生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線及其關(guān)鍵制造技術(shù)的研究與開發(fā)

朱典想（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037）

生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線及其關(guān)鍵制造技術(shù)的研究與開發(fā)

朱典想
（南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037）

生物質(zhì)顆粒燃料（俗稱木煤）作為生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要領(lǐng)域，越來越受到人們的關(guān)注。本文對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒特性、節(jié)能減排效果、制造工藝技術(shù)、關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行了研究與開發(fā)，并在此基礎(chǔ)上最終建成了規(guī)?；戤a(chǎn)2.0×105t）、低成本的木煤生產(chǎn)線，對(duì)推動(dòng)我國木煤產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展具有重要的示范意義。

生物質(zhì)顆粒燃料；燃燒特性；節(jié)能減排；生產(chǎn)線；生產(chǎn)工藝；關(guān)鍵設(shè)備

1 前言

生物質(zhì)固體成型燃料（俗稱木煤）是指通過專門設(shè)備將分散的各類生物質(zhì)原料經(jīng)干燥、粉碎到一定粒度，在一定的溫度、濕度和壓力條件下，形成規(guī)則形狀的密度較大的固體燃料[1]，如生物質(zhì)顆粒燃料和生物質(zhì)塊狀燃料。國家在《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中提出：到2020年，全國生物質(zhì)固體成型燃料年利用量將達(dá)到5.0×107t，因此開展生物質(zhì)固體成型燃料等生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)化開發(fā)是必由之路。

生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)朝著低成本規(guī)?；较虬l(fā)展。由南京林業(yè)大學(xué)牽頭，聯(lián)合多家公司和院校于2008年組成木煤開發(fā)與應(yīng)用課題組，對(duì)生物質(zhì)顆粒燃料的物化性能和關(guān)鍵制造技術(shù)進(jìn)行研究，經(jīng)過6年的努力，開發(fā)研究出了年產(chǎn)2.0×105t的生物質(zhì)顆粒燃料成套生產(chǎn)技術(shù)與裝備，該生產(chǎn)線為目前國產(chǎn)產(chǎn)能最大的生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線，采用環(huán)模壓輥成型技術(shù)，顆粒直徑為6～8 mm，質(zhì)量達(dá)到德國和丹麥的標(biāo)準(zhǔn)。

2 木煤燃燒特性和節(jié)能減排效果研究

2.1 木煤的燃燒特性研究

1）1 kg楊木木煤完全燃燒產(chǎn)生的SO2的數(shù)量只有煙煤的3%。

2）楊木和稻草木煤在實(shí)際燃燒過程中表現(xiàn)為：a.容易著火燃燒；b.燃燒時(shí)需要提供足夠的爐膛空間和適當(dāng)?shù)倪^量空氣系數(shù)，以促使揮發(fā)組分完全燃燒，減少化學(xué)不完全燃燒熱損失；c.固定碳燃燒和燃盡時(shí)間會(huì)有所縮短，不如煤耐燒；d.產(chǎn)生的灰渣和飛灰數(shù)量很少，對(duì)環(huán)境的污染很小。

3）楊木木煤的灰熔融性與煙煤非常接近，均屬于可熔性灰。稻草木煤的灰軟化溫度較低，屬于易熔性灰。因此采用稻草木煤的鍋爐爐排溫度不宜過高，否則容易造成比較嚴(yán)重的結(jié)渣現(xiàn)象。

4）稻草和楊木木煤的燃燒過程均可分為3個(gè)階段：水分析出階段、揮發(fā)分析出與燃燒階段、固定碳燃燒與燃盡階段。其中，揮發(fā)分析出與燃燒階段的失重量最大。

2.2 木煤節(jié)能減排效果研究

我國工業(yè)企業(yè)供熱和北方地區(qū)集中采暖主要采用工業(yè)鍋爐作為熱源設(shè)備，目前工業(yè)鍋爐燃用的主要燃料為煤炭，其中多數(shù)地區(qū)采用二類煙煤，其平均熱值為5 100 kCal/kg。木煤熱值與生產(chǎn)木煤的原料種類有關(guān)，以木材加工剩余物和麥秸作為木煤原料，所生產(chǎn)出的木煤熱值為4000～4300kCal/kg，且每噸木煤可替代0.96～1.04 t（平均為1 t）二類煙煤，即1 t木煤可替代1 t二類煙煤[2]。燃煤工業(yè)鍋爐的熱效率平均為65%。使用木煤后，鍋爐效率平均提高15%，提高至80%左右。

