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摘 要： 論述了以木質(zhì)為原料制取顆粒成型燃料的工藝過(guò)程和內(nèi)壓滾動(dòng)式成型機(jī)的結(jié)構(gòu)以及成型條件。研究開(kāi)發(fā)的成型機(jī)以木屑為原料生產(chǎn)能力達(dá)250
kg/h，當(dāng)顆粒成型燃料作為家庭取暖爐用時(shí)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和明顯的社會(huì)效益。
中圖分類號(hào)：S 789 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0253-2417(1999)03-0025-06
STUDY
ON TECHNOLOGY OF PELLETIZATION OF FUEL
FROM FOREST RESIDUES
JIANG Jian-chun1，
LIU Shi-cai1， DAI
Wei-di1， TAO Yuan-bo1，LIU Han-cao,
XU jian-hua2， PANG Jia-liang2，
SHEN Wei2， JIANG
Wei-zhong2
(1.Research Institute of Chemical Processing and Utilization of Forest
Products, CAF,
Nanjing 210042, China；2.Jiangsu Zhengchang
Group, Liyang, Jiangsu 213300， China)
Abstract:
The paper discussed the technological process of pelletization of woody
fuel, along with moulding condition and structure of moulding machine.
The production capacity of moulding machine with sawdust as raw material
arrives to 250 kg/h.Used as house heating-fuel, the pelleted fuels can
make good economical benefits and obvious social benefits.
木質(zhì)壓縮成型燃料，是以木屑、樹(shù)皮等林業(yè)剩余物為原料，在高壓(49～196 MPa)、加熱條件下，壓縮成棒狀、顆粒狀且質(zhì)地堅(jiān)實(shí)的成型物，可作為工業(yè)鍋爐、民用爐灶和工廠、家庭取暖爐以及農(nóng)業(yè)暖房的燃料，也可進(jìn)一步加工成木炭或活性炭。在作為工業(yè)鍋爐燃料時(shí)，可直接用鏈條爐等爐型，而不必進(jìn)行鍋爐改造等。由于成型燃料除具有比重大(通常＞1.0)、便于貯存和運(yùn)輸、著火易、燃燒性能好、熱效率高的優(yōu)點(diǎn)外，還具有灰分小，燃燒時(shí)幾乎不產(chǎn)生SO2，不會(huì)造成環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，在世界上堪稱為一種理想燃料，有著廣闊的市場(chǎng)前景。
國(guó)外木質(zhì)壓縮成型燃料的開(kāi)發(fā)工作始于40年代，1948年日本申報(bào)了利用木屑為原料生產(chǎn)棒狀成型燃料的第一個(gè)專利，50年代初生產(chǎn)了商品化棒狀成型機(jī)，60年代成立了木質(zhì)成型燃料行業(yè)協(xié)會(huì)。70年代初，美國(guó)研究開(kāi)發(fā)了內(nèi)壓滾筒式顆粒成型機(jī)，并在國(guó)內(nèi)形成大量生產(chǎn)，年生產(chǎn)顆粒成型燃料能力達(dá)80萬(wàn)t以上，1985年生產(chǎn)成型燃料達(dá)200萬(wàn)t以上
；日本1982年棒狀成型燃料生產(chǎn)能力達(dá)20萬(wàn)t，1985年平均每戶消耗成型燃料達(dá)750 kg，1988年僅家用成型燃料就達(dá)25萬(wàn)t。瑞士、瑞典、西歐等發(fā)達(dá)國(guó)家也先后開(kāi)發(fā)研究了壓縮成型燃料。
