0、引言
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，日趨減少的不可再生資源更顯貧乏，脆弱的環(huán)境問(wèn)題日加嚴(yán)峻。從高效、優(yōu)質(zhì)和可持續(xù)發(fā)展的視角出發(fā)，充分利用農(nóng)作物秸稈可再生資源，開(kāi)發(fā)秸稈能源化利用設(shè)備是構(gòu)建資源環(huán)境和諧發(fā)展、循環(huán)經(jīng)濟(jì)型社會(huì)的必然趨勢(shì)。
我國(guó)生物質(zhì)資源十分豐富，擁有量居世界首位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)年產(chǎn)秸稈約7.8億t。目前，我國(guó)秸稈綜合利用率僅為33%，其中，經(jīng)過(guò)技術(shù)處理后利用的僅占2.6%。現(xiàn)階段其用途主要為：秸稈還田、牲畜飼料、替代能源和工業(yè)原料，約12.7%的剩余秸稈被就地焚燒，引起了越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境污染和社會(huì)問(wèn)題。
農(nóng)作物秸稈的能源化利用具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ瑩?jù)專(zhuān)家估算，可以作為發(fā)電利用的農(nóng)作物秸稈資源量約為2.3億t標(biāo)準(zhǔn)煤，農(nóng)作物秸稈的能源化利用對(duì)提高可再生能源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的比例，促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)改善和經(jīng)濟(jì)、環(huán)境可持的發(fā)展，尤其是對(duì)提升我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和環(huán)境質(zhì)量，建設(shè)和諧社會(huì)具有重要的意義。
發(fā)達(dá)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)表明：農(nóng)作物秸稈用于肥料、飼料、基料、原料和燃料是其資源化的有效途徑。生物質(zhì)固化成型技術(shù)能使秸稈的燃燒效率達(dá)到90%，比傳統(tǒng)的燃燒效率高4倍，更重要的是它不但可替代污染嚴(yán)重，資源有限的燃煤等化石能源，而且這種固化燃料在燃燒的過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢水、固體廢棄物，就連燃燒剩余物，也可以用做最優(yōu)質(zhì)的鉀肥。
1、原理及現(xiàn)狀
生物質(zhì)致密成型技術(shù)是指具有一定粒度的秸稈、稻殼、鋸屑、樹(shù)枝等干燥后在一定的壓力作用下（加熱或不加熱），可連續(xù)擠壓制成棒狀、粒狀、塊狀等各種
生物質(zhì)顆粒燃料的加工工藝。生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，當(dāng)溫度達(dá)到70～100℃，木質(zhì)素開(kāi)始軟化，并有一定的黏度。當(dāng)達(dá)到200～300℃時(shí)，呈熔融狀，黏度變高。此時(shí)若施加一定的外力，可使它與纖維素緊密黏結(jié)，使體積減少，密度增加，取消外力后，由于非彈性纖維分子間的相互纏繞，使其仍能保持給定形狀，冷卻后強(qiáng)度進(jìn)一步增加，成為生物質(zhì)顆粒燃料，富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售的
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)專(zhuān)業(yè)壓制農(nóng)作物秸稈成型顆粒燃料，農(nóng)作物秸稈壓制的顆粒燃料如下所示：
早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)就開(kāi)始研究壓縮燃料成型技術(shù)，并研制了螺旋式成型機(jī)。日本于20世紀(jì)50年代從國(guó)外引進(jìn)成型技術(shù)并進(jìn)行了改進(jìn)，80年代開(kāi)始，日本對(duì)生物質(zhì)壓縮生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)行了探討，進(jìn)一步改進(jìn)了壓縮生物質(zhì)顆粒燃料技術(shù)，1984年日本的生物質(zhì)壓縮生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)總量達(dá)2.6 x105 t。世界能源危機(jī)后，西歐許多國(guó)家開(kāi)始重視壓縮生物質(zhì)顆粒燃料技術(shù)的研究。比利時(shí)研制成功的T117型螺旋壓塊機(jī)，其設(shè)備的主要性能力：壓塊燃料出模溫度180℃，軸向壓縮力大于686kN，壓塊移動(dòng)速度1700～2500mm/min，耗能量45～55 kWh/t。聯(lián)邦德國(guó)研制的KAHI系列壓粒機(jī)可生產(chǎn)直徑為3～40 mm的壓縮粒，所用電機(jī)的功率為20～400 kW，能耗為15～40 kWh/t。
“七五”計(jì)劃期間，我國(guó)一些科研院所和企業(yè)開(kāi)始對(duì)生物質(zhì)致密成型機(jī)及生物質(zhì)成型理論進(jìn)行研究。但由于設(shè)備的運(yùn)行成本及易損件的壽命和市場(chǎng)問(wèn)題，發(fā)展緩慢。進(jìn)入21世紀(jì)，化石能源價(jià)格連續(xù)攀升，環(huán)境污染日益加劇，國(guó)家開(kāi)始重視對(duì)各種可再生能源的開(kāi)發(fā)，生物質(zhì)生物質(zhì)顆粒燃料進(jìn)入良好發(fā)展階段。
