0引言
中國具有豐富的農作物秸稈資源和森林資源。據統計，農作物秸稈年產量每年6億t左右，約折合3億t標準煤，林業剩余物約1.5億t。如何高效綜合利用農作物秸稈、林業剩余物等生物質能已成為各國研究的重要課題，生物質固體成型燃料具有易運輸、易點火、燃燒效率高、灰分少等優點，燃料密度為1.0～1.4t/m3，體積較原料縮小6～8倍，便于運輸和裝卸；能源密度相當于中質煙煤，燃燒性能好，熱值高，火力持久，爐膛溫度高，燃燒特性明顯改善，灰分少，在燃燒過程中實現了“零排放”。既可作為農村居民的炊事和取暖燃料，也可作為城鎮區域供熱和工業鍋爐燃料，近年來越來越受到人們的廣泛關注，富通新能源生產銷售的秸稈顆粒機、木屑顆粒機專業壓制木屑生物質顆粒燃料。
經過多年的開發研究，中國生物質固體成型燃料技術已經取得了階段性成果，研發了螺旋擠壓式、活塞沖壓式、模輥碾壓式3種固體成型燃料生產設備，促進了生物質固體成型產業的發展。但總體來說發展比較緩慢，到2008年底，中國生物質固體成型燃料產量約為20萬t，主要原因是中國幅員遼闊、各地氣候差異大，生物質原料種類繁多、特性復雜，這對成型燃料加工工藝及設備提出了較高的要求。
同時，與國外技術相比還存在差距，仍有一些技術障礙亟待解決，突出表現在：一是與國外主要以木質原料為主不同，中國的生物質成型燃料主要以秸稈原料為主，因秸稈中砂石、硅化物等含量過高，對成型機的關鍵部件磨損嚴重；二是設備系統配合協調能力差，運行不穩定，生產率低。目前中國的生物質固體成型燃料生產多為生產率低的單機作業，生產線簡陋，匹配耦合能力差，缺乏與主機匹配的原料預處理、輸送及喂料等配套設備，導致運行不連續、故障率高等問題；三是固體成型燃料加工設備適應能力差，不同的設備對適用原料種類、粒度和含水率要求各不相同，影響了規模化推廣應用。
本文針對中國生物質原料種類繁多、原料特性復雜多樣的特點，采用模輥擠壓成型原理，開發設計了生物質固體成型燃料加工設備，將農林業剩余物等生物質原料加工成固體成型燃料，以實現工業化連續穩定生產。加工工藝路線采用二次粉碎、連續喂料與調節喂料相結合的混配工藝，生產塊狀和顆粒兩種固體成型燃料。能夠適應玉米秸、麥秸、花生殼、棉稈、木屑等農林剩余物，并在北京建成首條規模化、工業化生物質固體成型燃料生產線。1生物質固體成型燃料及模輥擠壓成型原理
典型的生物質固體成型燃料包括顆粒燃料、壓塊燃料和棒狀燃料，成型設備包括螺旋擠壓、活塞沖壓、模輥式等類型，其中模輥式成型設備具有生產率高、對原料的含水率要求低、成型過程中不用任何添加劑、粘結劑等優點，適于規模化生產。模輥式塊狀成型機對原料的尺寸要求低，粉碎后尺寸低于100mm即可成型，但顆粒成型機對粉碎后的原料要求高，試驗表明長度大于6mm的原料要低于10%，成型率較高，因此對粉碎有較高的要求。
模輥式秸稈顆粒機主要工作部件是壓模與壓輥，壓模壁均布模孔。生物質原料中含有木質素等物質在70℃以上溫度時會軟化，在一定的壓力作用下可使其與相鄰顆粒膠結成型，冷卻后即可成為固體成型燃料[13]。模輥式成型機利用生物質的這種特性，在成型室中，物料經勻料板沿整個壓輥寬度均勻分布，將原來分散的、沒有一定形狀的生物質原料在壓模和壓輥的強制壓力作用下，靠機械與生物質原料之間及生物質原料之間相互磨擦產生的熱量，使木質素軟化，經擠壓成型而得到具有一定形狀和規格的固體成型燃料。其加工過程可分為2個階段[16]：松散壓縮階段和壓緊階段。松散壓縮階段，原料由松散的物料被逐步排列緊密；壓緊階段，是在第一階段基礎上加大作用力和強度，使細小顆粒相互之間緊密填充而互相嚙合，壓縮成型。
