0、引言
近年來，人類社會經(jīng)濟發(fā)展日益迅猛，但這是以大量消耗化石能源并污染環(huán)境為代價的。化石能源日益減少，環(huán)境污染日益嚴重，尋找一種可再生的替代能源已迫在眉睫。生物質(zhì)能是一種可再生能源，具有可再生性和環(huán)境友好性的雙重屬性，近年來越來越受到人們重視，其消耗量己躍居第4位，僅次于石油、煤炭和天然氣。我國的生物質(zhì)能資源十分豐富，每年僅農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)量就有約7. 15億t，其中農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量約為4.33億t，約占60%。
我國大多數(shù)農(nóng)民利用秸稈、薪柴的方式還停留在最原始的直接燃燒的狀態(tài)，這樣不僅農(nóng)作物秸稈不能充分燃燒，浪費資源，而且對環(huán)境造成嚴重污染，危害人們身心健康。生物質(zhì)成型
顆粒燃料的能量密度相當于中質(zhì)煙煤，但成型燃料燃燒排放的CO，來自于秸稈光合作用吸收的CO，，吸收和排放達到平衡，基本實現(xiàn)零排放，其它有毒有害氣體排放量也遠小于煤。生物質(zhì)成型燃料本身體積較小，接觸到的空氣充足，可以充分燃燒，相對于煤來說，燃燒特性明顯改善，利用效率顯著提高。生物質(zhì)秸稈固體成型燃料包括顆粒燃料、塊狀燃料和棒狀燃料，其中顆粒燃料因其自身特性，具有流動性強、燃燒效率高等優(yōu)點，從而得到廣泛應(yīng)用。
本文擬通過介紹生物質(zhì)顆粒燃料及其特性，綜述國內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料
顆粒機發(fā)展現(xiàn)狀，對比分析國內(nèi)環(huán)模顆粒成型機和平模顆粒成型機的性能和應(yīng)用，探討國內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)及設(shè)備存在的問題，并提出我國生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方向。
1、生物質(zhì)顆粒燃料特性
秸稈等生物質(zhì)原料在施加一定的外部壓力的作用下，由于物料間以及物料和模輥間的相互摩擦，物料達到一定溫度，再加上木質(zhì)素的黏結(jié)作用，使植物體變得致密均勻，當取消外部壓力后，由于纖維分子之間的相互纏繞，一般不能恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)和形狀，冷卻以后強度增加，成為成型燃料。
生物質(zhì)顆粒燃料通常是指由經(jīng)過粉碎的固體生物質(zhì)原料通過成型機的壓縮成為圓柱形的生物質(zhì)固體成型燃料，直徑≤25mm，長徑比≤4，常見直徑尺寸有6，8，10mm。成型顆粒燃料密度明顯增大，體積明顯縮小，便于運輸和貯存；同時，體積小，與空氣接觸面積大，利于燃燒；規(guī)格一致，便于實現(xiàn)自動化輸送和燃燒；可作為工業(yè)鍋爐、住宅區(qū)供暖及戶用炊事、取暖的燃料。
燃料的揮發(fā)分含量越高，則點火越容易，燃燒性能越好，而生物質(zhì)顆粒燃料的揮發(fā)分含量高達60%~70%，遠高于煤，故其點火性能和燃燒性能均優(yōu)于煤；碳含量為35%~42%，遠低于煤。這使得其熱值低于煤；N含量為0.5%~3%，S含量僅為0.1%~0.5%t，燃燒時NOx和SO，的排放量遠低于煤，排放的CO，和秸稈光合作用吸收的CO，達到平衡，基本實現(xiàn)零排放；與原始狀態(tài)的生物質(zhì)資源相比，顆粒燃料燃燒時間更持久。由此可見，生物質(zhì)顆粒燃料是一種“優(yōu)質(zhì)、清潔、高效”的燃料。
生物質(zhì)顆粒燃料的加工工藝主要包括原料接收、粉碎、混合、除塵、成型、冷卻、篩選回收和計量包裝等工序，具體工藝流程圖如圖1所示。
近年來，隨著新能源產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，秸稈能源化利用得到了高度重視，國家相繼出臺了一系列鼓勵和支持相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策法規(guī)。在這些政策法規(guī)的鼓勵和支持下，國內(nèi)生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，截至2009年底，全國已有生產(chǎn)廠家260余處，生產(chǎn)能力每年約76.6萬t。國內(nèi)生物質(zhì)固體成型燃料主要用作農(nóng)村居民戶用炊事、取暖、住宅區(qū)取暖、工業(yè)鍋爐以及發(fā)電廠等的燃料，可減少一次能源的損耗，增加生態(tài)效益；減少溫室氣體排放，增加環(huán)境效益；為農(nóng)民增收，增加社會效益。