我國(guó)木質(zhì)壓縮成型燃料開(kāi)發(fā)研究工作起步較晚，1990年中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所與東海糧食機(jī)械廠合作，完成了國(guó)家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目――木質(zhì)棒狀成型機(jī)的開(kāi)發(fā)研究工作，并建立了1000
t/a棒狀成型燃料生產(chǎn)線，隨后，全套機(jī)械出口馬來(lái)西亞、埃塞俄比亞、印度尼西亞等國(guó)。同年，東南大學(xué)和江蘇省科技情報(bào)所也開(kāi)發(fā)研究了棒狀成型機(jī)。至于木質(zhì)顆粒成型燃料生產(chǎn)技術(shù)，在本研究之前，尚未見(jiàn)報(bào)道。
生產(chǎn)成型燃料是有效地利用木質(zhì)廢料(木塊、木粉、刨花、木屑等)，以提高燃料品位和燃燒熱效率、減少對(duì)化石能源的使用。顆粒成型燃料與棒狀成型燃料相比，具有生產(chǎn)時(shí)原料含水率可擴(kuò)大(至24
%)，燃燒的適應(yīng)面更廣(可直接用于大型鍋爐)等特點(diǎn)。
1 成型機(jī)基本結(jié)構(gòu)和模孔尺寸
成型機(jī)是生產(chǎn)顆粒成型燃料的關(guān)鍵設(shè)備。美國(guó)、日本生產(chǎn)顆粒成型燃料的主要設(shè)備是內(nèi)壓滾筒式成型機(jī)，成型原理示意圖如圖1。該設(shè)備主要由環(huán)模、壓輥、進(jìn)料刮板、切刀等組成。操作時(shí)，主軸傳動(dòng)環(huán)模(1)帶動(dòng)壓輥(2)旋轉(zhuǎn)，原料經(jīng)進(jìn)料刮板(3)被卷入環(huán)模和壓輥之間，兩者相對(duì)旋轉(zhuǎn)對(duì)原料逐漸擠壓，并擠入環(huán)?？?，在?？?5)中成型，并不斷向孔外擠出，再由切刀(4)按所需長(zhǎng)度切斷成型顆粒。
圖1 成型原理示意圖
Fig.1 Illustrated moulding
principle
(1)環(huán)模annulus
mould;(2)壓輥nip
roll;(3)進(jìn)料刮板feed
scraper;(4)切刀cutter；(5)?？?/font>mould hole
江蘇省溧陽(yáng)市正昌集團(tuán)公司，是全國(guó)最大、最早生產(chǎn)飼料顆粒成型機(jī)的公司，林化所與該公司合作后，對(duì)基本型的飼料顆粒成型機(jī)的機(jī)體及傳動(dòng)等主要部件的強(qiáng)度、速度等計(jì)算后，采用了KYW32型飼料顆粒成型機(jī)基本結(jié)構(gòu)作為本研究成型機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。圖2為KYW32型成型機(jī)的基本結(jié)構(gòu)。它是由進(jìn)料、攪拌、成型、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。操作時(shí)，是將原料從料斗(4)進(jìn)入進(jìn)料器(5)，由無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)(3)調(diào)速，定量的原料進(jìn)入攪拌器(7)與從蒸汽進(jìn)口(6)進(jìn)入蒸汽混合后，由下料槽(2)進(jìn)入成型機(jī)的成型室(1)壓制成成型顆粒。該生產(chǎn)過(guò)程所需功率，主電機(jī)(9)為37
kW，進(jìn)料器的調(diào)速機(jī)(3)為0.55 kW，攪拌器的電機(jī)(8)為2.2 kW。
圖2 KYW32型成型機(jī)基本結(jié)構(gòu)
Fig.2 Basic structure
of KYW32 moulding machine
(1)成型室moulding
chamber;(2)下料槽laying-off
gutter;(3)調(diào)速電機(jī)speed
adjustable motor;(4)料斗hopper;(5)進(jìn)料器feeder;(6)蒸汽進(jìn)口steam inlet;(7)攪拌器agitator;(8)電機(jī)motor;(9)主電機(jī)main motor;(10)主傳動(dòng)箱main transmission case
由于顆粒成型飼料和顆粒成型燃料所用原料不同，所以成型條件也不一樣。從設(shè)備結(jié)構(gòu)看，其重要條件是環(huán)模的?？捉Y(jié)構(gòu)和尺寸，成型燃料?？捉Y(jié)構(gòu)示意圖如圖3。?？拙哂胁煌倪M(jìn)口，中央直徑和出口，入口直徑D和中央直徑d的平方比，主要決定成型壓力。入口角度α和L/D，因不同木質(zhì)原料而不同