木煤是一種清潔高效的可再生能源，具有明顯的節(jié)能減排效果，年產(chǎn)2.0×105t木煤可替代2.0×105t二類煙煤。與燃燒2.0×105t二類煙煤相比，燃燒木屑木煤或麥秸木煤的減排效果為：a.可減少二氧化硫排放6 048 t和5 632 t，減排率為97.4%和90.7%； b.可減少二氧化碳減排放295 168 t，減排率為86.5%；c.可減少粉塵排放1 276 t和1 196 t，減排率為98.3%和92.0%；d.可減少爐渣排放59 284 t和42 964 t，減排率為93.1%和67.5%；e.燃燒木煤所產(chǎn)生的爐灰是良好的肥料。

3 年產(chǎn)2.0×105t木煤生產(chǎn)線設(shè)計(jì)

圖1為木煤課題組創(chuàng)建的目前國內(nèi)首條生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)2.0×105t生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線的車間平面布置圖。主要包括木材削片與錘碎系統(tǒng)、碎料干燥系統(tǒng)、制粒系統(tǒng)以及成品處理與打包系統(tǒng)。主要設(shè)備包括：鼓式削片機(jī)、錘式粉碎機(jī)、三通道干燥機(jī)、環(huán)模壓輥制粒機(jī)、逆流冷卻器、顆粒篩選機(jī)、袋式包裝機(jī)、薄膜纏繞機(jī)，以及其他與之配套的各種運(yùn)輸機(jī)和料倉等。

圖1 年產(chǎn)2.0×105t生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線的車間平面布置圖Fig.1 The workshop floor plan of 2.0×105t biomass fuel pellets production line per year

該生產(chǎn)線中采用了課題組大量自主研發(fā)的技術(shù)裝備，如目前國內(nèi)產(chǎn)能、規(guī)格最大的環(huán)模制粒機(jī)（環(huán)模直徑為800 mm、產(chǎn)能為5 t/h）、三轉(zhuǎn)子粉碎機(jī)（產(chǎn)能20 t/h），細(xì)碎料鉆石輥篩、比重氣力除砂分選裝置等設(shè)備（申報(bào)5項(xiàng)發(fā)明專利、獲得授權(quán)10項(xiàng)實(shí)用新型專利）。

4 生物質(zhì)固體成型燃料的成型機(jī)理

4.1 加熱成型

植物原料主要由纖維素、半纖維素、木素組成。木素屬非晶體，為一種熱塑性高分子物質(zhì)，無確定熔點(diǎn)，但具有玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，而且較高，當(dāng)溫度為70～110℃時(shí)軟化具有粘性，在壓力下可將植物原料中的半纖維素、纖維素在模具內(nèi)壓縮粘結(jié)成顆粒燃料，顆粒燃料通常采用加熱成型方式。

4.2 常溫成型

被粉碎后的生物質(zhì)原料結(jié)構(gòu)疏松、密度較小，當(dāng)受到一定的外部壓力后，原料顆粒先后經(jīng)過位置重新排列、顆粒機(jī)械變形和塑性流變等階段。由于非彈性或粘彈性的纖維分子之間的相互纏繞和絞和，在去除外部壓力后，一般不能再恢復(fù)原來的結(jié)構(gòu)形狀。此外原料中所含的腐殖質(zhì)、樹脂、蠟質(zhì)等是固有的天然粘結(jié)劑，在成型過程中發(fā)揮有效的粘結(jié)作用。塊狀成型燃料常采用常溫成型方式。

5 木煤的生產(chǎn)工藝研究

木煤（顆粒燃料）生產(chǎn)工序主要有原料切斷、干燥、除塵去鐵、篩選、再碎、去鐵、攪拌、高溫壓縮制粒、冷卻、篩選、包裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，具體工藝流程見圖2。

圖2 生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)工藝流程圖Fig.2 Production process flow chart of biomass fuel pellet

5.1 備料工藝

原料以枝椏材為主，輔之農(nóng)作物秸稈及外購鋸屑，可根據(jù)不同用戶對(duì)木煤熱值不同的要求，多種原料可實(shí)行精確地配比生產(chǎn)。

5.2 粉碎工藝

采用二次粉碎工藝，即將削片后的木片送入錘刨機(jī)進(jìn)行一次粉碎，使其分離成直徑小于12 mm的物料，送入干燥機(jī)進(jìn)行干燥，干燥后進(jìn)行篩選，將大于6 mm的物料送入錘刨機(jī)進(jìn)行二次粉碎，合格物料再送入下道工序。烘干后物料粉碎容易得多，物料形態(tài)也較易控制，且二次粉碎比一次粉碎能耗降低30%左右。

5.3 干燥工藝

采取兩臺(tái)三通道干燥機(jī)并聯(lián)使用的方法。可根據(jù)不同季節(jié)原料含水率的變化和產(chǎn)量要求，有時(shí)只開啟一臺(tái)或兩臺(tái)干燥機(jī)，為將來擴(kuò)展產(chǎn)量留有余地。生產(chǎn)率相同時(shí)，三通道干燥機(jī)較短，占地面積小，出口溫度可比單通道干燥機(jī)低，熱效率高，著火機(jī)率也較少。