2、國內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型機發(fā)展現(xiàn)狀
2.1國內(nèi)生物質(zhì)顆粒燃料成型機的研究現(xiàn)狀
經(jīng)過多年的研究與試驗，國內(nèi)部分成型設(shè)備及其配套產(chǎn)品發(fā)展成熟。如農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院的生物質(zhì)制粒設(shè)備，整機傳動部分選用瑞士、日本高品質(zhì)軸承，確保傳動高效、穩(wěn)定、噪聲低，采用國際先進的真空護熱處理制造工藝加工而成的合金鋼環(huán)模，使用壽命長，且適用范圍廣，可將玉米秸稈、棉花秸稈、花生殼以及木屑等多種燃料制粒成型；江蘇牧羊集團生產(chǎn)的MUZL系列制粒機，采用雙馬達同步齒形帶分步驟傳動系統(tǒng)及獨特三壓輥經(jīng)典設(shè)計，布料均勻，產(chǎn)量高，噪音低，環(huán)模技術(shù)可加工最小顆�？讖�1. 2mm；MZLH508JG高效率制粒機，采用國際先進的設(shè)備和工藝加工制造的合金鋼環(huán)模，使用壽命長，特制喂料機構(gòu)，進料均勻可靠，專為壓制各種秸稈顆粒燃料而設(shè)計。
2.2 國外生物質(zhì)顆粒燃料成型機的研究現(xiàn)狀
目前，國外的很多企業(yè)生產(chǎn)的顆粒成型設(shè)備技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，像德國SALMATEC公司的MAXIMA模塊化設(shè)計的制粒機，可以適應(yīng)多種原料，生產(chǎn)率高達30 000kg／h；奧地利ANDRITZ公司生產(chǎn)的Feed&Bio-fuel系列顆粒機，軋輥可以快速、簡單、準確的滾動調(diào)整，�？壮叽缤ǔ５姆秶鷱�1.5~9. 5mm，顆粒模具可達到約90mm厚。此外，ANDRITZ公司針對每道工序或完整的工藝生產(chǎn)線采用全自動控制系統(tǒng)，確保成型顆粒質(zhì)量的同時，符合成本效益。模塊化設(shè)計的控制系統(tǒng)，范圍從業(yè)務(wù)職能的基本控制到整個工藝生產(chǎn)線，包括先進的電腦控制、秤、粉碎機、攪拌機、擠壓機、烘干機、制粒機、冷卻器和涂層機等。
國外生物質(zhì)顆粒設(shè)備制造已經(jīng)比較規(guī)范，但成本較高，同等生產(chǎn)能力的設(shè)備是國內(nèi)的5—10倍。
3、生物質(zhì)顆粒燃料成型機
生物質(zhì)固體成型主要分為模輥擠壓、螺旋擠壓和活塞沖壓等方式。其中，螺旋擠壓、活塞沖壓主要用于生產(chǎn)塊狀及棒狀燃料，模輥擠壓主要用于生產(chǎn)顆粒燃料，且具有生產(chǎn)率高、成型率高、成型顆粒質(zhì)量好、可連續(xù)生產(chǎn)等優(yōu)點，與螺旋擠壓、活塞沖壓相比，工作狀態(tài)更穩(wěn)定，對物料的適應(yīng)性更好，且其生產(chǎn)的顆粒燃料滿足燃煤電廠對生物質(zhì)成型燃料均勻度要求，可實現(xiàn)工業(yè)的自動化上料，是目前發(fā)展的重點。
模輥式成型機分為環(huán)模成型機和平模成型機，主要工作部件是壓模與壓輥，在成型室中，壓模與壓輥通過將原料擠壓進模孔而成型。
3.1環(huán)模顆粒成型機
環(huán)模顆粒成型機機型采用環(huán)形壓模和壓輥為主要工作部件，主要由上料系統(tǒng)、攪拌調(diào)質(zhì)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及成型系統(tǒng)組成。
成型機工作原理：電動機帶動環(huán)模轉(zhuǎn)動，由于摩擦力的作用，環(huán)模上的物料帶動壓輥轉(zhuǎn)動。物料被強制喂料器送入壓制室內(nèi)之后，隨環(huán)模和壓輥轉(zhuǎn)動，二者相互擠壓，夾在其間的物料就被不斷壓縮，隨著物料內(nèi)部壓力和密度不斷增大，達到一定密度的物料就被壓入環(huán)模模孔當中，經(jīng)過一段時間保壓定型，具有一定密度的生物質(zhì)顆粒燃料即成型。
由于顆粒燃料直徑較小，環(huán)模壓縮比較大，對原料的含水率要求較高，一般含水率在12%~15%之間、原料粒徑在1～5 mm之間時適合成型。
3.2平模顆粒成型機
平模顆粒機采用平模和與其相配合的圓柱形壓輥為主要工作部件，按工作部件的運動狀態(tài)分，平模制粒機有動輥式、動模式、模輥雙動式3種，動模式和模輥雙動式常見于小型平模制粒機，動輥式則一般用于較大機型。按壓輥的形狀分，又可以分為錐輥式和直輥式兩種。
