生物质成型燃料加工方法与设备研究

2014年11月农机化研究第11期生物质成型燃料加工方法与设备研究张霞,蔡宗寿,陈丽红,陈颖,张永华(云南农业大学工程技术学院,昆明650201)摘要:生物质是一种取之不尽、用之不竭可再生的清洁能源。生物质成型燃料可以克服生物质热值低、容积密度小和物理形状不规则等缺点,成为生物质能源化利用的重要途径之一。为此,介绍了国内外生物质成型燃料的主要加工方法及其设备,对不同类型的制粒机和压块机的组成及其工作原理进行了全面的介绍,并对其工作条件和工作性能进行了对比分析,旨在为我国生物质成型设备的开发和研制提供参考,促进我国生物质成型燃料产业的进一步发展。关键词:生物质;成型燃料;加工方法中图分类号:TK64文献标识码:A文章编号:1003-188X(2014)11-0214-040引言燃料。在原料湿度较大、粒径较粗的条件下,可以加工出高质量的压块燃料。目前,加工颗粒燃料的制粒生物质能是世界上第三大能源,每年满足全世界机主要有平模式和环模式两种,而加工压块燃料的压14%的能源消耗,是一种取之不尽、用之不竭的可再块机主要有活塞式、螺旋式和对辊式3种。本文首先生的清洁能源。农业秸秆是生物质的重要组成部全面介绍了各种主要的制粒机和压块机的组成及其分,我国是一个农业大国,农业秸秆数量大、种类多、工作原理,并对它们的工作条件和工作性能进行了对分布广,是农村方便的替代能源。由于农业秸秆的比分析,旨在为我国生物质成型设备的开发和研制提热值低、容积密度小、物理形态不规则,给能源化利用供参考,从而促进我国生物质成型燃料产业的发展。带来很多困难,导致利用率低,大量被丢弃或在田间焚烧,造成资源浪费和环境污染3。生物质致密成型71国内外生物质成型燃料加工方法及设备技术是解决以上问题的有效方法,即利用机械力将生1.1平模制粒机物质压缩或挤压成为容积密度较大、热效率较高、便平模制粒机是人们最早使用的颗粒燃料成型机。于运输和储藏的固体成型燃料。其容积密度可提高其主要工作部件是水平放置的平模和与其配合的两到原来的10倍以上(>600kg/m3),形状和尺寸统一,个圆柱形压辊。平模制粒机按照其工作时平模和压使用方便,易于燃烧,是煤和薪柴优秀的替代燃料“。辊的运动方式可分为两种:一种是平模静止而压辊转目前,生物质成型燃料主要有两种:颗粒燃料和动,称为动辊式;另一种为平模转动而压辊静止,称为压块燃料。颗粒燃料和压块燃料的加工原理和生产动模式°。图1所示为动辊式平模制粒机。工作时,原料完全一致,只是外形尺寸和加工方法及设备不一原料从料斗加入,由于重力和刮板的作用,原料被均致。从外形尺寸上来看,颗粒燃料尺寸较小,直径一匀地铺在平模上;同时电机转动,通过传动箱带动主般在6~12m,长度一般为直径的4~5倍;而压块燃轴转动,安装在主轴上的压辊由于主轴的带动和摩擦料尺寸较大,直径一般大于25mm,长度一般大于力的作用产生公转和自转,原料被压辊不断挤入平模50nm3。从加工方法来看,颗粒燃料一般由制粒机孔内固化成型。平模制粒机的特点是结构简单、质量挤压成型;而压块燃料一般由压块机挤压或压缩成轻、移动性好、易于操作,而且价格便宜,操作过程中型。另外,颗粒燃料对原料的加工条件一般高于压块可视性好,易于监控产品质量,所以深受小型颗粒燃料加工中国煤化工是,由于压辊在工作基金项目:回家白然科学基金项日(126031南教育委员会科过程中CNMH不一致,导致其磨损学研究基金重点项目(2012Z025不均匀,细出扩界难茂人;m压辊和平模接触面小作者简介:张霞(1972-),女,云南蒙自人,副教授,(E-m)hxn80压力小、产量低,颗粒成型质量较差6@163.com。2014年11月农机化研究第11期理基本相同,只是环模替代平模后,增大了压辊和环模间的挤压面积,增加了挤压力,提高了工作效率,提高了颗粒燃料的品质。环模制粒机能够较好地解决压辊磨损不均匀的问题,有利于设备的维护和保养,延长设备使用寿命;但不足之处是环模制粒机结构复杂、能耗高、价格昂贵,所以目前主要适用于大、中型的颗粒燃料加工厂。A1.电机2.传动箱3.主轴4.平模5.压辊6.料斗图1平模制粒机结构图Fig. I Structure diagram of flat die pellets mill环模制粒机环模制粒机是平模制粒机的升级设备,是目前使用最广泛的颗粒燃料制粒机。它一般由输料箱、原料调节箱、制粒系统、减速箱和电机组成,如图2所示1.压辊2.环模3.切刀图3环模工作示意图Fig 3 Working process of ring die1.3活塞式压块机活塞式压块机一般由活塞、模、螺旋输送器及料斗组成,如图4所示。工作时,活塞在机械或液压力的作用下做返复直线运动;活塞向左运动时,原料经料斗、螺旋输送器输送到活塞前方的压缩室内;活塞向右运动时,推动压缩室内的原料向前运动并压实成型;活塞继续前行,将压块燃料从出料孔推出,完成个工作过程,可见活塞式压块机是间歇式生产。