛發(fā)展。印度、泰國(guó)、菲律賓和越南等東南亞各國(guó)的生物質(zhì)成型燃料行業(yè)也在該時(shí)期得到快速發(fā)展，陸續(xù)開(kāi)展了生物質(zhì)成型裝備及其成型工藝方面的研究，并首先在原材料中添入黏結(jié)劑，用來(lái)提高生物質(zhì)成型燃料的機(jī)械性能。20世紀(jì)末，日本、西歐和北美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)生物質(zhì)固化成型設(shè)備和成型燃料均已商品化。
從20世紀(jì)80年代開(kāi)始我國(guó)著力于生物質(zhì)燃料成型技術(shù)的研究。1996年，遼寧省農(nóng)牧機(jī)械研究所成功申請(qǐng)了生物質(zhì)環(huán)模壓塊機(jī)專(zhuān)利。1998年，江蘇正昌糧機(jī)股份公司內(nèi)壓式生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)，其生產(chǎn)能力在250~300kg／h之間。同年，林科院林產(chǎn)化工研究所也成功研制了生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)，該成型機(jī)生產(chǎn)能力在120～240kg／h之間，能耗為120.8～241.7kW·h／t。老萬(wàn)生物質(zhì)能科技有限公司董事長(zhǎng)從2000年就開(kāi)始著手農(nóng)作物秸稈生物質(zhì)顆粒燃料及其燃燒設(shè)備的研究工作，目前生產(chǎn)各類(lèi)生物質(zhì)燃料和各類(lèi)用于燃燒顆粒燃料的爐具，其各項(xiàng)排放指標(biāo)均已達(dá)到國(guó)內(nèi)和國(guó)外現(xiàn)行的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。2002年，中南林學(xué)院在國(guó)產(chǎn)飼料制粒機(jī)的基礎(chǔ)上結(jié)合瑞典生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)了生物質(zhì)顆粒成型機(jī)及其環(huán)保節(jié)能灶和取暖爐。2008年，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院成功研發(fā)出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)，同時(shí)在北京大興區(qū)建成了年產(chǎn)1萬(wàn)噸的生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線(xiàn)。
2生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型工作原理
生物質(zhì)顆粒機(jī)以農(nóng)林加工廢棄物(如木屑、秸稈、稻殼、樹(shù)皮等)為原料，通過(guò)預(yù)處理和加工，將其加工成高密度的顆粒燃料(工藝流程如圖1所示)，是替代煤、石油、天然氣的理想燃料，既節(jié)約能源又減少有害氣體的排放，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是一種高效潔凈的可再生能源。
雖然國(guó)內(nèi)各科研院所和企業(yè)已相繼研發(fā)出各種類(lèi)型生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)，但其基本工作原理類(lèi)似(如圖2所示)。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)模以一定的轉(zhuǎn)速順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，物料在自身重力和環(huán)模離心力的作用下進(jìn)入制粒室，隨之物料開(kāi)始被攫人工作區(qū)，壓輥在工作區(qū)摩擦力的作用下與環(huán)模同方向旋轉(zhuǎn)。隨著模輥的不斷旋轉(zhuǎn)，攫人的物料也不斷向前推進(jìn)，擠壓力和物料密度也都隨之增加。當(dāng)環(huán)模擠壓力增大到足以克服物料與環(huán)模孔內(nèi)壁摩擦力的時(shí)候，具有一定黏結(jié)力和密度的物料就被擠進(jìn)環(huán)模孔內(nèi)。隨著擠壓力的不斷增加，溫度也隨之越來(lái)越高，物料中的木質(zhì)素在相當(dāng)溫度下被分解，充當(dāng)著黏結(jié)劑的作用，將物料黏結(jié)在一起。由于模輥的不斷旋轉(zhuǎn)，物料也不斷地被擠進(jìn)環(huán)模孔內(nèi)，環(huán)模孔內(nèi)已經(jīng)成型的物料不斷被連續(xù)擠出環(huán)模孔，在自身重力和外部切刀的作用下，物料被剪斷，折成具有一定長(zhǎng)度的顆粒狀燃料，從模孔出口處落下。
3生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型存在的問(wèn)題
