0、引言
近100年來，全球能源消耗平均每年以3%的速度遞增，隨著化石能源資源的越來越少，顯示出了農村可再生能源資源巨大的市場潛力。國際上生物質能源的廣泛利用在多次世界性石油危機中被重新認識和發(fā)展。中國是一個農業(yè)大國，8億多人口生活在農村，農村能源尤其優(yōu)質能源普遍短缺。農村能源70%來自生物質能，中國生物質資源非常豐富，資源總量達6.5億t標準煤以上。由于生物質結構疏松，能量密度低，燃燒效率低，由于找不到合理的利用方式，大量的秸稈被遺棄荒燒，造成了空氣環(huán)境的嚴重污染，對社會、經濟、環(huán)境和生態(tài)等造成了嚴重的不良影響。生物質能源是清潔的、可再生能源，開發(fā)利用中國豐富的生物質能源，不僅可以有效地解決秸稈焚燒污染及能源浪費問題，而且對改善還農民的生活水平、彌補化石能源的短缺、保護生態(tài)環(huán)境、提高農業(yè)人口的經濟效益、實現國家農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。
為開發(fā)和利用國內以秸稈為主的生物質能源，河南農業(yè)大學于1995年5月對活塞套筒式生物質成型機進行了立項研究，1998年6月研制成功了HPB-1型生物質成型機，并經過不斷的技術改進，最近兩年又成功地研制出了能耗低、生產率高的HPB-III型液壓式生物質成型機，并配套了秸稈成型燃料生產線所需的技術和設備。
1、HPB-11型生物質成型機工作過程
1.1工作原理
該系統是在不加任何粘結劑的條件下對生物質進行熱壓成型的，生物質之所以能夠成型主要是由于生物質中木質素的存在。木材中木質素的含量為27%～32%（絕干原料），禾草類植物木質素含量為14%～25%。由X射線衍射知道，木質素屬非晶體，沒有熔點，但有軟化點，經試驗，在一定的壓力下，當溫度在70～100℃時其粘合力開始增加，溫度在200～300℃時可以熔融，熱壓成型的合適溫度為140～200℃。該成型機是采用液壓驅動往復活塞雙向擠壓成型機構，在該溫度下，通過雙出桿油缸兩端的沖桿擠壓成型套筒中的生物質，由于外力的作用，生物質顆粒開始重新排列位置關系，并發(fā)生機械變形和塑性流變。在垂直于最大應力方向上，粒子主要以相互嚙合的形式結合，而在垂直于最小應力方向上，粒子主要以相互靠緊結合的形式結合。隨外力的增大，生物質體積大幅度減少，密度顯著增大，生物質內部膠合外部焦化，并具有一定的形狀和強度。在沖桿的推擠作用下，生物質成為棒狀從兩端成型套筒中交替擠出，成為既定形狀。由于采用了液壓驅動，所以成型機的運行穩(wěn)定性好，噪音比較小，操作環(huán)境得到了明顯改善。
1.2成型燃料生產線技術路線
秸稈生物質成型燃料生產線的生產是將收集的秸稈生物質先通過太陽能干燥系統進行自然脫水，通過輸送帶進入
粉碎機，粉碎后的秸稈由氣力輸送裝置送入原料庫，再由輸送帶送入秸稈生物質成型機中即可得到成型燃料產品。
成型燃料生產線的工藝流程是：
太陽能干燥或直接曬干→輸送帶→
秸稈粉碎機→原料庫→輸送帶→攪龍預壓喂入→生物質成型機（包括
顆粒機、
秸稈壓塊機、飼料顆粒機等）→→冷卻→包裝→成品貯存
1. 3成型燃料生產線的配套設備
成型燃料生產線設備包括太陽能干燥系統、秸稈粉碎機、生物質成型機、生物質燃燒爐、包裝機等；生產線采用的原料主要是秸稈類生物質，如玉米秸稈、豆秸、稻草、棉稈、樹枝、木屑等；生產線的關鍵設備是生物質成型機。
2試驗研究
2.1試驗目的
本試驗主要將HPB -III型生物質成型機的單位產品能耗和生產率作為研究對象，以降低其能耗，提高
生產率為目的，探討部分成型參數和物料特性對單位產品能耗和生產率影響的規(guī)律，對HPB-III型生物質成型機成型部件的進一步改進設計及提高綜合經濟效益提供依據。
2.2試驗器材及材料
HPB-III型生物質成型機、粉碎機、電熱干燥箱、分析天平、臺秤、溫度計、濕度計、測溫儀、游標卡尺、電度表、秒表、玉米秸稈、麥秸等。
2.3試驗地點
在新鄉(xiāng)七里營、新鄭等地，結合當地實際情況進行HPB -III型生物質成型機的各項試驗。
2.4試驗數據的測試
(1)生產率Ｗ
P
在機器正常運轉的情況下，測出單位時間T，內生產的成型棒質量W1，計算其生產率Ｗ
P
Ｗ
P=W
1/T
1（t/h）
式中，W
1一單位時間內生產的成型棒質量，t；
T
1一測試單位時間，h。
(2)單位產品能耗E
單位產品能耗定義生產每t成型棒所消耗的各種能量的總和。
E=E
1/W（kwh/t）
式中，E
1一單位時間Ti內各種能量的總和，kWh;
W為單位時間T，內生產的成型棒質量，t。
(3)生物質成型棒密度p
p=W
2/V(t/m
3)
式中，W
2一成型棒試樣的質量，t；v為成型棒試樣的體積，m
3。
(4)機械性能參數
從控制臺相應儀表上讀出HPB-III型生物質成型機工作時的電壓、電流、油壓、油溫以及成型加熱溫度。
(5)原料含水率、粒度和密度的測定采用常規(guī)分析方法
2.5試驗結果及分析
2.5.1試驗結果
