燃生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐的研究開(kāi)發(fā)

汪 琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

（上海熱油爐設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中心)

燃生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐的研究開(kāi)發(fā)

汪 琦*張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

（上海熱油爐設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中心)

介紹了生物質(zhì)顆粒燃料的特點(diǎn)和綠色環(huán)保性能。分析了生物質(zhì)顆粒的成型加工原理和生產(chǎn)工藝流程，討論了添加劑和黏結(jié)劑的作用和效果，研究了生物質(zhì)顆粒的成型加工方法和成型機(jī)械裝備。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了燃木材和木顆粒往復(fù)爐排管架式導(dǎo)熱油爐、燃生物質(zhì)顆粒臥式鏈條爐排方箱形導(dǎo)熱油爐，給出了臥式方箱形燃生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐的技術(shù)性能參數(shù)表，為生物質(zhì)顆粒燃料的生產(chǎn)加工和使用提供了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)。

熱油爐 生物質(zhì)顆粒 工藝流程 加工方法 機(jī)械裝備 木顆粒

0 前言

生物質(zhì)顆粒燃料是采用木屑、秸稈、稻殼、玉米芯、樹(shù)枝、麥桿、稻草等農(nóng)林廢棄物為原材料，經(jīng)過(guò)粉碎、烘干、混合、擠壓等工藝，制成的一種顆粒狀可直接燃燒的新型潔凈燃料。一般農(nóng)作物秸稈、木屑、稻殼等都具有疏松、密度小、單位體積熱值低等缺點(diǎn)，作為燃料使用很不方便。生物質(zhì)顆粒燃料不僅能有效地解決這一問(wèn)題，而且能有效地改變木屑、秸稈、稻殼等農(nóng)林廢棄物的燃燒特性，實(shí)現(xiàn)快速、潔凈燃燒。

生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)是通過(guò)粉碎、干燥、機(jī)械加壓等過(guò)程，將松散細(xì)碎的秸稈、木屑、稻殼等壓成結(jié)構(gòu)緊密的顆粒狀燃料，其能量密度較加工前要大十倍左右。這種生物質(zhì)顆粒燃料便于貯運(yùn)，燃燒后排放的煙灰遠(yuǎn)低于煤炭，是一種適合于導(dǎo)熱油爐使用的綠色可再生能源。近年來(lái)隨著對(duì)大氣環(huán)境保護(hù)力度的加強(qiáng)，綠色可再生能源的綜合開(kāi)發(fā)也越來(lái)越受到重視，以生物質(zhì)顆粒為燃料的導(dǎo)熱油爐得到了開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，從而能使之更好地為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)，達(dá)到改善環(huán)境、緩解能源危機(jī)的目的。

1 生物質(zhì)顆粒燃料成型原理和工藝流程

木屑、秸稈、稻殼等原料內(nèi)的纖維素生物質(zhì)細(xì)胞中含有纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，這些成分占植物體的2/3以上。由于植物生理方面的原因，生物質(zhì)原料的結(jié)構(gòu)通常比較疏松，密度比較小。這些質(zhì)地松散的生物質(zhì)原料在受到一定的外部壓力后，原料顆粒先后經(jīng)歷位置關(guān)系重新排列、顆料機(jī)械變形和塑性流變等階段，體積大幅度減小，密度顯著增大。在水分存在時(shí)，用較小的作用力即可使纖維素形成一定的形狀；當(dāng)含水率在10%左右時(shí)，需施加較大的壓力才能使其成型，但成型后結(jié)構(gòu)牢固。由于非彈性或黏彈性的纖維分子之間相互纏繞和絞合，在去除外部壓力后，一般不能再恢復(fù)原來(lái)的結(jié)構(gòu)形狀。

對(duì)于木質(zhì)素等黏彈性組分含量較高的原料，如果成型溫度達(dá)到木質(zhì)素的軟化點(diǎn)，則木質(zhì)素會(huì)發(fā)生塑性變形，從而將原料纖維緊密地黏結(jié)在一起，并維持既定的形狀。成型燃料塊經(jīng)降溫冷卻后，強(qiáng)度增大，即可得到燃燒性能類(lèi)似于木材的生物質(zhì)成型燃燒塊。對(duì)于木質(zhì)素含量較低的原料，在壓縮成型過(guò)程中，加入少量的諸如黏土、淀粉、廢紙漿等無(wú)機(jī)黏結(jié)劑、有機(jī)黏結(jié)劑和纖維類(lèi)黏結(jié)劑，也可以使壓縮后的成型塊維持致密的結(jié)構(gòu)和既定的形狀。因?yàn)檫@些黏結(jié)劑加入后，生物質(zhì)顆粒表面會(huì)形成一層吸附層，使顆粒之間產(chǎn)生引力（即范德華力），同時(shí)在較小外力作用下顆粒之間也可產(chǎn)生靜電引力，致使生物質(zhì)顆粒之間形成連鎖結(jié)構(gòu)。生物質(zhì)顆粒燃料成型生產(chǎn)的工藝流程如圖1所示。

