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摘要：綜合分析了國內(nèi)外生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型技術(shù)、成型設(shè)備及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，比較了生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機和生物質(zhì)環(huán)模壓塊成型機的性能和產(chǎn)品，指出了生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模技術(shù)及設(shè)備存在著基礎(chǔ)理論薄弱、原料適應(yīng)差、易損件壽命短等問題；提出了我國生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型技術(shù)的發(fā)展方向。

0引言

生物質(zhì)能作為一種清潔能源，具有可再生和環(huán)境友好的雙重屬性。發(fā)展生物質(zhì)能，既有利于緩解我國能源緊張的局面，減少溫室氣體的排放，保護生態(tài)環(huán)境，又有利于改善農(nóng)村居民生產(chǎn)生活條件，增加農(nóng)民收入。我國是一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，具有豐富的生物質(zhì)資源。目前，農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量已超過7億t，折合成標煤約為3.5億t。此外，我國還有約13億t林木業(yè)生物質(zhì)資源可供利用。

生物質(zhì)固體成型燃料是各類原來分散的、沒有一定形狀的秸稈等生物質(zhì)經(jīng)干燥和粉  碎后，在一定溫度與壓力作用下，壓制成的具有一定形狀的、密度較大的新型清潔燃料。它具有便于儲存和運輸?shù)葍?yōu)點，不僅可為農(nóng)村家庭提供炊事、取暖用能，也可作為工業(yè)鍋爐和發(fā)電廠燃料，替代煤、天然氣、燃料油等化石能源，是生物質(zhì)能利用的重要發(fā)展方向之一。隨著農(nóng)村居民生活水平的提高、對新型能源需求的擴大以及加強環(huán)境保護、應(yīng)對全球氣候變化的戰(zhàn)略需要，生物質(zhì)固體成型燃料已成為一種極具競爭力和發(fā)展?jié)摿Φ奶娲�能源�?

目前，生物質(zhì)固體成型燃料的成型設(shè)備主要有螺旋擠壓式成型機、活塞沖壓式成型機和壓輥式成型機等3種形式。其中，壓輥式成型機分為環(huán)模成型機和平模成型機。環(huán)模成型機采用環(huán)狀壓模，成型模孔環(huán)狀徑向輻射均布，工作區(qū)接觸面積大、模孔多，環(huán)模與壓輥接觸線上各點等速，具有生產(chǎn)率高、能耗較低等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸成為當前歐美等發(fā)達國家的主流技術(shù)。

本文擬通過對國內(nèi)外生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢等進行綜合分析，探討制約產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的關(guān)鍵技術(shù)問題，并提出下一步研究方向及對策措施。

1技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1環(huán)模成型理論研究進展

生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)研究，早期主要集中于成型壓力和密度上。skalweit最早提出了秸稈壓縮成型理論，得出壓力與密度為指數(shù)關(guān)系。隨后，各國的研究者對其做進一步的證明和修正。

李在峰分析了成型時電耗主要集中在粉  碎與制粒兩個工序上，在不影響顆粒燃料使用性能的前提下，應(yīng)盡可能地降低對密度的要求。姜洋發(fā)現(xiàn)了豆稈采用壓縮比為4.0的環(huán)模、玉米秸稈采用壓縮比為4.5的環(huán)模、鋸末采用壓縮比為5.0的環(huán)模時，顆粒燃料密度達到質(zhì)量要求時設(shè)備系統(tǒng)的能耗較低。申樹云對環(huán)模顆粒成型機核心工作部件——環(huán)模進行了ansys有限元分析，建立了顆粒成型過程中的溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場模型，得到長徑比為5∶1時成型效果最佳的結(jié)論。高建輝對環(huán)模壓塊成型機利用ansys程序?qū)Τ尚驮O(shè)備力學性能以及振動響應(yīng)特性進行了系統(tǒng)的量化分析，得到主軸部件的前6階模態(tài)振型、臨界轉(zhuǎn)速以及在工作載荷頻率下的動態(tài)響應(yīng)特性。