直輥動輥式平模制粒機工作原理如圖4所示。電動機經(jīng)過減速箱減速后驅(qū)動主軸轉(zhuǎn)動，主軸帶動壓輥公轉(zhuǎn)。同時，壓輥繞壓輥軸自轉(zhuǎn)，原料被送入喂料室后，由分料器和刮板將其均勻地鋪在平模上；壓輥不斷自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，將平模上的物料不斷擠壓進模孔內(nèi)；物料在模孔內(nèi)密度和溫度不斷升高，經(jīng)過一定時間保壓定型后，被擠出平模；旋轉(zhuǎn)切刀將物料切斷，形成顆粒燃料；最后，由掃料板將成型顆粒送出。
平模成型機對原料水分適應(yīng)性強，含水率一般在15%～25%之間，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，適于農(nóng)村小規(guī)模使用，但產(chǎn)量普遍偏低，一般不超過0.5t／h。
3.3環(huán)模顆粒機和平模顆粒機的對比
環(huán)模顆粒機特點在于產(chǎn)量大，成型顆粒規(guī)格一致，密度高，可達1.0~1.3kg／m3，不加任何添加劑也能做出顆粒來；壓輥和環(huán)模磨損均衡，能夠降低易損耗品的消耗；拆裝容易，維護簡單。其缺點是電耗普遍偏高。
而平模機器的優(yōu)點在于耗能小，機動性大，適合農(nóng)村居民小規(guī)模應(yīng)用，不適合工廠企業(yè)的大規(guī)模運作。其缺點在產(chǎn)量低，壓力小，成型質(zhì)量差。其工作面如加寬后，壓輥和平模的磨損又不均衡，達不到更大的產(chǎn)量，配件拆裝繁瑣、維護麻煩。
平模機和環(huán)模機性能特點的對比分析如表2所示。
4、存在問題
1)易損件磨損快。對于模輥式顆粒成型機，原料中的硅酸鹽成分、雜質(zhì)、喂料的不均勻以及原料中水分等因素都會加劇壓輥表面的磨損，致使壓輥快速磨損失效。環(huán)模不但是易損件，而且制造成本較高，減少和改善環(huán)模與壓輥的磨損，不僅有利于明顯降低顆粒加工成本，提高經(jīng)濟效益，而且可提高產(chǎn)品生產(chǎn)率及成型產(chǎn)品質(zhì)量。
2)�？锥氯麌乐�。發(fā)生�？锥氯�，與物料本身特性、調(diào)質(zhì)質(zhì)量、輸送速度和模輥間隙等有關(guān)。模孔堵塞不但影響正常生產(chǎn)，降低生產(chǎn)率，還會影響成型顆粒質(zhì)量，降低環(huán)模壽命。但是，目前如何很好地預(yù)防和及時處理�？锥氯膯栴}還未得到解決。
3)成型機專業(yè)化水平低。目前，國外的顆粒燃料成型技術(shù)雖然已經(jīng)比較成熟，但其顆粒成型機針對的原料多為木屑，少有針對秸稈的成型設(shè)備。國內(nèi)現(xiàn)有的針對秸稈原料的顆粒成型機，也是僅針對像玉米秸稈、小麥秸稈、花生殼等幾種常見原料，對其它原料，則會出現(xiàn)設(shè)備運行不平穩(wěn)甚至無法正常運行的現(xiàn)象，即對原料要求較高，適應(yīng)性差，還未達到專業(yè)化水平。
4)無相關(guān)配套設(shè)備標準。和成型機配套的相關(guān)輔助設(shè)備沒有統(tǒng)一標準，如粉碎設(shè)備的粉碎粒度規(guī)格不統(tǒng)一，造成成型機成型的難易程度不同，從而導(dǎo)致成型燃料質(zhì)量及成型率不同，影響生產(chǎn)率，且易造成設(shè)備運行不穩(wěn)定、生產(chǎn)線故障率高。
5、結(jié)論
生物質(zhì)顆粒燃料有諸多優(yōu)點，隨著一次能源的減少，其使用必將更加廣泛。國外針對生物質(zhì)固體成型燃料設(shè)備的研究已經(jīng)比較成熟，而且多數(shù)是大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，有的已經(jīng)實現(xiàn)模塊化的全自動控制生產(chǎn)線，生產(chǎn)率高，產(chǎn)品質(zhì)量好，已達到規(guī)�；蜕唐坊�。國內(nèi)制粒機近年來已取得很大進展，但與國外相比，最為突出的還是能耗問題，目前，能源問題日益突出，降低制粒機能耗，應(yīng)是今后重點研究方向。其中，環(huán)模制粒機環(huán)模的磨損以及�？锥氯�，也是亟待解決的問題。從根本上提高制粒機的產(chǎn)量和成型顆粒質(zhì)量、降低能耗，還需要通過改變模輥間隙、�？仔螤畹燃毠�(jié)問題上來提高，可以降低生產(chǎn)線故障率，提高穩(wěn)定性。此外，制定生物質(zhì)顆粒燃料成型設(shè)備的行業(yè)標準，有利于促進其產(chǎn)業(yè)化和商品化進程。
