PDF《生物质固体成型燃料加工生产线及配套设备》

第26 卷第9期农业工程学报Vol.

26 No.9

280 2010 年9月Transactions of the CSAE Sep.

2010 生物质固体成型燃料加工生产线及配套设备 姚宗路,田宜水,孟海波 ,赵立欣,霍丽丽 (农业部规划设计研究院,北京 100125) 摘要:针对目前中国生物质原料复杂多样,以及生物质固体成型燃料加工过程中存在系统配合协调能力差、原料适应 能力差、生产率低等问题.该文采用模辊式成型原理,研发设计了有强制喂料系统的成型机以及配套设备,采用二次粉 碎工艺以及连续喂料与调制喂料相结合的混配工艺, 提出了能够适应多种生物质原料特性的固体成型燃料生产工艺路线, 建立了生物质固体成型燃料生产线.试验检测结果表明,采用生物质固体成型燃料生产线的每小时生产率比单机状态下 提高了 17.3%,经济效益提高 13.3%,成型率达到 98%,堆积密度和颗粒密度也明显高于单机,达到了设计要求.实现 了规模化、连续稳定生产,有利于中国生物质固体成型燃料产业化的发展. 关键词:生物质,秸秆,设备,成型燃料,生物质颗粒成型机 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2010.09.046 中图分类号:S216.2,TH12 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2010)-09-0280-06 姚宗路, 田宜水, 孟海波, 等. 生物质固体成型燃料加工生产线及配套设备[J]. 农业工程学报, 2010, 26(9): 280-285. Yao Zonglu, Tian Yishui, Meng Haibo, et al. Production line and corollary equipment of biomass solid fuel[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(9): 280-285. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 中国具有丰富的农作物秸秆资源和森林资源.据统 计,农作物秸秆年产量每年

6 亿t左右,约折合

3 亿t标准煤,林业剩余物约 1.5 亿t[1-2] .如何高效综合利用农作 物秸秆、林业剩余物等生物质能已成为各国研究的重要 课题[3-5] ,生物质固体成型燃料具有易运输、易点火、燃 烧效率高、灰分少等优点,燃料密度为 1.0~1.4 t/m3 ,体 积较原料缩小 6~8 倍,便于运输和装卸;

能源密度相当 于中质烟煤,燃烧性能好,热值高,火力持久,炉膛温 度高,燃烧特性明显改善,灰分少,在燃烧过程中实现 了 零排放 .既可作为农村居民的炊事和取暖燃料, 也可作为城镇区域供热和工业锅炉燃料,近年来越来越 受到人们的广泛关注[6-8] . 经过多年的开发研究,中国生物质固体成型燃料技 术已经取得了阶段性成果,研发了螺旋挤压式、活塞冲 压式、模辊碾压式

3 种固体成型燃料生产设备,促进了 生物质固体成型产业的发展[9-12] .但总体来说发展比较缓 慢,到2008 年底,中国生物质固体成型燃料产量约为

20 万t[13] ,主要原因是中国幅员辽阔、各地气候差异大,生 物质原料种类繁多、特性复杂,这对成型燃料加工工艺 及设备提出了较高的要求.同时,与国外技术相比还存 收稿时间:2009-04-16 修订时间:2009-07-01 基金项目: 农业科技成果转化资金项目: 生物质固体成型燃料生产工艺与成 套设备成果转化(2008GB23260384) 作者简介:姚宗路(1980-) ,男,山东临沂人,工学博士,主要从事生物 质资源开发利用方面研究.北京市朝阳区麦子店街

41 号 农业部规划设计 研究院,100125.Email:yaozonglu@163.com 通信作者:孟海波(1972-) ,男,副研究员,工学博士,主要从事生物 质资源开发利用方面研究.北京市朝阳区麦子店街

41 号 农业部规划设计 研究院,100125.Email: newmhb7209@163.com 在差距,仍有一些技术障碍亟待解决,突出表现在[14-15] : 一是与国外主要以木质原料为主不同,中国的生物质成 型燃料主要以秸秆原料为主,因秸秆中砂石、硅化物等 含量过高,对成型机的关键部件磨损严重;

二是设备系 统配合协调能力差,运行不稳定,生产率低.目前中国 的生物质固体成型燃料生产多为生产率低的单机作业, 生产线简陋,匹配耦合能力差,缺乏与主机匹配的原料 预处理、输送及喂料等配套设备,导致运行不连续、故 障率高等问题;

三是固体成型燃料加工设备适应能力差, 不同的设备对适用原料种类、粒度和含水率要求各不相 同,影响了规模化推广应用. 本文针对中国生物质原料种类繁多、原料特性复杂 多样的特点,采用模辊挤压成型原理,开发设计了生物 质固体成型燃料加工设备,将农林业剩余物等生物质原 料加工成固体成型燃料,以实现工业化连续稳定生产. 加工工艺路线采用二次粉碎、连续喂料与调节喂料相结 合的混配工艺,生产块状和颗粒两种固体成型燃料.能 够适应玉米秸、麦秸、花生壳、棉秆、木屑等农林剩余 物,并在北京建成首条规模化、工业化生物质固体成型 燃料生产线.