2生物質固體成型燃料加工工藝
2.1工段組
本加工工藝主要包括原料粉碎、干燥、輸送、混配、喂料、成型、切斷、冷卻、計量包裝等工序，整體上可分為3個工段，即原料預處理工段、固體成型工段、輔助配套工段，具體如下：
1）原料預處理工段
原料預處理工段包括原料接收、粉碎、干燥、混配等工序。
原料接收：生物質原料自堆料場轉運至投料棚，沿著喂料輸送帶方向順序堆放，準備投料。同時，暫存部分原料，以保證原料在一個班次連續足量供應。
粗粉碎：由于農作物秸稈等生物質原料尺寸較大，不能直接用于成型加工，粗粉碎工序的主要任務是將尺寸較大的秸稈粉碎成短而細的顆粒狀原料，以備二次精細粉碎。
刮板輸送：將原料由粉碎工序輸送到精細粉碎機，經二次粉碎后，粒度小于5mm，輸送至原料倉，同時還可對原料進行自然烘干。
提升與混配：用斗式提升機將原料暫時儲存在原料倉內，在倉內安裝抄板，對原料進行攪拌與混合，保證喂料順暢，成型連續生產。
螺旋輸送：保證實現連續、均勻喂料。
2）固體成型工段
固體成型工段包括調質喂料、成型加工、切斷等工序。
調質喂料：將原料倉的粉料調質混合，連續穩定地輸送至成型設備。
固體成型：由固體成型機將原料擠壓成型。
切斷：在固體成型機內裝有可調節間隙的切刀，根據用戶需求將擠壓出的燃料切斷，便于包裝貯運。
3）輔助配套工段
輔助配套工段包括冷卻、除塵、空壓、添水、計量包裝等工序。
冷卻：從固體成型機剛出來的成型燃料溫度為75～85℃，這種狀態易破碎，不宜貯運。冷卻工序的任務是將加工成型后的高溫燃料進行降溫，使其溫度能夠達到包裝儲存的條件。整個工藝流程中配套組合冷卻機，通過冷卻工序，帶走固體成型燃料熱量和水分。
除塵：采用旋風分離、脈沖除塵清除生產加工過程中的粉塵，達到國家規定標準。
添水：根據原料的特性及含水率情況，適當添加水分進行調濕，滿足固體成型的要求。
計量包裝：對成品進行計量，實現機器包裝。
2.2工藝流程
本加工工藝流程如圖1。
工作時，原料接收后進入粉碎工序加工，通過刮板輸送、螺旋輸送裝置連續輸送，保證原料充分混合，調質均勻，水分一致。同時，根據喂料速度以及成型速度的要求，在原料揉搓粉碎裝置調制主原料，根據主原料的特性以及成型要求，在添加調制劑裝置中添加調劑原料，如粉碎后的秸稈含水量較高，則要加入花生殼，這將有利于成型。所有原料經刮板輸送裝置提升到原料混合倉，進行混合。
本工藝中專門設計壓塊燃料和顆粒燃料切換工序，可根據生產計劃實現兩種類型固體燃料生產切換。當轉換到壓塊工段時，原料將被輸送至壓塊喂料裝置，而后喂入壓塊機，成型后的壓塊燃料經過冷卻進入計量包裝裝置打包入庫；當轉換到顆粒成型工段時，物料進入二次粉碎裝置進行精細粉碎，通過輸送裝置進入強制喂料器，喂入顆粒成型機加工成顆粒燃料。
由于從顆粒成型機里出來的顆粒燃料溫度較高，需強制冷卻后，再進入顆粒燃料篩選裝置，經過篩選后，未成型或者成型不合格的顆粒將進入二次粉碎裝置，再進行成型；合格的顆粒燃料經過計量包裝裝置，稱重包裝入庫。
根據原料的特性及含水率情況，適當添加水分進行調濕，滿足固體成型的要求，另外增加高效除鐵裝置，保護成型機的關鍵部件，提高使用壽命。在粉碎階段、成型階段和冷卻階段均裝有除塵裝置，減少粉塵污染，保證生產安全。
2.3工藝特點
本工藝路線的特點如下：