目前已研制成功的成型設(shè)備主要有螺旋擠壓式成型機(jī)、活塞沖壓式成型機(jī)和壓輥式顆粒成型機(jī)。很多研究者仍然在對(duì)現(xiàn)有的成型設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)率高、能耗低的目的。黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的9YK-1000型生物質(zhì)壓塊設(shè)備就是一個(gè)高效、低耗的產(chǎn)品。
2、設(shè)備介紹及比較
我國(guó)目前己投放市場(chǎng)有代表性的幾種模式的壓縮成型設(shè)備主要有：
(1)遼寧省能源研究所在國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目支持下研制成功的BIO-15型螺旋擠壓式生物質(zhì)致密成型機(jī)組以木屑、秸稈、稻殼等生物質(zhì)為原料生產(chǎn)中空棒狀燃料，棒狀燃料經(jīng)碳化后可制成優(yōu)質(zhì)木炭。主要技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，單位產(chǎn)品能耗100kWh/t左右，主要易損件壽命達(dá)到500h以上。
(2)鞏義市宇航機(jī)械廠、鄭州市福華機(jī)械制造有限公司都是生產(chǎn)螺旋擠壓式木炭機(jī)系列設(shè)備的專(zhuān)業(yè)廠家，其設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，單位產(chǎn)品能耗100kWh/t左右，主要易損件壽命達(dá)到400h以上。
河南農(nóng)業(yè)大學(xué)在科技部重大科技攻關(guān)項(xiàng)目和技術(shù)成果轉(zhuǎn)化資金的支持下完成了4代活塞液壓式秸稈成型機(jī)的研制，設(shè)備已轉(zhuǎn)讓洛陽(yáng)恒生能源設(shè)備有限公司、江蘇蘇州工業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)等四家企業(yè)生產(chǎn)。
(3)洛陽(yáng)恒生能源設(shè)備有限公司生產(chǎn)的HPB-Ⅳ型活塞液壓式生物質(zhì)成型機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，特別是單位產(chǎn)品能耗已降至60 kWh/t左右，主要易損件壽命達(dá)1000 h以上。
(4)蘇州恒輝生物能源開(kāi)發(fā)有限公司的主要產(chǎn)品為HPB-V型液壓活塞式生物質(zhì)成型機(jī)，技術(shù)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，能耗80 kWh/t。
(5)北京盛昌綠能科技有限公司研制開(kāi)發(fā)的兩個(gè)系列生物質(zhì)顆粒成型設(shè)備處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，環(huán)模壽命500 h以上，生物質(zhì)顆粒產(chǎn)量l~2t/h，單位生產(chǎn)能耗不大于70kWh/t，成型率大于90%，設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命大于10年。
(6)上海申德機(jī)械有限公司專(zhuān)業(yè)從事飼料機(jī)械的設(shè)備生產(chǎn)，目前已涉足木質(zhì)顆粒生產(chǎn)領(lǐng)域，輥模碾壓式成型設(shè)備生產(chǎn)率1.2 t/h，單位生產(chǎn)能耗不大于90 kWh/t．成型率大于90%，設(shè)備經(jīng)濟(jì)壽命大于10年。
(7)合肥天焱綠色能源開(kāi)發(fā)有限公司是專(zhuān)業(yè)從事綠色能源開(kāi)發(fā)及產(chǎn)品研究制造的高科技公司，2004年開(kāi)發(fā)的機(jī)械沖壓式生物質(zhì)秸稈成型機(jī)產(chǎn)量1000 kg/h，動(dòng)力60 kW。棒料規(guī)格：直徑75 mm，棒料密度1.0~1.4 g/cm3，
由此可以看出，螺旋熱擠壓式成型技術(shù)單位產(chǎn)品能耗高，一般為100 kWh/t左右；螺桿首端承磨面磨損嚴(yán)重，平均壽命僅有60—80 h，采用特殊工藝強(qiáng)化處理后可達(dá)400—500 h，但成本高，用戶(hù)難以接受；原料含水率難以控制，適于加工木屑、稻殼、棉桿等木質(zhì)生物質(zhì)原料。可進(jìn)一步碳化，制成機(jī)制木炭。
活塞沖壓式成型技術(shù)一般不用電加熱。產(chǎn)品為實(shí)心燃料棒或燃料塊，密度稍低，介于0.8～1.1 g/cm3之間，容易松散；原料為豐富的農(nóng)作物秸稈，來(lái)源廣泛；成型機(jī)對(duì)原料的粉碎要求低。要求范圍為1～100 mm；但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行穩(wěn)定性差，故障率高，生產(chǎn)率不高，產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定；單位能耗，一般為60～80kWh/t左右。