圖1 生物質(zhì)顆粒燃料成型生產(chǎn)的工藝流程

生物質(zhì)顆料燃料成型生產(chǎn)中加入添加劑有兩個(gè)目的。一是增加壓塊的熱值。例如加入10%～20%的煤粉或炭粉[1]，就可以達(dá)到增加熱值的目的。但加入添加劑時(shí)一定要注意均勻度，防止因相對(duì)密度不同造成不均勻聚結(jié)。二是增加黏結(jié)力，減少動(dòng)力輸入。這就要求生物質(zhì)顆粒要小，便于黏結(jié)劑均勻接觸。一般都是預(yù)壓前在輸送過(guò)程中加入黏結(jié)劑，便于攪拌均勻。

為了使生物質(zhì)顆粒燃料在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用時(shí)不致破損、裂開(kāi)，并具有良好的燃燒性能，理想的黏結(jié)劑必須能夠保證生物質(zhì)顆粒燃料具有足夠的強(qiáng)度和抗潮解性，而且在燃燒時(shí)不產(chǎn)生煙塵和異味，最好黏結(jié)劑本身也可以燃燒。常用的黏結(jié)劑可分為無(wú)機(jī)黏結(jié)劑、有機(jī)黏結(jié)劑和纖維類(lèi)黏結(jié)劑三類(lèi)。其中無(wú)機(jī)黏結(jié)劑有水泥、黏土和水玻璃等，雖然具有一定的黏結(jié)能力，但這類(lèi)黏結(jié)劑會(huì)增加燃料的灰分含量，降低燃料的熱值，而且在生物質(zhì)顆粒燃燒時(shí)會(huì)使之產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，使用效果較差。有機(jī)黏結(jié)劑有焦油、瀝青、樹(shù)脂和淀粉等，也具有較強(qiáng)的黏結(jié)能力。淀粉黏結(jié)劑使用量一般為4%左右，雖然在燃燒時(shí)不產(chǎn)生煙氣，但其抗潮解能力較差。以焦油、瀝青和糖漿廢料作為黏結(jié)劑使用時(shí)，用量大約為30%，這類(lèi)黏結(jié)劑的抗潮解能力較強(qiáng)，但在燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的煙氣和異味。纖維類(lèi)黏結(jié)劑有廢紙漿和水解木纖維等工業(yè)廢棄物，不僅價(jià)格低廉，而且具有較好的黏結(jié)能力。使用纖維類(lèi)黏結(jié)劑生產(chǎn)的生物質(zhì)顆粒燃料可以采用自然干燥，不必進(jìn)行人工干燥。

2 生物質(zhì)顆粒燃料成型加工方法和成型機(jī)械裝備

生物質(zhì)顆粒燃料的成型加工方法可分為濕壓成型、熱壓成型和炭化成型三種基本類(lèi)型。生物質(zhì)顆粒的壓縮成型機(jī)械裝備主要有螺旋擠壓成型、活塞壓力式成型和壓輥式擠壓成型三種類(lèi)型。

2.1 濕壓成型

濕壓成型工藝常用于含水率較高的原料。備料時(shí)，可將原料浸水?dāng)?shù)日再將水?dāng)D走，或采用對(duì)原料噴水的方法，然后加黏結(jié)劑攪拌混合均勻。加工時(shí)，原料從濕壓成型機(jī)進(jìn)料口進(jìn)入成型室，然后在壓輥或壓模的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，進(jìn)入壓模與壓輥之間被擠入成型孔擠壓成型。最后用切斷刀將其切割成一定長(zhǎng)度的顆粒從機(jī)內(nèi)排出，再進(jìn)行烘干處理。