。根據(jù)不同原料成型工藝要求，采用了4 種?？捉Y(jié)構(gòu)和尺寸，入口角度α=30°和60°，中央直徑d=? 6 mm，長(zhǎng)度L=40 mm和45 mm進(jìn)行了試驗(yàn)，最后確定了能滿意生產(chǎn)顆粒成型燃料時(shí)的模孔結(jié)構(gòu)和尺寸如下：
α=60°，d=? 6 mm，d′=? 6.5 mm，L=40 mm
模孔開(kāi)孔率(環(huán)模內(nèi)徑? 320 mm，寬度90 mm上，開(kāi)孔10排，每排108孔)33%。
圖3 ?？捉Y(jié)構(gòu)示意圖
Fig.3 The structure
of moulding hole
2 成型工藝條件試驗(yàn)
木屑等木質(zhì)原料在成型過(guò)程中，成型機(jī)結(jié)構(gòu)、環(huán)?？捉Y(jié)構(gòu)以及成型工藝是相關(guān)的，在確定了成型機(jī)結(jié)構(gòu)和環(huán)?？捉Y(jié)構(gòu)后，成型工藝成了技術(shù)關(guān)鍵，對(duì)不同原料、不同成型工藝試驗(yàn)表明：成型壓力、溫度、原料粒度和含水率是影響成型燃料生產(chǎn)的主要因素。
成型工藝試驗(yàn)流程如圖4。
圖4 成型工藝試驗(yàn)流程
Fig.4 The technological
process of moulding experiment
(1)水槽flume;(2)多級(jí)離心泵multi-stage centrifugal
pump;(3)電蒸汽發(fā)生器electric steam-generator;(4)減壓閥reducing valve;(5)進(jìn)料器feeder;(6)蒸汽入口steam inlet;(7)攪拌器agitator;(8)成型室moulding chamber;(9)疏水器steam trap;(10)緩沖器bumper
水槽(1)的水，經(jīng)多級(jí)離心泵(2)，泵入操作壓力296～395 kPa電蒸汽發(fā)生器(3)內(nèi)，由發(fā)生器(3)產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)減壓閥(4)進(jìn)入攪拌器(7)的蒸汽入口(6)，與進(jìn)料器(5)進(jìn)入的原料混合進(jìn)行調(diào)質(zhì)，提高原料溫度和調(diào)整含水率，使原料溫度和含水率在進(jìn)入成型機(jī)成型室(8)時(shí)，符合工藝要求。少量冷凝水經(jīng)緩沖器(10)和疏水器(9)排出。按圖4流程進(jìn)行了成型工藝條件的試驗(yàn)。代表性工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。
表1 代表性工藝條件試驗(yàn)表
Table 1 Main technological condition of experiments
試驗(yàn)號(hào)
number |
原料種類
variety of raw
material |
增濕后原料含水率*(%)
moisture content of raw
material after steaming |
在攪拌器中加入蒸汽量(kg/h)
steam quantity added
in agitator |
進(jìn)入成型室時(shí)原料溫度(℃)
temperature of raw material
entering moulding chamber |
| 1 |
木屑sawdust |
16 |
10 |
60 |
| 2 |
木屑sawdust |
18～22 |
18～22 |
70～85 |
| 3 |
木屑+2
%廢機(jī)油
sawdust+2 % waste oil |
18 |
18 |
75 |
| 4 |
木屑sawdust |
|
|
25 |
| 5 |
木屑sawdust |
13～14 |
6 |
40 |
| 6 |
刨光粉wood
powder |
18～22 |
18～22 |
70～85 |
| 7 |
刨光粉+5
%堿木質(zhì)素wood powder+5 % alkali lignin |
18～22 |
18～22 |
70～85 |
| 8 |
刨光粉+3
%木屑wood powder+30 % sawdust |
18～22 |