1 生物质固体成型燃料及模辊挤压成型原理 典型的生物质固体成型燃料包括颗粒燃料、压块燃 料和棒状燃料,成型设备包括螺旋挤压、活塞冲压、模 辊式等类型,其中模辊式成型设备具有生产率高、对原 料的含水率要求低、成型过程中不用任何添加剂、粘结 剂等优点,适于规模化生产.模辊式块状成型机对原料 的尺寸要求低,粉碎后尺寸低于

100 mm 即可成型,但颗 粒成型机对粉碎后的原料要求高,试验表明长度大于

6 mm 的原料要低于 10%,成型率较高,因此对粉碎有较 高的要求. 第9期姚宗路等:生物质固体成型燃料加工生产线及配套设备

281 模辊式成型机主要工作部件是压模与压辊,压模壁 均布模孔.生物质原料中含有木质素等物质在 70℃以上 温度时会软化,在一定的压力作用下可使其与相邻颗粒 胶结成型,冷却后即可成为固体成型燃料[13] .模辊式成 型机利用生物质的这种特性,在成型室中,物料经匀料 板沿整个压辊宽度均匀分布,将原来分散的、没有一定 形状的生物质原料在压模和压辊的强制压力作用下,靠 机械与生物质原料之间及生物质原料之间相互磨擦产生 的热量,使木质素软化,经挤压成型而得到具有一定形 状和规格的固体成型燃料.其加工过程可分为

2 个阶段 [16] :松散压缩阶段和压紧阶段.松散压缩阶段,原料由 松散的物料被逐步排列紧密;

压紧阶段,是在第一阶段 基础上加大作用力和强度,使细小颗粒相互之间紧密填 充而互相啮合,压缩成型.

2 生物质固体成型燃料加工工艺 2.1 工段组成 本加工工艺主要包括原料粉碎、干燥、输送、混配、 喂料、成型、切断、冷却、计量包装等工序,整体上可 分为

3 个工段,即原料预处理工段、固体成型工段、辅 助配套工段,具体如下: 1)原料预处理工段 原料预处理工段包括原料接收、粉碎、干燥、混配 等工序. 原料接收:生物质原料自堆料场转运至投料棚,沿 着喂料输送带方向顺序堆放,准备投料.同时,暂存部 分原料,以保证原料在一个班次连续足量供应. 粗粉碎:由于农作物秸秆等生物质原料尺寸较大, 不能直接用于成型加工,粗粉碎工序的主要任务是将尺 寸较大的秸秆粉碎成短而细的颗粒状原料,以备二次精 细粉碎. 刮板输送:将原料由粉碎工序输送到精细粉碎机, 经二次粉碎后,粒度小于

5 mm,输送至原料仓,同时还 可对原料进行自然烘干. 提升与混配:用提升机将原料暂时储存在原料仓内, 在仓内安装抄板,对原料进行搅拌与混合,保证喂料顺 畅,成型连续生产. 螺旋输送:保证实现连续、均匀喂料. 2)固体成型工段 固体成型工段包括调质喂料、成型加工、切断等工 序. 调质喂料:将原料仓的粉料调质混合,连续稳定地 输送至成型设备. 固体成型:由固体成型机将原料挤压成型. 切断:在固体成型机内装有可调节间隙的切刀,根 据用户需求将挤压出的燃料切断,便于包装贮运. 3)辅助配套工段 辅助配套工段包括冷却、除尘、空压、添水、计量 包装等工序. 冷却:从固体成型机刚出来的成型燃料温度为 75~ 85℃,这种状态易破碎,不宜贮运.冷却工序的任务是 将加工成型后的高温燃料进行降温,使其温度能够达到 包装储存的条件.整个工艺流程中配套组合冷却机,通 过冷却工序,带走固体成型燃料热量和水分. 除尘:采用旋风分离、脉冲除尘清除生产加工过程 中的粉尘,达到国家规定标准. 添水:根据原料的特性及含水率情况,适当添加水 分进行调湿,满足固体成型的要求. 计量包装:对成品进行计量,实现机器包装. 2.2 工艺流程 本加工工艺流程如图 1.工作时,原料接收后进入粉 碎工序加工,通过刮板输送、螺旋输送装置连续输送, 保证原料充分混合,调质均匀,水分一致.同时,根据 喂料速度以及成型速度的要求,在原料揉搓粉碎装置调 制主原料,根据主原料的特性以及成型要求,在添加调 制剂装置中添加调剂原料,如粉碎后的秸秆含水量较高, 则要加入花生壳,这将有利于成型.所有原料经刮板输 送装置提升到原料混合仓,进行混合.本工艺中专门设 计压块燃料和颗粒燃料切换工序,可根据生产计划实现 两种类型固体燃料生产切换.当转换到压块工段时,原 料将被输送至压块喂料装置,而后喂入压块机,成型后 的压块燃料经过冷却进入计量包装装置打包入库;