5.4 原料清潔工藝

由于國內(nèi)原料混雜，雜質(zhì)含量比單一原料含量高，若不采取措施，生產(chǎn)的木煤灰分會(huì)超標(biāo)，使用效果比較差。為此，引進(jìn)消化吸收了意大利的原料清潔工藝技術(shù)，有效地剔除原料中的砂石等雜質(zhì)。

5.5 制粒成型工藝

在制粒成型工段，采用了多機(jī)組合的模式，安裝了自主研制的目前國內(nèi)最大的環(huán)模直徑為800 mm、單機(jī)產(chǎn)能為5 t/h的ZLJ800型制粒機(jī)。木煤生產(chǎn)線產(chǎn)能最終取決于制粒機(jī)，制粒成型工藝采用多機(jī)組并聯(lián)方式。為節(jié)約勞動(dòng)力和提高工作效率，在國內(nèi)首次采用德國機(jī)器人碼垛系統(tǒng)。

5.6 控制系統(tǒng)

采用PLC全自動(dòng)控制界面，在中央控制室操作即可完成整線的操控。

6 木煤生產(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備研制

6.1 木煤用削片機(jī)

木煤用削片機(jī)，需要將枝椏材切削成盡量小的尺寸，為此需對(duì)人造板用削片機(jī)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造，并適當(dāng)增加切削刀片數(shù)量，刀片伸出量、篩網(wǎng)網(wǎng)眼尺寸都進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的木煤用削片機(jī)，整體能耗比同一型號(hào)的人造板用削片機(jī)電耗降低了35%左右。

6.2 鉆石輥篩

在一般的木煤生產(chǎn)線上，對(duì)原料的篩選使用振動(dòng)篩或分級(jí)篩。但是振動(dòng)篩有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，當(dāng)使用振動(dòng)篩篩選濕物料時(shí)，很容易堵塞篩網(wǎng)孔眼并使其后的產(chǎn)量降低。分級(jí)篩也存在一個(gè)弱點(diǎn)，它只能在厚度方向上對(duì)物料進(jìn)行篩選[3]。為了彌補(bǔ)振動(dòng)篩和分級(jí)篩的不足，研究設(shè)計(jì)了一種鉆石輥篩，它共有三個(gè)篩分區(qū)，四個(gè)篩分值[4]。

一級(jí)篩分區(qū)用于去除原料中的灰分、塵土，輥軸采用鉆石輥軸，即為輥軸的表面帶有凸起的菱形花紋，規(guī)格較細(xì)，輥面的間隙也較細(xì)；二級(jí)篩分區(qū)用來篩分鋸屑，在輥軸的主體部分車出凹槽，階梯狀凹槽的深度和寬度由所需篩分物料的規(guī)格決定，一根軸的環(huán)狀凹槽和相鄰軸的環(huán)狀突峰對(duì)接，形成矩形狀的排料口；三級(jí)篩分區(qū)用來篩分木片，輥軸為矩形花鍵軸，軸上套有標(biāo)準(zhǔn)鏈輪，鏈輪上有絲孔，用內(nèi)六角螺栓將鏈輪固定在花鍵軸的凹槽中，相鄰軸上的鏈輪隔出一個(gè)個(gè)類似矩形的排料口，在矩形尺寸范圍內(nèi)的木片落下，不在此范圍內(nèi)超大木片將在最后一根軸的邊緣落下。該技術(shù)已獲得兩項(xiàng)專利（ZL201120174145.5和ZL201120347583.7）。

6.3 木煤原料切碎機(jī)

城市廢棄木質(zhì)材料增多，各種材料形態(tài)各異，不適合直接使用削片機(jī)削片，把這些形態(tài)各異的原料切碎成木煤生產(chǎn)需要的尺寸，是必須解決的問題。為此，本設(shè)備中設(shè)計(jì)了一種新型切削刀輥，采用組合刀具結(jié)構(gòu)，可轉(zhuǎn)位組合刀具的一側(cè)刃口磨損后，調(diào)節(jié)緊固螺栓，旋轉(zhuǎn)至另一面刀刃即可，安裝方便，可多次重復(fù)使用，刀體螺旋對(duì)稱排列，切削時(shí)振動(dòng)小、切削力大、能耗低[5]。設(shè)計(jì)的一種切碎機(jī)新型刀輥已獲授權(quán)專利（ZL201220536279.1）

6.4 三轉(zhuǎn)子錘刨機(jī)