活塞式压块机在工作过程中原料翻转小,工作阻力较小,能耗较低。活塞式压块机有机械式和液压式两种,其1.输料箱2.原料调节项3.制粒系统4.减速箱中机械式工作压力高,产量也比较高,压块燃料品质5.出料口6.电机图2环模制粒机结构也比较好,适用于大型压块燃料企业生产。Fig. 2 Structure diagram of flat ring die pellets mill1.4螺旋式压块机工作时,原料由输料箱螺旋输送器输送到调节螺旋式压块机(见图5)一般由料斗、加热元件、螺箱,根据不同的生物质原料要求将湿度调节到理想旋推进器、套筒、模和切刀组成。工作时,螺旋推进器值,并充分搅拌后输送到制粒系统。制粒系统由1个高速旋转(600r/m),原料经料斗被持续向套筒推进环模和2~3个压辊组成(见图3),压辊和环模之间有套筒在外层包裹的加热元件的作用下,温度升高到定的间隙。工作时,电机经减速器减速,带动压辊200~2中国煤化x化并固结。在螺旋推旋转,将环模和压辊之间的原料不断挤入环模模孔进器推CNMHG粒间阻力的相互作用中,在高温、高压下原料固化成型并挤出模孔,环模外下,原料积粒人凹碱少,度提高;在经过锥型模面的切刀及时将颗粒燃料切断,形成直径和长度一致孔时,进一步挤压成型,成为密度较高的压块燃料,然的颗粒燃料。可见,环模制粒机和平模制粒机工作原后从出料口挤出,在切刀的切割作用下,形成直径和2014年11月农机化研究第11期长度一致的压块燃料。与活塞式压块机相比,螺旋式的表面具有成型窝眼,工作时原料在螺旋推进器和重压块机的生产是连续性的,机器运转平稳、质量较小、力的作用下由料斗进入两个对辊之间填料空间,充实产品尺寸统一、品质好,而且在加工过程中,由于摩擦对辊上的窝眼;同时对辊绕水平方向的平行轴相向旋生热,部分原料在高温下碳化,有利于点火和燃烧。转,将窝眼中的原料对压成为饼状;对辊持续转动,窝但是,原料在移动过程中由于不断翻转,与螺旋推进眼中的饼状燃料随窝眼分离而落下,经出料口排除。器和套筒的摩擦较大,机器工作部件磨损严重,能耗可见,对辊式压块机也是持续性生产,其产量比前两高种压块机要高;但是由于挤压时间短、燃料密度低,因此,品质较差7。1.活塞2.模3.螺旋输送器4.料斗图4活塞式压块机结构图Fig 4 Structure diagram of piston-type briquetting press1.料斗2.螺旋输送器3.对辊图6对辊式压块机工作原理Fig 6 Working principle of roller-type briquetting2生物质成型燃料加工设备性能对比在以上的生物质成型燃料设备中,对生物质颗粒原料的致密成型方法各有不同,加工出来的生物质成1.料斗2.加热元件3.螺旋推进器4.套筒5.模6.切刀型燃料品质也不相同。本文从原料加工参数的要求图5螺旋压块成型机结构图(湿度和颗粒尺寸)、工作部件的磨损、能耗、产量、成ig. 5 Structure diagram of screw-type briquetting press型燃料容积密度、保养维护、燃烧性能以及不同用途5对辊式压块机的适应性等各方面对以上加工方法做一对比分析(见对辊式压块机由两个形状和尺寸相同的圆柱形对表1),为开发和研制我国的生物质成型设备提供参辊、螺旋推进器和料斗组成,如图6所示。圆柱对辊考表1不同加工设备性能对比8-11Table I Comparison of different densification equipmen原料原料工作加工湿度颗粒部件产出单位产出燃料颗粒保养燃料产量能耗密度维护设备连续性烧燃料气化共燃/1·h/%尺寸磨损kW.h·tkgm3要求性能碳化适应性适应性、转化产品适应性致性环模制粒机10~15较小较大连续16.4~74.5800~1000活塞式压块机10~15较大较小问歇37.4~772.51000~12YH中国煤化工子好好好CNMHG好好差螺旋式压块机8~9较小较大连续36.8~1500.51000~1400低非常好有好好不好好对辊式压块机10~15较大较大连续29.91-83.15-10600-700低中等无好好好年11月农机化研究第11期3结语in China: Solid biofuels and biomass briquetting technology[J. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13通过对比分析可以看出,在4种生物质成型设备2689-269中,螺旋式压块机对原料的要求最高,生产的压块燃6]徐德民,刘泰岳,李凭等生物质颗粒燃料致密化成形料品质最好,燃烧性能最好;但磨损大,能耗髙,产量典型设备的比较[J].塑性工程学报,2011(2):118121低。对辊式压块机产量高,但是压块燃料品质差。而[7]朱振华,武正辉.