18～22 |
70～85 |
試驗(yàn)號(hào)
number |
成型顆粒情況pellet |
生產(chǎn)能力(kg/h)
production capacity |
主電機(jī)運(yùn)行功率(kW)
power of main motor |
| 強(qiáng)度strength |
表面surface |
長(zhǎng)度length(mm) |
| 1 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
200 |
26.3
|
| 2 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
250 |
29.6 |
| 3 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
250 |
26.63 |
| 4 |
|
不成型
not pelleted |
|
200 |
＞37
|
| 5 |
|
不成型
not pelleted |
|
200 |
19.7 |
| 6 |
較大better |
較好better |
～4 |
200 |
26.3
|
| 7 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
200 |
26.3 |
| 8 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
200 |
26.3 |
*：①原料粒度：除刨光粉為150目以外，其余均＜2 mm；
0②增濕前：即原料原始含水率，一般為氣干，含水率11 %～12 %，顆粒強(qiáng)度大，指符合產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)一級(jí)或特級(jí)(另見(jiàn)顆粒成型燃料企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))。
增濕后：即原料在攪拌器中與進(jìn)入蒸汽混和增濕后的含水率，此為進(jìn)入成型機(jī)成型室時(shí)的原料含水率。
2.1 成型壓力和溫度
由木質(zhì)素、半纖維素、纖維素組成的木屑等木質(zhì)原料，由于木質(zhì)素在加熱下可塑化，具有粘結(jié)性，可將木質(zhì)原料中的半纖維素、纖維素在壓力下壓縮粘結(jié)成成型燃料。不同種類的原料，由于其木質(zhì)素、半纖維素、纖維素含量不同、原料形態(tài)不同，成型所需的壓力和溫度也不相同。試驗(yàn)表明，壓力過(guò)低將不能使原料壓緊壓實(shí)，嚴(yán)重時(shí)，不足以克服環(huán)?？椎哪Σ亮?，成型將無(wú)法進(jìn)行；溫度過(guò)低，不足以使木質(zhì)素塑化，即使有足夠壓力，也不能將原料成型。當(dāng)進(jìn)料速度過(guò)低時(shí)，原料在壓輥和環(huán)模間摩擦?xí)r間長(zhǎng)，產(chǎn)生熱量過(guò)大，在環(huán)模孔中，因摩擦產(chǎn)生過(guò)高溫度，會(huì)造成成型燃料表面嚴(yán)重?zé)岱纸?，出現(xiàn)裂縫，降低了強(qiáng)度，甚至于不成型。為了成型時(shí)達(dá)到合適的所需溫度，必須在攪拌器中通入蒸汽(當(dāng)生產(chǎn)能力為200
kg/h左右時(shí)通入10～22 kg/h蒸汽)，使常溫原料(氣干，含水率11 %～12 %)升溫到60～80 ℃，加上原料在壓輥和環(huán)模間及環(huán)?？字心Σ廉a(chǎn)生熱量，從測(cè)定剛生產(chǎn)的顆粒成型燃料的溫度，估計(jì)成型溫度在100
℃左右，成型壓力為49～98 MPa。
2.2 原料粒度和含水率
試驗(yàn)表明，一般要求粒度＜2 mm方可成型，木屑原料可直接成型，粒度＞2 mm稻殼等原料，必須粉碎。不同種類原料，成型難易也有差別，對(duì)松木屑和杉木屑試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，松木屑含有非粘結(jié)性的易揮發(fā)成分較多，成型較困難；而杉木屑由于木質(zhì)素含量較多，粘結(jié)性好，因此成型容易，刨光粉的粒度在150目左右，因其粒度太細(xì)，表面不象木屑那樣粗糙，雖可成型，但強(qiáng)度低于木屑。從表1試驗(yàn)號(hào)6、7、8看出，在刨光粉中摻入30
%左右木屑或摻入5 %左右堿木質(zhì)素，則可改善成型條件，成型良好。