2.2 熱壓成型

熱壓成型是目前普通采用的生物質(zhì)壓縮成型工藝。其工藝過(guò)程一般為原料粉碎、干燥混合、擠壓成型、冷卻包裝等幾個(gè)環(huán)節(jié)。熱壓成型工藝中采用的成型機(jī)主要有螺旋擠壓式成型機(jī)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)等幾種形式。其中螺旋擠壓式成型機(jī)采用連續(xù)擠壓的方法成型，成型溫度通常調(diào)整在220～280℃之間。為了避免成型過(guò)程中原料水分的快速汽化，導(dǎo)致生物質(zhì)成型顆粒發(fā)生開(kāi)裂和 “放炮”現(xiàn)象，一般要將原料含水率控制在8%～12%之間。在擠壓過(guò)程中，原料與成型部件摩擦產(chǎn)生的熱量不能滿(mǎn)足成型溫度的要求，因而需要采用電加熱元件等對(duì)成型部件進(jìn)行加熱。也可以在原料進(jìn)入成型機(jī)之前，將原料預(yù)加熱到100℃左右，以減輕成型部件的磨損。

2.3 炭化成型

炭化成型工藝的基本過(guò)程是：首先將生物質(zhì)原料炭化或部分炭化，然后加入一定量的黏結(jié)劑擠壓成型。由于原料纖維結(jié)構(gòu)在炭化過(guò)程中受到破壞，高分子組分受熱裂解轉(zhuǎn)換成炭，并釋放出揮發(fā)成分，包括可燃?xì)怏w、木醋液和焦油等，因而其擠壓加工性能得到改善，成型部件的機(jī)械磨損和擠壓過(guò)程的功率消耗明顯降低。但是炭化后的原料在擠壓成型后，維持既定形狀的能力較差，儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用時(shí)容易開(kāi)裂或破碎，所以采用炭化成型工藝時(shí)，一般都要加入一定量的黏結(jié)劑。如果成型過(guò)程中不使用黏結(jié)劑，要使成型顆粒具有一定的儲(chǔ)存和使用性能，則需要較高的成型壓力，這將明顯提高成型機(jī)的造價(jià)。

2.4 螺旋擠壓成型

螺旋擠壓成型是目前生產(chǎn)加工生物質(zhì)顆粒燃料常用的加工方法。其成型機(jī)的主要組成包括：驅(qū)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、壓縮螺桿、成型套筒、電加熱器和控制器等。螺旋擠壓成型機(jī)的工作過(guò)程是：粉碎的物料經(jīng)干燥后，從料斗連續(xù)加入，由螺旋推擠入成型套筒中，并經(jīng)螺桿壓成生物質(zhì)燃料棒，成品連續(xù)從成型套筒中擠出，按照一定長(zhǎng)短規(guī)格進(jìn)行切斷。由于采用這種擠出方式時(shí)必須對(duì)物料進(jìn)行加熱，故在成型套筒外繞有電熱圈，使筒溫保持在220～280℃，溫度由控制器自動(dòng)控制，達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)可自動(dòng)斷電。在擠壓成型過(guò)程中，由于擠壓螺桿與成型套筒是在較高的溫度和壓力以及干摩擦狀態(tài)下工作的，故磨損十分嚴(yán)重。為了提高螺桿和套筒的耐磨性，延長(zhǎng)成型機(jī)的使用壽命，應(yīng)采用可更換的硬質(zhì)合金耐磨螺桿頭，并在成型套筒內(nèi)增設(shè)硬質(zhì)合金耐磨小襯套，這樣可將其使用壽命延長(zhǎng)至500～1000 h。

2.5 活塞壓力式成型

生物質(zhì)原料經(jīng)過(guò)粉碎后，通過(guò)機(jī)械或風(fēng)力送入預(yù)壓室。在預(yù)壓室內(nèi)，當(dāng)活塞后退時(shí)，預(yù)壓塊被送入壓縮筒；當(dāng)活塞前進(jìn)時(shí)，原材料則被壓緊成型。顆粒成型后，被送入保型筒?；钊鶑?fù)運(yùn)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)形式通常有三種：油壓、水壓、機(jī)械。油壓式設(shè)計(jì)比較成熟，運(yùn)行平穩(wěn)，油溫便于控制，體積小，驅(qū)動(dòng)力大；水壓式體積大，投資多，驅(qū)動(dòng)力小，生產(chǎn)能力低；機(jī)械式生產(chǎn)能力大，且生產(chǎn)的產(chǎn)品密度比水壓式要大得多，但其振動(dòng)大、噪聲大，沒(méi)有油壓式平穩(wěn)，操作人員容易疲勞?；钊麎毫κ匠尚偷娜秉c(diǎn)是：間斷沖擊，會(huì)有不平衡的現(xiàn)象；產(chǎn)品不適宜炭化；雖然允許生物質(zhì)原料含水率有一定的變化幅度，但受其影響產(chǎn)品質(zhì)量也會(huì)有高低反復(fù)。