生物质颗粒燃料生产技术与设备[J]环模制粒机和活塞式压块机能耗小,产量较髙,成型学术交流,2011(12):64-65燃料品质也较好[8 Tumuluru J S, C T Wright, K L Kevin, et al. A review on参考文献:ification technologies to develop uniform feed[1] M. Parikka. Global biomass fuel resources [J]. Biomass andstock commodities for bioenergy application J] Biofuels, Bio-Bioenergy,2004,27:613-6202]张霞,蔡宗寿,阮建雯.云南省生物质颗粒燃料发展前景Y9, products and Biorefining, 2011(5):683-7071 Mani S, L G Tabil, S Sokhanaanj. An Overview of分析[J].农机化研究,2013,35(1):224-227of Biomass Grinda[ J]. Powder Handing Processing, 2003[3]孙永明,李国学,张夫道.中国农业废弃物资源化现状与15(3):l60-168发展战略[J].农业工程学报,2005,21(8):169-173[10] Grover, P D, S K Mishra. Biomass Briquetting Technology[4 M. Qu, L. Tahvanainen. Bio-energy in China: Content analy-and Practices[M]. Food and Agricultural Organization ofsis of news articles on Chinese professional internet platfornthe United Nations. 1996.10-11J]. Energy Policy,2009,37:2300-2309[11]庞利沙,田宜水,侯书林,等.生物质颗粒成型设备发展[5 LChen, X Li, L Han. Renewable energy from agro-residuc现状与展望[J].农机化研究,2012,34(9):237-24Research on the processing Methods and Equipments forDensified biomass fuelZhang Xia, Cai Zongshou, Chen Lihong, Chen Ying, Zhang yonghuaEngineering and Technology College, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, ChinaAbstract Biomass is a kind of clean energy, which is inexhaustible and renewable. Densifying biomass into solid fuelhas become one of the most important ways of utilizing biomass as a source of energy which can overcome the shortcomings of biomass, such as low heat value, small buck density and irshape, etc. The main processing methods andtheir equipments of densifying biomass were indroduced in the paper, including their components and working principlesThe comparative analysis of the working conditions and performance between different kinds of pellets mills and briquetting presses were made. The purpose of this paper is to provide a reference for developing the densifying equipments forbiomass and promote the further development of the industry of densified biomass fuel in chinaKey words biomass; densified fuel processing methodH中国煤化工CNMHG