試驗的生韌質原料為粉碎后的玉米秸稈，經自然干燥后含水率為12%～14%，原料粒度為2～30mm，在HPB-III型生物質成型機上進行成型試驗，成型溫度為260℃，環(huán)境溫度為24～26℃，環(huán)境濕度為65%（剛下過雨），試驗結果列于表1。
表1 生物質成型試驗結果
|
測試指標 |
成型塊直徑 |
成型塊直徑 |
|
75mm |
125mm |
|
加熱套表面溫度/℃ |
263（左） |
271（右） |
270（左） |
282（右） |
|
油箱溫度表讀數/℃ |
47.3 |
48 |
|
進油管表面溫度/℃ |
46 |
47.5 |
|
回油管表面溫度/℃ |
48 |
48.5 |
|
進料口成型塊尺寸（D*L）/mm |
88.1*93.6 |
138*87.5 |
|
常溫時成型快尺寸（D*L）/mm |
89.7*94.9 |
141*89.2 |
|
常溫時成型塊重量/kg |
0.59 |
1.103 |
|
常溫時成型塊密度/g·cm3 |
0.983 |
0.787 |
|
生產率/KG·h-1 |
223.6 |
468.7 |
|
單位產品能耗/kwh·t-1 |
92.5 |
58.6 |
2.5.2試驗研究分析
從表1可以看出，在成型機整個生產期間，無論是進油管、回油管還是油箱，它們的溫度都比較低。根據現場生產情況來看，液壓油的溫度都隨時間的延長略有升高，升高之后的值是在成型機液壓系統允許范圍之內的。這就說明HPB -III型生物質成型機的液壓系統的設計是符合要求的。
成型機的加熱套表面溫度穩(wěn)定在270℃左右。成型燃料塊的尺寸是成型機活塞一個行程擠出的棒塊尺寸。在常溫狀態(tài)下，直徑為75mm成型塊的密度為0. 983g/cm
3，直徑為125mm成型塊的密度為0.787g/cm
3。成型燃料塊的燃燒性能優(yōu)于松散的薪柴和秸稈。這是因為它的密度增大，燃燒時更近似“顆粒燃燒模型”。生物質固體燃料的理想燃燒方式應遵“顆粒燃燒模型”。按照這種燃燒方式，生物質成型燃料塊燃燒產生的溫度高，熱量利用率高，溫度比較恒定。
HPB-III型生物質成型機生產75mm成型塊時，因為成型塊直徑較水，所以生產效率比較低，生產率為223. 6kg/h，單位產品能耗為92. 5kWh/t：麗生產125mm成型塊時，由于改成型塊商徑較大，所以生產效率較高，其生產率為468.7 kg/h，單位產品能耗為58. 6kWh/t。目前國內現有的螺旋式成型機主要是靠螺旋桿的轉動推進生物質逐層成型的，生產率為150kg/h左右。螺旋桿的前段和頭部在整個推擠過程中與生物質之間一直高速回轉運動，增加了單位產品的能耗，一般為100～125kWh/t。對比可以得出，HPB-III型生物質成型機生產75mm或者125mm成型塊時，其生產率較高，單位產品能耗較低，具有比較明顯的優(yōu)勢。
3經濟性能分析
該機經濟性能采用動態(tài)評價方法，分別選用凈現值(NPV)、動態(tài)投資回收期(T)、益本比(B/C)及內部收益率(FIRR')進行評價，結果列于表2。
表2 經濟效益分析
|
評價指標 |
75mm直徑 |
125mm直徑 |
|
凈現值NPV/萬元 |
19.0711 |
29.7045 |
|
內部收益率FIRR/% |
34 |
41.32 |
|
益本比B/C |
1.32 |
1.38 |
|
投資回收期T/年 |
3.46 |
2.76 |
由表2可以看出，當HPB-III型生物質成型機生產的成型塊直徑為75mm時，其凈現值NPV—19.071萬元>0，內部收益率_FIiRR-34%>12%，益本比B/C -1. 32>1， 動態(tài)投資回收期T為3. 46年，各項評價指標均表明該機已有較好的經濟性能。而當該機生產直徑125mm成型燃料塊時．，其凈現值(NPV)、內部收益率(FIRR)及益本比(B/C)均比生產直徑75mm成型燃料塊時大，動態(tài)投資回收期T也比生產75mm成型燃料塊時短，各項評價指標更憂，其經濟性能后者優(yōu)予前者。因此，HPB-III型生物質成型機的經濟性能比較顯著。有較好的投資前景，在常姍能源相對缺乏、生物質原料充足、經濟條件相對較好的農村、多鎮(zhèn)進行推廣，具有顯著的經濟效益和廣闊的應用前景。
4、結論
HPB-III型生物質成型機能投比低，效率高，工作平穩(wěn)，設計合理，結構新穎，可有效降低單位產品能耗。延長易損件的使用壽命。它為開發(fā)和利用以秸稈為主的生物質能源提供了有效途徑，減輕直接燃燒作物秸稈造成的環(huán)境污染，具有顯著的經濟效益和環(huán)保效益。所以根據目前國內外生物質能源的利用現狀及未來可再生能源的發(fā)展趨勢，生物質成型燃料生產線在中國農村、城鎮(zhèn)中進行產業(yè)化生產將有著廣闊的應用前景。
三門峽富通新能源生產銷售顆粒機、秸稈壓塊機、飼料顆粒機、秸稈顆粒機、木屑顆粒機等生物質燃料飼料成型機械設備。同時我們也有大量的生物質顆粒燃料出售。