2.6 壓輥式擠壓成型

壓輥式擠壓成型機(jī)的基本工作部分是壓輥和壓模，其中壓輥可以繞本身中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。壓輥的外圈加工成齒或槽，用于壓緊原料不至于打滑。壓模有圓盤(pán)和圓環(huán)兩種形式，壓模上加工有成型孔。原料進(jìn)入壓輥和壓模之間后，在壓輥的作用下被壓入成型孔內(nèi)，從成型孔內(nèi)壓出的原料呈圓柱形或棱柱形，最后用切刀將其切成顆粒狀成型燃料。根據(jù)壓模的形式，壓輥式擠壓成型機(jī)可分為環(huán)模成型機(jī)和平模成型機(jī)，其中環(huán)模成型機(jī)又有臥式和立式兩種形式。用壓輥式擠壓成型機(jī)生產(chǎn)的顆粒成型燃料一般不需要外部加熱，也不必加入黏結(jié)劑，因?yàn)榧庸し鬯楹蟮念w粒很細(xì)小，成型壓力很大，這樣依靠物料擠壓成型時(shí)所產(chǎn)生的摩擦熱，即可使生物質(zhì)原料軟化和黏合。但是如果原料木質(zhì)素含量較低，黏結(jié)力很小，則可添加少量的黏結(jié)劑。壓輥式擠壓成型對(duì)原料的含水率要求較寬，一般在10%～40%之間均能成型。

3 燃生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

燃生物質(zhì)顆粒燃料的導(dǎo)熱油爐由爐本體和燃燒裝置兩部分組成。圖2所示為燃燒廢木料和木顆粒料導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)，其燃燒裝置采用的是傾斜式往復(fù)爐排。其主要特點(diǎn)是活動(dòng)爐排的往復(fù)運(yùn)動(dòng)能夠使火床攪動(dòng)，比較適用于高水分、低熱值的廢木料和生物質(zhì)顆粒燃料的燃燒。爐本體采用管架式結(jié)構(gòu)，受壓元件有門(mén)形管、頂棚管、蛇形管片等，受熱面和集箱互相連接，構(gòu)成爐本體支撐框架[2]。管架式導(dǎo)熱油爐內(nèi)，與高溫?zé)煔饨佑|的耐火材料面積較大，并且耐火材料具有蓄熱特性，而爐管內(nèi)的導(dǎo)熱油容量較小，如遇停電故障時(shí)，司爐人員需要及時(shí)采取停電保護(hù)措施，以防止?fàn)t管內(nèi)導(dǎo)熱油超溫結(jié)焦積垢現(xiàn)象的發(fā)生[3]。

圖2 傾斜式往復(fù)爐排燃木顆粒料導(dǎo)熱油爐

管架式導(dǎo)熱油爐內(nèi)的循環(huán)回路是由若干個(gè)依據(jù)熱負(fù)荷和流速不同而區(qū)隔的小循環(huán)回路組成的，各個(gè)小循環(huán)回路通過(guò)集箱串聯(lián)，而單個(gè)小循環(huán)回路又由多根結(jié)構(gòu)特性相同的管子并聯(lián)組成。因管組與集箱采用 “Z”形連接方式，為了降低并聯(lián)管間流量偏差，除了保證并聯(lián)管結(jié)構(gòu)特性盡量相同外，連接集箱直徑需要適當(dāng)放大。管架式導(dǎo)熱油爐的受熱面管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且與低位的集箱相連，管內(nèi)導(dǎo)熱油能自由流動(dòng)，疏油方便。但由于導(dǎo)熱油的流動(dòng)方向?yàn)樯?、下交叉流?dòng)，為了縮短脫水、排氣時(shí)間，應(yīng)適當(dāng)提高管內(nèi)導(dǎo)熱油流速。

臥式鏈條爐排方箱形燃燒生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐的結(jié)構(gòu)如圖3所示。該爐爐膛內(nèi)受熱面爐管為方形盤(pán)管密排布置，不僅密封性能好，保溫隔熱材料用量少，爐體重量輕，而且能較好地與機(jī)械化鏈條爐排燃燒裝置相匹配。但該爐也存在爐管鋼材利用率低、鋼材耗量大等缺點(diǎn)。此外，方形盤(pán)管與圓形盤(pán)管不同，不能像圓形盤(pán)管那樣，先對(duì)接焊好爐管，然后再采用專(zhuān)用圓形盤(pán)管機(jī)將爐管直接盤(pán)繞成圓形盤(pán)管形式。方形盤(pán)管的爐管對(duì)接接頭較多，對(duì)制造工藝水平要求較高[4]。表1是筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的臥式方箱形燃燒生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐的技術(shù)性能參數(shù)表。

