生物质燃料的破碎研究

能源研究与信息第22卷第1期Energy Research and InformationVol.22No.12006文章编号:1008-8857(2006)010006-06生物质燃料的破碎研究肖波,邹先枚,杨家宽,马承荣,阮渊(华中科技大学环境科学与工程学院,湖北武汉430074)摘要:设计了适合生物质(秸秆)破碎的弯口刀和直刃刀的刀片,及含粗破碎、细破碎和收集装置为一体的破碎系统,试验揭示了生物质的破碎机理。得到的粗破碎产物粒径小于10mm,细破碎产物粒径小于0.5mm。对影响该系统的细破碎产率、破碎粒径的重要因子进行了试验研究,得到了获得经济粒径和产率的相关运行参数,为生物质燃料破碎的工业化和生物质能的开发利用莫定了坚实的基础,关键词:生物质能;秸秆;破碎中图分类号:S216文献标识码:A随着化石能源的日益枯竭及其燃烧对环境危害的逐渐显露,生物质能以其可再生、清洁性日益受到全世界的广泛重视。开发生物质能不仅能将农林废弃物(如秸秆、树枝、树叶、废旧家具等)合理利用起来,防止能源浪费,增加经济效益,而且能减少CO2、SO2和NO3等的排放,缓解环境污染生物质的破碎技术不仅能克服生物质原始状态能量密度小、存放体积大、运输不便等缺点,而且是把生物质制成吸附材料、成型燃料和人造板材等以及使生物质形成粉体进行燃烧、气化、液化的先导技术。目前专门针对生物质物料的破碎机械产物粒径都在10mm以上,属于粗破碎的范围,如实地作业的切碎灭茬还田机、青饲破碎机等。作者设计出一种高效生物质粉体燃烧炉,能大大提髙生物质的燃烧效率,但现有的生物质破碎机不能满足其对粒径的要求。粉体越细,燃烧效果越好,但破碎成本越高,为此寻找粉体粒径和破碎成本间的最佳平衡点正是研究生物质破碎的出发点。本文的破碎研究主要包括以下两方面:探讨生物质(主要针对以玉米秸为代表的软质秸秆)破碎时的施力方式及刀片形状,设计出能耗小、破碎效果好、适合生物质物料的破碎系统;针对该破碎系统,对影响细破碎产率和粒径的因素进行试验研究,得到适合该系统的技术参数。1破碎机刀片的形状设计秸秆切碎方式主要有轮刀式切碎、滚刀式(螺旋殯卬片打-滚刀式切碎滑切作用强,但切碎体不能自动抛出,不适合秸秆切碎。但能耗高2。CNMHG收稿日期:2005-08-29作者简介:肖波(1958-),男(汉),教授, lifehopes@163com。第1期肖波等:生物质燃料的破碎研究按施加外力的作用方式的不同,物料破碎一般通过挤压、冲击、剪切、磨削和劈裂几种方式进行,各种粉碎设备的工作方式也多以这几种方式为主。由于秸秆抗压强度小、且纤维较长物料间碰撞自行破碎的概率较小,故采用剪切力、磨削力破碎最为有效。盛奎川对棉秆的切碎试验也表明,直刃刀切碎方式能耗低、颗粒细小且产量高。此外文献[5]也论述了直刃刀片所具有的明显优点综合上述分析,采用轮刀式的弯口刀和直刃刀来实施剪切力和磨削力。弯口刀由螺母固定在定板上,首先将秸秆切成小段,然后直刃刀将小段磨削成碎粒。其结构简图见图1。弯口刀定板直刃刀图1刀片形状示意图Fig. 1 Schematic of knifes2破碎系统本文设计的破碎系统由三部分组成:卧式破碎机用于粗破碎,立式破碎机用于细破碎,旋风除尘器用于破碎产物的收集(见图2、图3)。卧式破碎机和立式破碎机可联合作业,也可独立作业。该破碎系统集粗破碎和细破碎于一体,并能通过改变一些工作参数提供不同粒径的细破碎产物。101-1#电机2皮带传动机构3-进料斗中国煤化工6-连接管7-2#出料口8-2#破碎室CNMHG图2粗细联合破碎示意图Fig 2 Schematic of the unit for primary and fine shredding能源研究与信息2006年第22卷21工作原理卧式破碎机由进料斗3、破碎室4和出料口5等组成,动力由电机经皮带轮来驱动主轴(见图2)。工作时,秸秆经进料斗3借助手动推力和破碎室内的负压滑入破碎室。破碎室由定料衬板、轮刀式弯口刀、直刃刀及筒壁上的挡板构成。由于秸秆纤维长,柔韧性好,在破碎室内容易产生缠轴现象。在进料口的左、右和下方均装有定料衬板,其四周磨成锋利的刀口,与弯口刀一起完成秸秆的切断工作,并有效解决缠轴问题。秸秆在破碎室中首先经进料口的弯口刀切成小段,然后经直刃刀高速切削,并在挡板和刀片间不断地被打击、碰撞及磨削逐渐破碎高速旋转的刀片形成稳定的空气流场,将破碎后的物料经出料口5排出,并将进料斗中的秸秆吸入破碎室内。立式破碎机主要由进料管9、破碎室8和出料口7组成,动力由电机直接驱动主轴(见图2)。其破碎原料取自粗破碎的产物,细破碎后的粉体粒径均在0.297mm(即50目)以下。粉体可由出料口⑦接旋风除尘器收集,也可由出料口⑦直接接风机和收料袋收集。