□張彥民

　　【內(nèi)容摘要】生物質(zhì)能是目前全球清潔能源開(kāi)發(fā)的重要項(xiàng)目之一，比對(duì)化石能源的儲(chǔ)備以及使用效率來(lái)看，生物質(zhì)能是可再生能源，清潔無(wú)害，目前研發(fā)的重心在于提高生物質(zhì)能的利用效率以及現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)是目前生物質(zhì)能應(yīng)用的重要設(shè)備。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈資源數(shù)量大，但為了方便運(yùn)輸以及儲(chǔ)藏需要進(jìn)行壓制成型，才能夠?qū)崿F(xiàn)生物質(zhì)能的大規(guī)模應(yīng)用，減少我國(guó)化石類資源的使用，實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及效率提升。本文基于成型機(jī)類型、成型機(jī)理，研究生物質(zhì)成型機(jī)的結(jié)構(gòu)，針對(duì)復(fù)合式環(huán)模進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，希望能夠?qū)ξ覈?guó)生物質(zhì)能源研究提供相應(yīng)參考。

　　一、生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)研究現(xiàn)狀及原理

　　生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)是將含有豐富生物質(zhì)資源的鋸末、秸稈、稻谷等農(nóng)林廢棄物通過(guò)加壓、加熱等工藝流程形成具有高熱值的成型燃料棒，用于工業(yè)及生活生產(chǎn)中。生物質(zhì)壓縮技術(shù)伴隨著清潔能源的開(kāi)發(fā)愈加受到國(guó)內(nèi)外重視，我國(guó)生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)研究處于過(guò)渡階段，目前主要是針對(duì)顆粒燃料實(shí)用性以及粉碎、制粒工序，結(jié)合市場(chǎng)上的壓縮成型設(shè)備，對(duì)環(huán)模壓縮比以及環(huán)模壓塊成型機(jī)的性能進(jìn)行深入研究。

　　國(guó)內(nèi)對(duì)壓縮成型燃料技術(shù)研究由于起步較晚，在20世紀(jì)90年代以后才發(fā)展起，機(jī)械螺桿式、活塞式成型技術(shù)，對(duì)于農(nóng)作物秸稈的壓縮比研究也比較慢，目前普遍認(rèn)為豆秸壓縮比為4.0、玉米秸壓縮比4.5以及鋸末壓縮比為5.0，國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線的設(shè)備主要是北京市大興區(qū)研發(fā)出的HM－485型環(huán)模式成型機(jī)。目前河南、江蘇等省市生物質(zhì)固體燃料成型技術(shù)應(yīng)用前景良好，每年都達(dá)到180萬(wàn)噸以上的生物質(zhì)固體燃料。

　　國(guó)外生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)研究起始于20世紀(jì)30年代，早我國(guó)50年，美國(guó)是生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)研究的先驅(qū)國(guó)家，瑞典、丹麥、奧地利等國(guó)則是大力推行生物質(zhì)物體成型燃料技術(shù)，加快其發(fā)展進(jìn)程。20世紀(jì)80年代生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)實(shí)用化，應(yīng)用于發(fā)電取暖及工業(yè)生產(chǎn)，原料從收集、干燥、粉碎等程序開(kāi)始實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線生產(chǎn)，日本與美國(guó)及歐洲出臺(tái)了相應(yīng)成型燃料生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)生產(chǎn)及設(shè)計(jì)也制定出了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

　　最初生物質(zhì)成型機(jī)是仿造飼料成型設(shè)備制造，其工作流程與飼料成型制備工藝相似，先將原料在配料倉(cāng)進(jìn)行攪拌混合后，通過(guò)調(diào)質(zhì)處理后經(jīng)過(guò)螺旋進(jìn)行壓力器進(jìn)行制粒，勻料板將物料分均勻后，通過(guò)電力轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)部的壓輥以及模型，對(duì)物料進(jìn)行擠壓壓縮后形成條柱狀再進(jìn)行切割，成為固體燃料。不過(guò)壓塊固體燃料的制成主要是通過(guò)不等螺距的內(nèi)部螺帶，通過(guò)主軸體的轉(zhuǎn)動(dòng)將物料推進(jìn)環(huán)模腔中，再擠壓進(jìn)環(huán)模孔中，偏心壓輪完成一次公轉(zhuǎn)就會(huì)將模孔中的物料擠壓成塊。兩者的制備工藝流程都是原料干燥→粉碎→輸送→成型→冷卻→包裝。

　　二、生物質(zhì)成型燃料工藝研究進(jìn)展

　　(一)生物質(zhì)成型燃料工藝。生物質(zhì)固體成型燃料工藝根據(jù)工藝特征進(jìn)行分類，按照有無(wú)粘結(jié)劑使用分為常溫成型、熱壓成型和炭化成型，按照是否要對(duì)原材料進(jìn)行預(yù)處理分為干壓成型與濕壓成型。目前應(yīng)用比較廣泛的是以下三種。