表1 臥式方箱形燃燒生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐的技術(shù)性能參數(shù)

燃燒生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐設(shè)計(jì)配備有二次風(fēng)結(jié)構(gòu)。二次風(fēng)約占總風(fēng)量的30%，在燃生物質(zhì)顆粒燃料導(dǎo)熱油爐的燃燒中起到十分關(guān)鍵的作用。二次風(fēng)旋流攪拌爐膛內(nèi)氣體使之混合，使?fàn)t內(nèi)煙氣產(chǎn)生漩渦，延長(zhǎng)懸浮的飛灰及飛灰可燃物在爐膛內(nèi)的行程，使飛灰量及飛灰可燃物量進(jìn)一步降低。此外，二次風(fēng)對(duì)懸浮可燃物提供了新鮮空氣，有利于提高導(dǎo)熱油爐的熱效率，降低導(dǎo)熱油爐初始排煙濃度。旋流強(qiáng)化對(duì)流換熱技術(shù)的采用，使煙氣低溫差換熱更加優(yōu)化，并且不容易積灰。采用喉口及爐膛出口煙氣溫度控制技術(shù)，可以使導(dǎo)熱油加熱過(guò)程更加均衡穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

生物質(zhì)顆粒燃料作為一種新型的清潔能源，以其特有的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)和環(huán)保效益，完全符合了可持續(xù)發(fā)展的要求。首先，由于燃料的形狀為顆粒狀，故壓縮了體積，節(jié)省了儲(chǔ)存空間，同時(shí)也便于運(yùn)輸，減少了運(yùn)輸成本。其次，燃燒效率較高，易于完全燃燒，殘留量很少。生物質(zhì)顆粒燃料的特點(diǎn)為：燃燒點(diǎn)低、易于點(diǎn)火、顆粒密度較高，發(fā)熱量在15 900～20 100 kJ/kg之間，經(jīng)炭化后的發(fā)熱量高達(dá)29 300～33 500 kJ/kg。生物質(zhì)顆粒燃料不含硫、磷，燃燒時(shí)不產(chǎn)生二氧化硫和五氧化二磷，因而不會(huì)導(dǎo)致酸雨的產(chǎn)生，不會(huì)污染大氣環(huán)境，具有很好的環(huán)保效益。燃生物質(zhì)顆粒燃料的導(dǎo)熱油爐滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)純無(wú)煙，林格曼黑度為0，爐膛揮發(fā)分燃盡率為100%，排出灰渣含碳量為3%～5%，總體燃盡率為95%～97%，節(jié)能效果顯著。燃燒后的灰燼還可以作為鉀肥直接使用，從而可以更好地為企業(yè)創(chuàng)利?？傊镔|(zhì)顆粒燃料具有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

[1]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.燃生物質(zhì)固硫型煤導(dǎo)熱油爐的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā) [J].化工裝備技術(shù)，2014,35(6)：4-7.

[2]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.熱載體加熱爐結(jié)構(gòu)與供熱循環(huán)系統(tǒng)智能化控制的應(yīng)用研究 [J].化工裝備技術(shù),2016，37(2)：27-33.

[3]汪琦，俞紅嘯，張慧芬，等.導(dǎo)熱油爐的清灰除焦與運(yùn)行檢查研究[J].化工裝備技術(shù)，2015，36(2)：10-12.

[4]汪琦.國(guó)外有機(jī)熱載體加熱爐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) [J].化工裝備技術(shù)，2007，28(1)：33-37.

The Research and Development of Heat-conducting Oil Furnace Burning Biomass Pellet

Wang QiZhang Huifen Yu Hongxiao Wang Yuyou

The characteristics of biomass pellet fuel and its environmental protection performance are introduced.The forming principle and production process of bio-particles are analyzed,and the effects of additives and binders are discussed.The forming machinery equipment and forming process of biomass pellets are studied,including wet compression process,hot pressing process,carbonization process,screw extrusion process,piston type pressing process,and roller type extrusion method.The tube type heat-conducting oil furnace with reciprocating grate burning wood and wood particles,and the horizontal square-box type heat-conducting oil furnace with chain grate burning biomass pellets are designed and developed.The technical parameters table of the horizontal square-box type furnace is offered,which can provide a reference database to the production,processing and use of biomass pellet fuel.

Heat-conducting oil furnace;Biomass pellet;Technical process;Processing method;Mechanical equipment;Wood particle

TK 6

10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2017.06.007

2016-09-12）

*汪琦，男，1961年10月生，碩士，高級(jí)工程師。上海市，200042。