1）采用連續喂料和調制喂料相結合的混配工藝。將整個生產線輸送、喂料等工序設計為連續喂料系統和調制喂料系統，主要生物質原料采用連續輸送系統，將需要調節的部分主原料或者調劑原料采用調制喂料系統。
2）在原料預處理工段選用刮板輸送工藝，在固體成型工段選用螺旋輸送工藝，提高了原料輸送效率。
3）對成型機前端的喂料結構采用變頻喂料和調質喂料整體合一，針對農作物秸稈、林業剩余物等增加強制喂料機構。
4）采用二次粉碎工藝，先對生物質原料進行粗粉碎，進入喂料系統后進行二次精細粉碎。二次粉碎工藝能夠將物料進行細粉，提高了生產率，同時在一次粉碎后經過輸送混配，能夠保證生物質原料有相同的濕度，有利于成型，解決了生物質原料復雜多樣的問題。
3生物質固體成型燃料配套設備
根據生物質原料特性與成型燃料產品的質量要求，以及上述生產工藝路線，對生物質固體成型燃料設備進行了設計研發，對粉碎機、冷凝器、除塵設備、輸送設備等配套設備進行了優化選型，提出生物質固體成型燃料主要設備匹配方案。
3.1生物質固體成型燃料成型機
3.1.1成型機原理
本機采用常溫壓縮工藝技術路線，主要利用環形壓模和與其相配的圓柱形壓輥等工作部件（壓粒器）實現成型。成型原理如圖2所示，主要有勻料器、壓輥、環模、切刀等部分組成。
工作時，生物質原料在配料倉內進行攪拌混合，調質處理，隨后螺旋供料器將物料喂入固體燃料成型機，在成型機中，勻料器將調質好的物料均勻地分配到模、輥之間。環模由電機帶動回轉，安裝于環模內的壓輥（一般2～3只）由壓模通過模輥間的物料及其間的摩擦力使壓輥自轉不公轉，由于模、輥的旋轉，將模、輥間的物料嵌入、擠壓，最后成條柱狀從模孔中被連續擠出來，再由安裝在壓模外面的固定切刀切成一定長度的顆粒燃料。
3.1.2整機結構
采用輥-模原理，能夠將各種生物質原料壓縮成顆粒燃料，主要結構如圖3所示，包括底座、成型電機、聯軸器、喂料器電機、強制喂料器、吹料器、出料口以及成型室等部分組成。
本機采用環模結構，安裝2個壓輥，固定在壓輥軸上，壓輥軸是偏心的，轉動壓輥軸即能改變模輥間隙，間隙的調整是通過轉動調隙輪來實現的。
考慮到生物質原料的復雜性、多樣性，研究設計了強制喂料器，結構如圖4，在喂料器前端采用水平螺旋進料，在后端，采用弧形強制喂料軸，并且在上面焊有強制刮板，其目的是保證物料在水平運動后垂直向下運動，同時防止物料的堆積、纏繞、反料等現象。強制刮板的排列方式按照類似雙螺旋線左右對稱排列，工作過程中，左右對稱的強制刮板同時向下輸送物料，保證弧形強制喂料軸受力均勻，而且不會使物料有向一側推移的可能。
環模的孔形、厚度和開孔率等技術參數與顆粒的生產質量和效率有著密切的關系。物料擠壓試驗表明，環模壓縮比為5.5的生產線純小時生產率比環模壓縮比為6的生產線純小時生產率提高了9.7%，但隨著環模壓縮比的降低，能耗將增加，因此本成型機的環模壓縮比設計為5.5。另外環模的孔徑太小、厚度太厚，則生產效率低下、成本費用高，反之則顆粒松散、影響質量和顆粒效果。因此，科學地選用環模的孔形和厚度等參數是高效、優質生產的前提。因此，本機環模孔形采用直形孔，環模厚度為80mm，模孔有效長度為44mm，模孔的錐形孔進口直徑為10.5mm，減壓孔的深度為8mm，直徑為8.5mm。
由于生物質原料纖維細長，粉碎粒度較大，成型機壓制室出料困難，導致生產率低下。同時，物料的惡劣特性造成成型機環模磨損過快，使用壽命短，增加了生產成本。本機環模采用合金鋼材料。
主要技術參數如表1。
3.2其他輔助設備