現(xiàn)階段，國內(nèi)對生物質(zhì)固體成型燃料環(huán)模成型設(shè)備的研究成果，主要是基于某種條件下進行的試驗研究得到的一些優(yōu)化結(jié)果。但受成型過程多方面因素  影響，優(yōu)化結(jié)果只在特定環(huán)境發(fā)揮作用。尚沒有深入地研究環(huán)模成型機理，也缺乏對環(huán)模壓塊成型機的試驗研究。

1.2產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

生物質(zhì)環(huán)模成型機最初由飼料成型設(shè)備改進而得。早在20世紀60年代，美國約翰迪爾公司生產(chǎn)的lundell壓餅機，即采用了環(huán)模式壓餅裝置，并己成為定型產(chǎn)品在市場上銷售。目前，國外主要生產(chǎn)木制顆粒燃料。近年來，生物質(zhì)顆粒燃料總產(chǎn)量逐年增加，2008年全世界生物質(zhì)顆粒燃料總產(chǎn)量達1160萬t，其中歐洲（不含俄羅斯）總產(chǎn)量達740萬t。某些大企業(yè)年產(chǎn)量達數(shù)十萬t，如瑞典skellefte覽kraftab公司2009年的產(chǎn)量達23.5萬t。

從20世紀80年代起，我國開始致力于生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)的研究。1996年，遼寧省農(nóng)牧業(yè)機械研究所申請了環(huán)模壓塊機的專利；1998年江蘇正昌糧機集團公司開發(fā)了環(huán)模顆粒成型機，生產(chǎn)能力為250～300kg/h；2008年，農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院完成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的環(huán)模顆粒成型機，并在北京市大興區(qū)建成年產(chǎn)1萬t生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線。

目前，國外環(huán)模成型機適用原料主要為木屑等林業(yè)廢棄物，產(chǎn)品多為顆粒燃料，設(shè)備制造比較規(guī)范，自動化程度高，生產(chǎn)技術(shù)大部分已經(jīng)成熟，并達到規(guī)�；�和商品化，但價格較高。國內(nèi)生物質(zhì)環(huán)模成型機還處于商業(yè)化初期，規(guī)模較小、適應(yīng)性差，因此，亟待開發(fā)適合我國國情的環(huán)模成型設(shè)備。

2生物質(zhì)環(huán)模成型機分類和比較

生物質(zhì)環(huán)模成型機可按生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸規(guī)格進行分類，主要分為生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機和生物質(zhì)環(huán)模壓塊成型機。本文重點對農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院在北京大興基地研制的兩種典型環(huán)模成型機進行分析比較。

2.1生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機

生物質(zhì)環(huán)模顆粒成型機生產(chǎn)的顆粒燃料，通常為圓柱形，直徑一般不大于25mm，長度不大于其直徑的4倍；常見的直徑尺寸有6，8，10mm。顆粒燃料的密度大于壓塊燃料，達1.2～1.4t/m3。由于顆粒燃料直徑較小，�？讐嚎s比較大，對原料含水率要求較高，一般在含水率為12％~15％、原料粒徑為1～5mm時適合成型。

環(huán)模顆粒成型機及關(guān)鍵部件見圖1和圖2，該機型采用環(huán)形壓模和與其相配的圓柱形壓輥為主要工作部件，主要由喂料、攪拌、傳動及潤滑系統(tǒng)組成。因其壓模軸線通常為水平布置，故常稱臥軸環(huán)模顆粒成型機。

環(huán)模顆粒成型機工作原理：原料在配料倉經(jīng)專門配置的抄板攪拌混合，調(diào)質(zhì)處理，隨后螺旋供料器將物料喂入壓粒器制粒。在壓粒器內(nèi)，勻料板將調(diào)質(zhì)好的物料均勻地分配到模、輥之間。