3.1磨損嚴(yán)重
生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)工作時(shí)，壓輥通過(guò)摩擦力和擠壓力將物料擠進(jìn)環(huán)模孔。截至目前，我國(guó)使用的生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)關(guān)鍵部件的磨損問(wèn)題較為嚴(yán)重，尤以主要部件壓輥和環(huán)模的磨損最為嚴(yán)重。
南京理工大學(xué)蔣清海博士指出，環(huán)模不同磨損位置起主導(dǎo)作用的磨損機(jī)制也不盡相同：環(huán)模孑L壁磨損十分嚴(yán)重，是以微切削作用為主的磨粒磨損和疲勞磨損的交互作用；環(huán)模孔入口處以磨粒磨損為主，出口處則以疲勞磨損為主，從環(huán)模孔入口處到出口處的磨損量以指數(shù)形式遞減，磨損則由以磨粒磨損為主向以疲勞磨損為主過(guò)渡。
工作環(huán)境的惡劣是加劇壓輥磨損的主要原因：
1)壓輥在環(huán)模內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與喂人物料摩擦生熱，溫度可達(dá)200℃以上，導(dǎo)致壓輥材料變脆；
2)秸稈收集過(guò)程中帶入的砂石、玻璃渣和鐵屑等硬質(zhì)顆粒物易造成壓輥表面的硬磨料磨損；
3)除了物料中含有的雜質(zhì)、硅酸鹽成分和水分等中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)容易加速摩擦、磨損和腐蝕的物質(zhì)之外，由于物料的不均勻分布，使得壓輥進(jìn)料側(cè)壓面相比其他位置的表面磨損多出近40％。
4)壓輥和環(huán)模的線(xiàn)速度基本相等，而直徑卻僅為環(huán)模內(nèi)徑的40％左右，故其外表面的磨損率約為環(huán)模內(nèi)表面的2.5倍。
3.2能耗較大
降低生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)的成型能耗已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外熱點(diǎn)研究問(wèn)題之一。對(duì)于生物質(zhì)成型燃料加工系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，能耗是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，能耗是指在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)成型燃料所消耗的能量與該時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的成型燃料質(zhì)量的比值。壓縮成型的能耗主要包括三部分：原料喂人所消耗的能量；物料與成型部件內(nèi)壁摩擦所消耗的能量；克服物料彈性變形所需的能量。
影響生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)成型能耗的因素繁多，如顆粒的大小、含水率、添加劑等物理化學(xué)性能以及環(huán)模尺寸、模孔大小、環(huán)模轉(zhuǎn)速等制粒機(jī)相關(guān)參數(shù)。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院叢宏斌博士指出，環(huán)模直徑、轉(zhuǎn)速以及模輥長(zhǎng)徑比均對(duì)生物質(zhì)顆粒成型的能耗有著重要影響。環(huán)模的直徑越大、轉(zhuǎn)速越高，對(duì)設(shè)備的產(chǎn)能和能耗的影響也就越明顯；輥模直徑比對(duì)設(shè)備的產(chǎn)能影響比對(duì)設(shè)備能耗影響大。輥模直徑比越大，設(shè)備單位產(chǎn)能能耗越低。
生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)的擠壓能耗是真正有效的做功部分，不管是物料在環(huán)模孔內(nèi)的擠壓過(guò)程還是輥壓過(guò)程，其擠壓力產(chǎn)生的根本原因是由于物料與環(huán)模、壓輥之間存在摩擦，所以說(shuō)擠壓力是由摩擦力間接引起的。也正是如此，物料在環(huán)模孑L內(nèi)的摩擦以及在輥壓過(guò)程的摩擦產(chǎn)生的擠壓能量耗損其實(shí)是不可以避免的。生產(chǎn)實(shí)踐表明，普通生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型過(guò)程中，環(huán)模的開(kāi)孔率嚴(yán)重地影響著成型過(guò)程中的能耗。雖然部分物料經(jīng)過(guò)強(qiáng)高壓之后能夠擠出環(huán)模孔外，但是環(huán)模與壓輥之間仍有部分物料處于強(qiáng)高壓狀態(tài)而未被擠出環(huán)模孔外，這部分物料嚴(yán)重地消耗著生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機(jī)的能耗。