錘刨機(jī)作為木煤生產(chǎn)中的重要設(shè)備，直接影響木煤生產(chǎn)的產(chǎn)量、質(zhì)量、成本和能耗。設(shè)計(jì)出的高性能的三轉(zhuǎn)子錘刨機(jī)相對(duì)于二轉(zhuǎn)子錘刨機(jī)，在生產(chǎn)帶皮物料的加工中，具有切斷作用，不易堵塞網(wǎng)眼，產(chǎn)量比較穩(wěn)定。在產(chǎn)能相同的前提下，相對(duì)于單轉(zhuǎn)子錘刨機(jī)，可節(jié)約能耗40%。三轉(zhuǎn)子錘刨機(jī)獲得了三項(xiàng)發(fā)明專利（ZL201120174144.0、ZL201120347586、L201220536279.1）。

6.5 木煤制粒成型機(jī)

開發(fā)出環(huán)模直徑為800 mm，單機(jī)產(chǎn)能為5 t/h的制粒成型機(jī)。本制粒機(jī)中設(shè)置了調(diào)質(zhì)噴水裝置和助劑添加裝置，可適當(dāng)改善生物質(zhì)顆粒的制粒工藝。與現(xiàn)有的“流入式”加水方式相比，噴水裝置將水加到一定的壓力后霧化噴入調(diào)質(zhì)器內(nèi)，增大了水分與物料的接觸面積，使物料的含水率更加均勻一致；采用助劑添加裝置向喂料螺旋中添加有助于成型的添加劑，能夠有效降低成型壓力，改善成型顆粒的品質(zhì)，同時(shí)還在該機(jī)中設(shè)計(jì)了模輥間隙自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，改善了操作條件，提高了機(jī)床的整體工作精度[6]。在制粒成型機(jī)的研制過程中已獲授權(quán)專利四 項(xiàng)（授 權(quán) 號(hào) 分 別 為 ZL201120174143.6、ZL201220282338.7、ZL201220268355.5和ZL201220 282337.2）。進(jìn)入實(shí)質(zhì)審查的發(fā)明專利三項(xiàng)（申請(qǐng)?zhí)柗謩e為201110274944.4、201210197640.7和 201210 197648.3）。

課題組還開發(fā)了成型壓塊機(jī)等設(shè)備，并在國內(nèi)推廣了7條3 000 t～6 000 t/年的小型壓塊生產(chǎn)線。

7 結(jié)語

課題組對(duì)木煤的規(guī)模化生產(chǎn)工藝與設(shè)備進(jìn)行了系統(tǒng)的研究和開發(fā)。創(chuàng)建了目前國內(nèi)首條年產(chǎn)2.0×105t生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線，在生產(chǎn)線中采用了大量自主研發(fā)的技術(shù)設(shè)備。實(shí)現(xiàn)了木煤的規(guī)?；偷统杀旧a(chǎn)。該生產(chǎn)線的建立和生產(chǎn)工藝及設(shè)備的研發(fā)成果在國內(nèi)具有重要的示范意義，有助于推動(dòng)生物質(zhì)燃料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

[1]郭東升，朱典想，牛前明，等.木質(zhì)顆粒燃料——可再生的清潔能源[J].木材工業(yè)，2008，22（1）：34-37.

[2]朱典想，郭東升.木煤——極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦湍茉碵J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2009，37（1）：37-40.

[3]施瑾瑾，朱典想.刨花板原料篩分設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].木工機(jī)床，2011（3）：28-31.

[4]Shi Jinjin，Zhu Dianxiang，Zhao Yuanzheng，et al.Structural Design and Parametric Modeling of Wood Pellet Dynamic Screen Based on UG[C]//International Conference on Materials for Renewable Energy&Environment，2012.

[5]劉 強(qiáng)，朱典想，郭東升.廢舊木質(zhì)材料切碎機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2013，41（1）：44-47.

[6]石夫雨.ZLJ800型生物質(zhì)顆粒燃料環(huán)模制粒機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2012.

The research and development of biomass fuel pellets production line and key manufacturing technology

Zhu Dianxiang
(Nanjing Forestry University，College of Materials Science and Engineering，Nanjing 210037，China)

As an important field of the conversion of biomass energy，biomass fuel pellets（commonly known as“wood-pellet”）get more and more attention.This paper discusses the combustion performance，the effect of energy conservation and emissions reduction，manufacturing technology and research achievement of the key production equipments.On the basis，the large-scale(annual output of 2.0×105t)and low-cost wood-pellet production line is completed finally，which has an important demonstration significance to promote the healthy development of wood-pellet industry.

biomass fuel pellet；combustion performance；energy conservation and emissions reduction；production line；manufacturing technology；key equipments

TK6

A

1009-1742（2014）04-0013-04

2013-12-01

朱典想，1951年出生，男，江西鄱陽縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論、木材科學(xué)與技術(shù)、生物質(zhì)能源開發(fā)與研究工作；E-mail：dianxiang@163.com