　　1．炭化成型技術(shù)。炭化顧名思義就是要將原料進(jìn)行熱解提高其含碳量，使生物質(zhì)原料炭化再進(jìn)行壓縮成型。一是先用將生物質(zhì)原料壓縮成型，再利用炭化爐將燃料棒炭化，二是將生物質(zhì)原料通過(guò)壓縮套壓入熱解筒中，通過(guò)間接加熱的方式使物料在壓縮過(guò)程中炭化，得到所需的燃料木炭棒。前者的工藝流程比較繁瑣，后者工藝過(guò)程不需要進(jìn)行多工藝環(huán)節(jié)的銜接，所以后者更受市場(chǎng)歡迎。整體而言炭化成型技術(shù)的缺點(diǎn)在于原料炭化后難以長(zhǎng)久維持形狀，需要用到粘結(jié)劑和成型壓力，會(huì)提高成型機(jī)制造的成本，優(yōu)點(diǎn)在于能耗低，炭化過(guò)程中原料纖維素結(jié)構(gòu)損壞，高分子組受熱裂解并放出熱量，使得部件磨損及能耗降低。

　　2．冷壓成型技術(shù)。冷壓成型技術(shù)又名濕壓成型技術(shù)，在常溫下通過(guò)特殊擠壓方式將處理過(guò)的生物質(zhì)顯微結(jié)構(gòu)制成顆粒，對(duì)原料的含水量要求不高，所以技術(shù)工藝環(huán)節(jié)更為簡(jiǎn)單，只需要進(jìn)行粉碎及壓縮，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，所以適用范圍比較廣，設(shè)備系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單體積小、價(jià)格低、可移動(dòng)性強(qiáng)，所以目前市場(chǎng)冷壓成型機(jī)備受關(guān)注。不過(guò)雖然冷壓成型技術(shù)能耗相對(duì)較低，但就總體能耗量而言還是比較高。

　　3．熱壓成型技術(shù)。熱壓成型技術(shù)要在較高的溫度下才能夠進(jìn)行，需要高壓進(jìn)行輔助，將木質(zhì)素中的膠性物質(zhì)釋放出來(lái)作為粘結(jié)劑，將生物質(zhì)材料擠壓在一起，可以大大降低生物質(zhì)的運(yùn)輸成本及提高燃燒效率，但工藝程序較為復(fù)雜，對(duì)生物質(zhì)材料的含水率要求高，成本也比較高，我國(guó)生產(chǎn)價(jià)格在1000元/t以上。現(xiàn)階段意大利研發(fā)一種常溫成型技術(shù)，既不對(duì)原料含水率做高要求，可以直接進(jìn)行制粒，也不需要冷卻可以直接進(jìn)行包裝，能耗和成本都比較低，省略了干燥和冷卻兩道工序，所以機(jī)器磨損程度也比較低，總成本不高。

　　(二)環(huán)模式成型機(jī)設(shè)計(jì)。生物質(zhì)環(huán)模式成型機(jī)是壓輥擠壓成型中的一種，比對(duì)平模壓輥式成型機(jī)，環(huán)模壓輥式成型機(jī)不僅能夠進(jìn)行燃料顆粒的壓縮，也可以制作飼料顆粒并且實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃料顆粒的連續(xù)高效率生產(chǎn)，所以在市場(chǎng)上更受歡迎。雖然炭化成型技術(shù)也比較完善成熟，但需要經(jīng)過(guò)有機(jī)物熱解，整體過(guò)程時(shí)間周期太長(zhǎng)所以主要還是從冷壓式及熱壓式機(jī)理中進(jìn)行設(shè)計(jì)考量。在冷壓式和熱壓式顆粒成型機(jī)理中，冷壓式成型技術(shù)對(duì)物料含水量要求低，不需要額外進(jìn)行粘結(jié)劑，只需要進(jìn)行粉碎和壓縮兩個(gè)工藝環(huán)節(jié)，就能夠?qū)崿F(xiàn)壓制成型，所以在生物質(zhì)環(huán)模式成型機(jī)設(shè)計(jì)中，采用的是冷壓式成型機(jī)理。

　　運(yùn)用環(huán)模方式冷壓成型機(jī)理，將粉碎的生物質(zhì)原料從進(jìn)料口通過(guò)螺旋桿輸送到環(huán)模腔室內(nèi)旋轉(zhuǎn)的灑料嘴，原料在灑料嘴的離心力作用下均勻鋪在環(huán)模表面，然后由電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力，通過(guò)聯(lián)軸器、減速箱、主軸及副軸分別傳遞到環(huán)模與壓輥，兩者進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)原料的揉搓和擠壓，原料在強(qiáng)大的擠壓力作用下，通過(guò)環(huán)模上的模孔保壓作用，實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)顆粒的擠壓成型。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小、重量輕，成本也比較低，所以在市場(chǎng)上形成一定競(jìng)爭(zhēng)力。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，環(huán)模式生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)的設(shè)計(jì)思路，是生物質(zhì)固體燃料成型技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)固化成型和設(shè)備優(yōu)化的重點(diǎn)。對(duì)于復(fù)合式環(huán)模材料的選擇而言，主要是從成本、綜合性能兩個(gè)角度進(jìn)行考慮，碳素鋼與滲碳不銹鋼作為內(nèi)外層材料進(jìn)行結(jié)合，既能夠滿足設(shè)備構(gòu)件的結(jié)構(gòu)要求，也能夠滿足市場(chǎng)成本要求。