本項目粗加工的生物質原料要求含水率在15%～20%以內，兼顧適用性和經濟性，粗加工設計在連續喂料系統配備一臺揉搓機和一臺水滴牧草粉碎機，調節喂料系統配備一臺牧草粉碎機。根據設計要求，水滴粉碎機生產能力3～4t/h，它具有內藏式轉子結構，水滴型安裝形式，粉碎室振動，物料出篩暢通，更科學、合理，消耗配件少等優點。上部采用葉輪式喂料器喂料，通過主機電流的反饋控制可實現喂料量的自動控制。轉子的錘片為真空熔焊硬質合金錘片，采用對稱平衡排列。每副壽命可達900～1000t以上。粉碎室下部中央設有底槽，可經受錘片打擊拽引的料層重新翻動分層、打擊粉碎，可提高粉碎機的過篩能力和產量。電機和粉碎機安裝于同一底座上。底座下安裝有萬能減震墊。
冷凝器、除塵設備、輸送設備等其它配套設備按照工藝要求進行配選。
4試驗與結果分析
按照本文設計的生物質固體成型燃料加工工藝路線和相關的配套設備，建立了年產1萬t的生物質固體成型燃料生產線，主要以玉米秸、木屑為主，同時能夠加工處理麥秸、棉稈、花生殼等，生產顆粒燃料和壓塊燃料。
2008年農業部農機試驗鑒定總站對生物質固體成型燃料生產線進行了試驗檢測，并將粉碎后的物料采用人工進料方式進行單機對比試驗。
生物質原料主要以玉米秸稈為主，檢測指標包括顆粒成型率、純小時生產率、顆粒密度等。生產線以及單機條件下的測試結果如表2。
試驗結果表明，在滿負荷狀態下，生物質固體成型燃料生產線和成型機單機的生產率均超過2t/h，均達到了設計標準（1.5～2t/h），成型率、堆積密度、顆粒密度和機械耐久性均能夠滿足生物質顆粒燃料的標準要求，這表明設計的生物質固體燃料成型機能夠滿足生產要求。
在生物質固體成型燃料生產線中，顆粒燃料的純小時生產率達到2.47t/h，比單機狀態下提高了17.3%，成型率達到98%，機械耐久性達到98.5%，堆積密度和顆粒密度也明顯均高于單機狀態，結果表明采用生產線的生物質顆粒成型特性要優于單機狀態下，這說明通過對原料粉碎、輸送、喂料、成型、冷卻、計量包裝等工序的匹配和優化設計，能夠提高生產率，實現工業化、連續穩定生產。
對于單機作業，運行時間超過1h后，由于采用人工進料，勞動強度大，造成生產率明顯下降，不能滿足成型機設計要求，同時由于混合不均勻，也造成成型率和顆粒密度低。
由于在整個生產線上配套了除塵、降噪設備，在整個生產過程中測試的粉塵濃度均低于國家標準要求，噪聲小于90dB，符合國家標準要求，而在單機狀態下，噪聲、粉塵均超過了國家標準要求。
兩種條件下原料成本、設備維護、管理成本等相差不大，整個生產線的噸功耗成本比單機狀態下高14元/t，由于生產線實現了自動化生產，人工成本比單機狀態下低10元/t，因此生產線條件下每噸成型燃料成本略高于單機狀態，但由于生產率高17.3%，總的經濟效益比單機狀態下高13.3%。
5結論
本文設計了一種生物質固體成型燃料加工生產線及相關的配套設備，采用二次粉碎、連續喂料與調節喂料相結合的原料混配預處理工藝，并研究設計了帶有強制喂料器的生物質固體成型燃料模輥式成型機，建立了生物質固體成型燃料生產線。
采用本文設計的生物質固體成型燃料加工工藝以及配套設備和單機狀態下進行對比試驗，結果表明采用生物質固體成型燃料生產線的純小時生產率比單機生產狀態下提高了17.3%，成型率達到98%，經濟效益提高13.3%，堆積密度和顆粒密度均高于單機生產狀態，生產線粉塵、噪聲等生產環境指標也達到國家標準，能夠滿足設計生產要求，能實現規模化、連續穩定生產，為我國生物質固體成型燃料產業化提供了技術支撐和裝備保障。