破碎时,物料借破碎室内的负压滑入破碎室,然后在破碎室中经双面直刃刀高速剪切、磨削,并与挡板不断打击、碰撞,最后逐渐碎成粉状粉料收集装置采用旋风除尘原理,其功能部件可分解为输料管5、输风管6、旋风筒4、收料斗3和出料闸门2组成(见图3)。风机7经输风管将破碎系统内部空气抽出使其形成负压,引导物料的流向,物料经旋风筒减速后落到收料斗,少量极细的粉料经风机后由收料袋收集。=1-出料口2-出料闸门3-收料斗4-旋风筒5-输料管6-输风管7-风机8-收料袋图3粉料收集装置示意图Fig 3 Schematic of the collecting devices2.2破碎机理分析结合原料受力特性和断口性状来分析,秸秆的破譬碎、研磨与互磨等形式。CNMHG221剪碎粗破碎产物大部分是横截切断,断口较尖锐,主要受剪切力作用,磨削作用较少。剪切力主要由弯口刀施予,这也是粗破碎中最主要的施力方式。第1期肖波等:生物质燃料的破碎研究222劈碎秸秆经粗破碎后断口有很多竖向断面,这就是劈碎的结果。这种力主要由双面直刃刀施予,完成对物料的劈、削作用。经弯口刀横切碎的小段物料成紊乱状态半悬浮在破碎室内,这些物料在瞬间可视为在整个破碎室内静止,刀片在旋转过程中在物料支点间加力,将悬浮的小段物料劈碎。其特点是发生局部破碎,基于刀片速度远髙于物料旋转速度。22.3研磨与互磨这种破碎形式主要在细破碎中发生。图4是利用电子扫描显微镜拍摄的秸秆粉体的微观形貌,粉体多成片状。片状粉体间的碰撞摩擦易使颗粒变小。细破碎时破碎室内物料密度大、速度髙,颗粒间的相互摩擦每时每刻都在发生,因此就不可避免地使物料颗粒受到研磨与互磨。其特点是颗粒之间的表面相对运动,产生剪应力根据以上分析,粗破碎中主要是剪碎、劈碎两种破碎方式;细破碎中主要是劈碎和硏磨与互磨两种破碎方式。剪碎和劈碎由弯口刀和直刃刀完成,研磨与互磨借助电机高的旋转速度实现。30kU X198图4玉米秸粉体的SEM图(×19000)ig. 4 SEM photo of the stalk powder(x19000)3影响产率与粒径的因素生物质的破碎研究除了破碎机理和破碎机刀片的形状研究外,如何获得最大破碎产率和最小破碎粒径是另一个重要问题,这关系到破碎能耗是否经济的问题。基于作者设计的破碎系统,对影响二者的因素作了初步探讨。由于秸秆的粗破碎已经很成熟,本文仅针对细破碎进行讨论。破碎系统中可变的工作参数为:立式破碎机六口附近的风门1开度、风机与输风管联接处的风门2H中国煤化工立式破碎机加料CNMHG风门1和风门2是可开启关闭的阀门,分别用来调节系统内部的风压和调节风机的抽风量。破碎能耗由电流表间接显示,破碎产物经标准筛筛分后取筛下物超过物料50%的筛孔直径作为平均粒径。10能源研究与信息200年5第22卷实验表明,刀片斜口全部向下,出料最细但产率最低。下三组斜口向上,上三组斜口向下,产率较前一种布置要高,但破碎室上下部受热不均,不利于轴的长时间运行。最后得出六组刀片的斜口从下而上依次上下交错布置,综合效果最好。为此,取这种布置,改变其他因素,对产率和粒径的关系进行分析(见表1)表1不同工作参数下粒径与产率的关系Table 1 Relationship of the shredding rate and the particle size with different working parameters变量因子结果刀片斜口的布置风门!风门2电机转速工作电流产率平均粒径平均能耗r minkg. h. /mm/kWh.t斜口上下间错布置开开1400不出料斜口上下间错布置关开293053.6斜口上下间错布置开开29301600.1771028在电机转速为1400rmin1时,出现不出料的情况。这说明当刀端线速度太低,产物粒径太大时,此风机风量不够,不足以输送破碎产物。将风门2关小时,产率很低但产物粒径能达到0.125mm(120目)。为了提高产率,风门2在实验过程中都处于全开状态。风门1是否开启对产率和粒径有很大影响,风门1开时能增加产率并能降低能耗,且这种粒径的粉体能满足作者设计的粉体燃烧炉的粒径要求。综合上述分析,针对该破碎系统,刀片斜口上下间错布置风门1、风门2均全部打开和电机转速为2900rmin时,破碎成本和燃烧效率能达到较好的平衡。4结论与建议通过对生物质破碎的机理分析和实验研究,得出以下结论:(1)采用轮刀式的弯口刀和直刃刀破碎秸秆能达到破碎粒径小,破碎产率高的目的。)粗破碎时,破碎方式主要是剪碎和劈碎两种,破碎力由弯口刀、直刃刀来实现;细破碎时,破碎方式主要是劈碎和硏磨与互磨,破碎力由直刃刀和髙速旋转物料间的磨削来实现。粗破碎产物粒径在10mm以下时,产率能达到200kgh?,耗能49,3kWht';细破碎产物粒径在0.17m(即80目)以下,产率能达到160kgh,耗能102.8kWht(3)刀片形状及其相对位置、电机转速和风机功率及其进出风通畅与否是影响细破碎产率和粒径的重要因素。参考文献[l]肖波,郭勇,杨家宽,等.