4生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型問(wèn)題對(duì)策分析
從秸稈加工技術(shù)原理角度分析，應(yīng)著重克服秸稈物料的彈性，從而改善物料的表面形態(tài)，使之具備一定的粘接性，或添加少量添加劑，就可以使生物質(zhì)成型機(jī)在常溫條件下擠壓成型。基于該思路，目前生物質(zhì)輕度炭化法固體燃料成型技術(shù)正在示范中。為有效改善秸稈物料的表面活性，以便其與少量沼渣、黏結(jié)劑或脫水牛糞充分混合，該方法對(duì)秸稈物料首先做輕度炭化處理，這可以有效克服傳統(tǒng)加工設(shè)備存在的生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定、能耗高的問(wèn)題，并可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
此外，在與輕度脫水的沼渣或牛糞按一定的比例混合后加工成生物質(zhì)固體成型燃料，將為農(nóng)田廢棄物資源的綜合利用開(kāi)辟新途徑。
從設(shè)備改進(jìn)角度分析，為避免高壓高溫導(dǎo)致的強(qiáng)摩擦作用對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)的快速摩損以及由溫度過(guò)高發(fā)生的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故需要進(jìn)一步提高構(gòu)成生物質(zhì)成型機(jī)的原材料的品質(zhì)、完善生物質(zhì)固體成型燃料的制造工藝。基于這一現(xiàn)狀，目前正在示范中的工藝技術(shù)是水冷卻控溫技術(shù)。其利用冷卻控溫原理進(jìn)一步調(diào)控物理法生物質(zhì)成型機(jī)的運(yùn)行溫度，并對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，不僅大大提高了生物質(zhì)成型機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的連續(xù)性，而且也減少了生物質(zhì)成型機(jī)關(guān)鍵部件的磨損，同時(shí)該技術(shù)還對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)及其模具做了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保了設(shè)備能夠始終運(yùn)行于一個(gè)最佳的溫度環(huán)境，改善了勞動(dòng)環(huán)境，有效消除了設(shè)備偶然性故障的出現(xiàn)，降低了設(shè)備擠壓系統(tǒng)及模具的磨損率，使得設(shè)備能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，這開(kāi)辟了秸稈成型設(shè)備技術(shù)發(fā)展又一重要途徑。
從成型原理角度分析，為摒棄傳統(tǒng)生物質(zhì)環(huán)模成型設(shè)備利用壓輥外曲面將物料壓入環(huán)模成型孔的成型方式，可采用柱塞嚙合原理，該方法在壓輥外曲面上均勻分布一系列柱塞，對(duì)進(jìn)入環(huán)模成型孔內(nèi)的生物質(zhì)物料進(jìn)行有效擠壓，避免了生物質(zhì)物料在環(huán)模成型孔外受壓輥外曲面強(qiáng)烈的擠壓和摩擦，從而降低了非有效壓縮成型中的能耗，同時(shí)也降低了環(huán)模成型孔的磨損，提高了使用壽命。
5結(jié)論
國(guó)內(nèi)生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型技術(shù)近年來(lái)雖然取得了較大的進(jìn)展，但是與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，其最為突出的還是磨損和能耗問(wèn)題。當(dāng)前能源問(wèn)題日益突出，降低生物質(zhì)顆粒成型能耗，將成為今后研究的重點(diǎn)。另外，生物質(zhì)環(huán)模制粒機(jī)環(huán)模和壓輥的磨損問(wèn)題，也是亟待解決的問(wèn)題。從根本上來(lái)提高生物質(zhì)成型機(jī)的產(chǎn)量及其成型顆粒質(zhì)量，降低成型能耗和磨損，還需要通過(guò)改變環(huán)模模孔的形狀、模輥的間隙等細(xì)節(jié)問(wèn)題上來(lái)提高，從而降低生產(chǎn)線(xiàn)故障率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。除此之外，生物質(zhì)顆粒燃料成型設(shè)備行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定，將有利于促進(jìn)生物質(zhì)顆粒燃料的產(chǎn)業(yè)化和商品化。 |