環(huán)模輾壓技術(shù)是借鑒飼料機(jī)械技術(shù)發(fā)展而來(lái)的，目前廣泛應(yīng)用于以木屑、玉米和棉花秸稈為原料的生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)，對(duì)原料水分的適應(yīng)性也較強(qiáng)，含水率15% ~25%的物料都能被壓縮成型，自動(dòng)化程度高，單機(jī)產(chǎn)量大，適于規(guī)模化生產(chǎn)。但投資規(guī)模較大，環(huán)模、壓輥易損件磨損嚴(yán)重。對(duì)稻草、麥草成型較為困難；單位能耗高，一般為80～90kWh/t左右
平模輾壓成型技術(shù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、易于維修維護(hù)；但所配輔助設(shè)備相比環(huán)模制粒多；相對(duì)電耗多于環(huán)模；受模具限制，產(chǎn)量低于環(huán)模機(jī)。
機(jī)械沖壓成型技術(shù)比較國(guó)內(nèi)其它生物質(zhì)成型技術(shù)和設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，原料適應(yīng)性強(qiáng)，易損件壽命長(zhǎng)，單位能耗低，一般為60kWh/t左右
TYK - 1000A秸稈壓塊機(jī)可以將各種農(nóng)作物秸稈和森林采伐剩余物經(jīng)粉碎、除塵、壓縮、定型等工序，把松散的原料壓縮成體積小、密度大的一種致密成型設(shè)備。該設(shè)備采用螺旋預(yù)壓預(yù)熱，活塞沖壓，二級(jí)壓縮工藝。解決了普遍壓塊機(jī)對(duì)物料含水率要求較高和模具易磨損的不足，該設(shè)備具有能耗低、效率高、機(jī)械運(yùn)行壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。成品棒經(jīng)高溫壓縮、殺蟲(chóng)滅菌、熟化使其組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生變化，作牛、羊、鹿等反芻動(dòng)物的粗飼料，適口性好、易消化。成品棒也可替代煤、油等常規(guī)能源、應(yīng)用于供熱采暖及生物質(zhì)發(fā)電廠的發(fā)電原料。該設(shè)備已獲國(guó)家專(zhuān)利。
本成型機(jī)采用了先預(yù)壓后沖壓的二級(jí)壓縮方式，物料在螺旋輸送機(jī)的強(qiáng)制推動(dòng)下送人主機(jī)預(yù)壓室，使物料密度達(dá)到0.2～0.25g/cm3，同時(shí)降低了沖壓成型的負(fù)荷和行程，便于下一步的沖壓成型。然后由曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)的雙活塞式?jīng)_壓系統(tǒng)將兩個(gè)預(yù)壓室內(nèi)的物料進(jìn)行交替沖壓，同時(shí)沖模上增加了自動(dòng)控溫的加熱裝置，自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用使成型機(jī)能夠根據(jù)不同原料的物理特性，選擇相應(yīng)的加熱溫度、進(jìn)料速度和沖壓頻率，使設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，加快木質(zhì)素軟化和黏結(jié)速度，進(jìn)一步降低成型能耗，提高成型質(zhì)量；使物料連續(xù)不斷地從成型系統(tǒng)的型孔中擠出，最后經(jīng)過(guò)冷卻保型形成直徑75 mm的壓塊。
目前使用的沖模型孔直徑和長(zhǎng)度都是固定的，因此壓縮比也是固定的，這樣的型孔設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足多種物料在不同含水率下的成型需要。壓縮比設(shè)計(jì)過(guò)大，會(huì)造成物料無(wú)法從型孔中擠出，并且會(huì)損壞機(jī)器；壓縮比設(shè)計(jì)過(guò)小會(huì)造成壓縮密度不夠，成型困難，易松散等缺陷。所以本課題創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種壓縮比可調(diào)節(jié)的新型沖模型孔結(jié)構(gòu)，該型孔結(jié)構(gòu)將原來(lái)型孔的直孔部分從中間水平剖開(kāi)，然后再用上下兩個(gè)壓板壓上，并用螺栓緊固，隨著螺栓壓緊程度的不同改變孔徑的形狀及大小，從而實(shí)現(xiàn)改變壓縮比的目的。
通過(guò)采取上述措施，使設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，提高了生產(chǎn)效率及原料適應(yīng)性，提高了壓塊質(zhì)量；同時(shí)大幅提高了設(shè)備使用壽命，沖頭壽命達(dá)1000h以上；降低了設(shè)備單位能耗，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試其能耗僅為25kWh/t，考慮到不同物料的影響其綜合單位能耗應(yīng)在30～40 kWh/t。
3、結(jié)論
TYK-1000A秸稈壓塊機(jī)通過(guò)先螺旋擠壓進(jìn)行預(yù)壓縮，再由機(jī)械沖頭完成沖壓，中間配以自動(dòng)控溫的加熱裝置，實(shí)現(xiàn)了降低單位能耗，提高使用壽命的目的；由于采用了壓縮比可調(diào)節(jié)的新型沖模型孔結(jié)構(gòu)，使設(shè)備對(duì)原料的適應(yīng)性，有了大的提高。同時(shí)可以看出該設(shè)備畢竟是新研制的，還缺乏長(zhǎng)時(shí)間的使用考核。
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