環(huán)模由電機帶動回轉(zhuǎn)，安  裝于環(huán)模內(nèi)的2只壓輥在模輥間的物料及其間的摩擦力作用下只自轉(zhuǎn)不公轉(zhuǎn)。由于模、輥的旋轉(zhuǎn)，將模、輥間的物料鉗入、擠壓，最后成條柱狀從�？字斜贿B續(xù)擠出來，再由安  裝在壓模外面的固定切刀切成一定長度的顆粒燃料。

制粒系統(tǒng)工藝流程主要包括原料干燥、粉  碎（除塵）、氣流輸送、收集、原料混合攪拌、螺旋輸送、制粒成型、切斷、冷卻、包裝、入庫等工序。

2.2生物質(zhì)環(huán)模壓塊成型機

生物質(zhì)環(huán)模壓塊成型機生產(chǎn)的壓塊燃料，通常為棱柱形或圓柱形，其直徑或橫截面的對角線一般大于25mm，長度不等。由于�？讬M截面尺寸為30mm×32mm，模孔壓縮比較小，對原料含水率要求寬松一些，一般為10％~20％。

環(huán)模壓塊成型機的主要工作原理不同于環(huán)模顆粒成型機，它的主要工作部件是由固定的單列方模孔的環(huán)模和轉(zhuǎn)動的單一偏心壓輪組成。粉  碎后的秸稈物料經(jīng)喂料口進入帶有不等螺距的內(nèi)外螺帶的機體腔倉中，隨著主軸體的轉(zhuǎn)動，將物料推至環(huán)模腔中，并布滿環(huán)模溝槽，由沿著環(huán)模溝槽內(nèi)切公轉(zhuǎn)和摩擦自轉(zhuǎn)的偏心壓輪將物料擠壓進環(huán)�？字�。環(huán)模壓塊成型機主軸體與偏心壓輪有一定的偏心距形成主軸體的旋轉(zhuǎn)扭力臂，偏心壓輪的半徑形成了傳動扭力臂，主軸體的動力作用點在偏心壓輪的軸心上形成主軸圓周力。偏心壓輪每完成一次公轉(zhuǎn)周期就將布滿環(huán)模溝槽內(nèi)的物料擠壓入�？變�(nèi)，從而形成了燃料塊的一個壓層。

隨著物料的不斷喂入和偏心壓輪的公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)，便接連不斷地形成無數(shù)個物料壓層，相繼地擠入模孔中，通過�？字胁粩喑手鶢顢D出，然后與出料罩斜面接觸，被撅成一定長度的方形柱狀物。

壓塊系統(tǒng)工藝流程主要包括原料干燥、粉  碎（除塵）、輸送、成型、冷卻、包裝等工序。

2.3環(huán)模顆粒成型機與環(huán)模壓塊成型機性能對比

由于環(huán)模顆粒成型機的環(huán)模內(nèi)徑不超過500mm，因此環(huán)�？梢哉�鑄；采用動模式驅(qū)動，喂料方便，可以獲得更高的轉(zhuǎn)速；顆粒產(chǎn)品的質(zhì)量好，密度大，能達1.2~1.4t/m3，生產(chǎn)率達1.5~2t/h，成型率不低于95％。

由于環(huán)模壓塊成型機的環(huán)模內(nèi)徑超過800mm，因此環(huán)模采用分體式模塊組成；采用動輪式驅(qū)動，主運動部件質(zhì)量輕、節(jié)能，但可能導(dǎo)致喂料不均勻；壓塊產(chǎn)品的生產(chǎn)率高，能達3~4t/h，密度適中，為0.6~1.0t/m3，成型率在90％。

總之，環(huán)模顆粒成型機采用雙壓輥結(jié)構(gòu)受力比較均勻，壓制的顆粒產(chǎn)品成型率高、密度大、質(zhì)量好、更易于儲存，目前顆粒燃料已經(jīng)有了穩(wěn)定的商業(yè)化市場；環(huán)模壓塊成型機采用單壓輪結(jié)構(gòu)，物料攝入?yún)^(qū)域大、生產(chǎn)率高、對物料的含水率適用范圍也比較寬，生產(chǎn)的工序少、設(shè)備投資少、人工成本和能耗低、產(chǎn)品價格低。