生物质粉体燃烧技术的初步研究[J.能源技术,2004,25(5):197-199[2]蔺公振,吴鑫,姬江涛,等.轮刀切割器的工作性能试验与分析[].洛阳工学院学报,199,17(2):52-563]陶珍东郑少华粉体工程与设备M.北京:化学工业中国煤化工[4]盛奎川.秸秆切碎、压缩以及成型块燃烧特性的硏究[D什HCNMHG65] SHENG Kuichuan, BEHERY Ahmed El, GOMAN Has San. Experimental studies on chopping cotton stalk andbriquetting process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 1999, 15 (4): 221-225肖波等:生物质燃料的破碎研究Study on biomass fuel shreddingXIAO Bo, ZoU Xian-mei, YANG Jia-kuan, MA Cheng-rong, RUAN Yuan(The College of Environmental Science and Engineering, Huazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074 China)Abstract: The shape of the knife for shredding biomass, especially maize stalks, is studied in thispaper. The curly and straight knives prove applicable for shredding biomass. a biomass shreddingsystem is designed which consists of a primary shredder, a fine shredder and collecting devices. testresults indicate that the particle size of biomass after primary shredding is under 10 mm, and afterthe fine shredding the particle size is smaller than 0.5 mm. Moreover, the shredding mechanisms andfactors which influence the shredding rate and particle size are investigated experimentally. Theeconomical working parameters for this system are obtained. This work provides firm basis for theindustrial utilization of biomass shredding and biomass energyKey words: biomass energy; stalk; shredding哈电气将在澳大利亚建环保电厂中澳合资最大清洁煤电厂合作备忘录签署,这是中国公司首次在发达国家投资建大电厂。日前,中国最大的电站设备制造商和电站工程承包商哈尔滨电气集团哈尔滨电站工程有限公司(HPE)正式对外宣布:该公司已于2006年2月17日在澳大利亚与澳方HRL公司签署了400MW清洁煤电厂开发项目合作备忘录。该项目将利用HRL公司开发的世界领先的褐煤干燥气化发电技术( IDGCO)以及澳大利亚维多利亚州丰富的褐煤资源。项目计划于今年年底动工,合资双方在该项目中各持50%的股份。据HPE副总经理张英健介绍,这是中国公司首次在发达国家投资新建大规模环保电厂项目,将带动哈电气数亿澳币的成套电站设备出口。同时,IDGC技术在中国有着广泛的应用前景,不仅能大大降低电厂投资发电成本,而且显著减少排放,经济性与环保性兼备。据悉,该项目的合资方HRL公司总部位于墨尔本,在过去10年中投入了约1.2亿澳币用于 IDGCC技术的研发。该技术将褐煤发电的最大劣势一高含水量转变为优势,通过合成气使褐煤发电效率大大提高,排放量显著减少,而褐煤低廉的价格将使电厂运营成本得到有效控制该技术对于我国有效利用内蒙古、云南、黑龙江等地的褐煤资源,缓解动力煤开采供应压力,降低电厂排放,保护水资源等都具有极大的应用价值和广阔的应用前景。HRL公司的CEO乔顿卡特在签字仪式上说:“中国煤化玉HPE合作。HPE在电站设备制造和电厂开发建设方面有着丰富的经验HCNMH冰到渠成的决定我们期待将来双方在 IDGCO技术推广应用方面继续合作,进入加拿大、美国以及欧盟市场。”(沈杰)