当转 换到颗粒成型工段时,物料进入二次粉碎装置进行精细 粉碎,通过输送装置进入强制喂料器,喂入颗粒成型机 加工成颗粒燃料.由于从颗粒成型机里出来的颗粒燃料 温度较高,需强制冷却后,再进入颗粒燃料筛选装置, 经过筛选后,未成型或者成型不合格的颗粒将进入二次 粉碎装置,再进行成型;

合格的颗粒燃料经过计量包装 装置,称重包装入库. 根据原料的特性及含水率情况,适当添加水分进行 调湿,满足固体成型的要求,另外增加高效除铁装置, 保护成型机的关键部件,提高使用寿命.在粉碎阶段、 成型阶段和冷却阶段均装有除尘装置,减少粉尘污染, 保证生产安全. 2.3 工艺特点 本工艺路线的特点如下: 1)采用连续喂料和调制喂料相结合的混配工艺.将 整个生产线输送、喂料等工序设计为连续喂料系统和调 制喂料系统,主要生物质原料采用连续输送系统,将需 要调节的部分主原料或者调剂原料采用调制喂料系统. 2)在原料预处理工段选用刮板输送工艺,在固体成 型工段选用螺旋输送工艺,提高了原料输送效率. 3)对成型机前端的喂料结构采用变频喂料和调质喂 料整体合一,针对农作物秸秆、林业剩余物等增加强制 喂料机构. 4) 采用二次粉碎工艺, 先对生物质原料进行粗粉碎, 进入喂料系统后进行二次精细粉碎.二次粉碎工艺能够 将物料进行细粉,提高了生产率,同时在一次粉碎后经 过输送混配,能够保证生物质原料有相同的湿度,有利 于成型,解决了生物质原料复杂多样的问题.

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2010 年1.原料接收输送带 2.揉搓粉碎机 3.调制剂添加装置 4.除尘器 5.刮板输送器 6.螺旋输送带 7.原料混合装置 8.原料仓 9.气动三通 10.块状成型机 11.块状燃料冷却计量包装装置 12.二次粉碎设备 13.颗粒成型机 14.颗粒燃料冷却装置 15.颗粒燃料筛选装置 16.颗粒燃料计量包装装置 图1生物质固体成型燃料加工工艺流程图 Fig.1 Flow chat of process method and production line of biomass forming fuel

3 生物质固体成型燃料配套设备 根据生物质原料特性与成型燃料产品的质量要求, 以及上述生产工艺路线,对生物质固体成型燃料设备进 行了设计研发,对粉碎机、冷凝器、除尘设备、输送设 备等配套设备进行了优化选型,提出生物质固体成型燃 料主要设备匹配方案. 3.1 生物质固体成型燃料成型机 3.1.1 成型机原理 本机采用常温压缩工艺技术路线,主要利用环形压 模和与其相配的圆柱形压辊等工作部件(压粒器)实现 成型.成型原理如图

2 所示,主要有匀料器、压辊、环模、切刀等部分组成. 图2成型机原理示意图 Fig.2 Principle diagram of biomass pellet densifying machine 工作时,生物质原料在配料仓内进行搅拌混合,调 质处理,随后螺旋供料器将物料喂入固体燃料成型机, 在成型机中,匀料器将调质好的物料均匀地分配到模、 辊之间.环模由电机带动回转,安装于环模内的压辊(一般2~3 只)由压模通过模辊间的物料及其间的摩擦力使 压辊自转不公转,由于模、辊的旋转,将模、辊间的物 料嵌入、挤压,最后成条柱状从模孔中被连续挤出来, 再由安装在压模外面的固定切刀切成一定长度的颗粒燃 料. 3.1.2 整机结构 采用辊-模原理,能够将各种生物质原料压缩成颗粒 燃料,主要结构如图

3 所示,包括底座、成型电机、联 轴器、喂料器电机、强制喂料器、吹料器、出料口以及 成型室等部分组成. 图3成型机整机结构示意图 Fig.3 Schematic diagram of biomass pellet densifying machine 本机采用环模结构,安装

2 个压辊,固定在压辊轴 上,压辊轴是偏心的,转动压辊轴即能改变模辊间隙, 间隙的调整是通过转动调隙轮来实现的. 考虑到生物质原料的复杂性、多样性,研究设计了 强制喂料器,结构如图 4,在喂料器前端采用水平螺旋进 料,在后端,采用弧形强制喂料轴,并且在上面焊有强 制刮板,其目的是保证物料在水平运动后垂直向下运动, 第9期姚宗路等:生物质固体成型燃料加工生产线及配套设备

283 同时防止物料的堆积、缠绕、反料等现象.强制刮板的 排列方式按照类似双螺旋线左右对称排列,工作过................