3存在的主要問題

3.1基礎(chǔ)理論研究薄弱

國內(nèi)外在秸稈壓縮環(huán)模成型基礎(chǔ)理論方面的研究還很薄弱，無法滿足生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備研究和開發(fā)需要。目前，針對螺旋擠壓式和活塞沖壓式壓塊成型機的研究比較多，針對環(huán)模成型機的研究很少。在環(huán)模成型機的研究中，主要是針對顆粒成型機的研究多，針對壓塊成型機的研究較少，而壓塊比制粒工藝流程短，實際工作條件更惡劣，兩者差異較大，須要專門研究。

3.2原料適應(yīng)性差

目前，國外研究的環(huán)模成型機多以木屑等木質(zhì)類為原料，尚缺少專門針對農(nóng)作物秸稈開發(fā)的成型設(shè)備。國內(nèi)現(xiàn)有針對秸稈原料的生物質(zhì)環(huán)模成型機，大部分僅適用于有限幾種原料，且可靠性差，運行不平穩(wěn)。

3.3易損件使用壽命短

國外壓模使用壽命（以產(chǎn)量計）一般達到5000～10000t以上，國內(nèi)壽命僅100～1000t，較好的也只達5000t左右。

3.4結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷

采用動輪式的環(huán)模壓塊機，因采用（螺旋）曲線上料，壓輪滾動壓縮進料，高速旋轉(zhuǎn)點對點進入環(huán)�？祝�即原料送到，壓輪也剛好轉(zhuǎn)到，因物料本身重量的原因，喂料上下不太均勻。此外，物料在輸送過程中存在漏流和逆流情況，致使環(huán)模壓塊機喂料不均勻、進料困難、易堵料，降低了生產(chǎn)率。

3.5壓塊燃料密度低，成型率不高

環(huán)模壓塊成型機壓制的壓塊普遍存在密度比較低，難以達到1t/m3以上，且成型率不高，低于90％，生產(chǎn)的壓塊易松弛，甚至出現(xiàn)開裂的問題，影響其燃燒效果和運輸儲存。

4結(jié)論與建議

國外研究的環(huán)模成型機，所適用的原料多為木屑等木質(zhì)類原料，少有針對農(nóng)作物秸稈這類原料開發(fā)的環(huán)模成型設(shè)備。環(huán)模成型機的研究還存在著基礎(chǔ)薄弱等問題，加大力度解決生物質(zhì)環(huán)模成型技術(shù)及設(shè)備生產(chǎn)中的成型率低、穩(wěn)定性差、故障率高、難以保證連續(xù)作業(yè)等問題，可有效促進生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)規(guī)�；�發(fā)展。

應(yīng)加緊對成型影響因素  ，如開孔率、�？仔螤畹冗M行試驗研究，找出影響規(guī)律及最佳范圍，以便改進環(huán)模成型機局部結(jié)構(gòu)。環(huán)模壓輥（輪）是環(huán)模成型機的主要工作部分，應(yīng)當通過使用新材料、新熱處理工藝的辦法，提高環(huán)模成型機環(huán)模壓輥（輪）的使用壽命。此外，還應(yīng)提高環(huán)模成型機自動化水平，改善操作環(huán)境，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

公司主要研發(fā)生產(chǎn)生物質(zhì)燃料顆粒成套設(shè)備，例如生物質(zhì)顆粒機、木屑顆粒機、鋸末顆粒機、平模顆粒機，環(huán)模顆粒機，生物質(zhì)燃料制粒機、秸稈顆粒機、木材破碎機、削片機、多功能粉  碎機、鋸末粉  碎機、鋸末烘干機、滾筒烘干機、顆粒冷卻機、顆粒包裝機等，是一家集設(shè)計、制造、銷售、出口于一體的生物質(zhì)環(huán)保設(shè)備企業(yè)。

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