原料含水率對(duì)成型過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。試驗(yàn)表明，對(duì)木屑和刨光粉原料，成型時(shí)原料含水率控制在16 %～22 %，所以氣干的木屑和刨光粉原料，應(yīng)用蒸汽調(diào)質(zhì)，不僅為了提高原料的溫度，同時(shí)使原料含水率從11
%～12 %增濕至16 %～22 %。當(dāng)增濕后的原料含水率＞26 %時(shí)，成型條件變壞，顆粒有爆開(kāi)現(xiàn)象，強(qiáng)度大為下降。當(dāng)原料含水率為氣干或在14
%以下，未用蒸汽調(diào)質(zhì)，直接進(jìn)入成型機(jī)成型室時(shí)，由于溫度太低和含水率不合適，會(huì)造成成型壓力大幅度上升，主電機(jī)超載，防護(hù)成型機(jī)安全的安全銷斷裂，見(jiàn)表1試驗(yàn)號(hào)4。另外從表1試驗(yàn)號(hào)2、3還可看出，在木質(zhì)原料中，摻入2
%廢機(jī)油，可減少成型機(jī)的運(yùn)行功率。
總之對(duì)木屑和刨光粉原料，只要控制適宜的工藝條件，采用KYW32型飼料顆粒成型機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和確定的環(huán)模結(jié)構(gòu)，可連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)符合質(zhì)量要求(另見(jiàn)顆粒成型燃料企業(yè)標(biāo)準(zhǔn))的顆粒成型燃料，生產(chǎn)能力達(dá)到200～250
kg/h。
2.3 成型燃料發(fā)熱量的測(cè)定
按GB 5186-85生物質(zhì)燃燒發(fā)熱量測(cè)定方法，對(duì)木屑、刨光粉為原料的成型燃料進(jìn)行了發(fā)熱量測(cè)定，發(fā)熱量分別為20.72和20.16
MJ/kg；用馬福爐進(jìn)行灰分測(cè)定，含量分別為1.0 %和1.5 %。
2.4 成型燃料的吸濕
一般木質(zhì)成型燃料貯存時(shí)會(huì)吸收空氣中水分，產(chǎn)品含水率增加，表面開(kāi)裂和膨松，產(chǎn)品質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，本顆粒成型燃料，當(dāng)暴露于空氣貯存半個(gè)月左右，有表面開(kāi)裂和膨松現(xiàn)象。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品出廠時(shí)應(yīng)用密封的塑料袋包裝。
3 成型機(jī)使用壽命
所謂使用壽命，主要指環(huán)模使用壽命。環(huán)?？自谶\(yùn)行過(guò)程中，由于受到高壓原料的摩擦，容易損壞，需定時(shí)進(jìn)行更換，對(duì)KWY32型成型機(jī)，從生產(chǎn)運(yùn)行功率看，采用木屑、刨光粉原料成型時(shí)，其運(yùn)行電流僅比飼料成型時(shí)大5
A左右，相當(dāng)功率3.3 kW，占運(yùn)行功率10 %左右，所以木屑、刨光粉成型時(shí)成型壓力僅稍比飼料偏高一點(diǎn)，通常飼料成型時(shí)，按現(xiàn)有的環(huán)模材料及熱處理方法，環(huán)模能運(yùn)行2000
h以上，這樣預(yù)計(jì)木屑、刨光粉原料成型時(shí)，環(huán)模約在2000 h需進(jìn)行更換。
4 經(jīng)濟(jì)效益
4.1 鍋爐燃料
按一臺(tái)顆粒成型機(jī)建一條生產(chǎn)線，生產(chǎn)能力為250 kg/h，二班制操作，每年生產(chǎn)300天進(jìn)行核算，年生產(chǎn)顆粒成型燃料能力1200
t；顆粒成型燃料售價(jià)280元/t，創(chuàng)年產(chǎn)值33.6萬(wàn)元；生產(chǎn)成本約32.9萬(wàn)元，收支平衡，略有余。
4.2 取暖爐燃料
美國(guó)平亞公司在我國(guó)已投資建設(shè)國(guó)際上流行的冬天用的取暖爐生產(chǎn)線(1999年生產(chǎn)500臺(tái))，這種爐由于售價(jià)便宜(2000～3000元/臺(tái))、操作費(fèi)用低(100
m2房，一冬天需0.5 t顆粒成型燃料，操作費(fèi)用大大低于空調(diào)器取暖費(fèi))，預(yù)計(jì)有較好市場(chǎng)前景。該公司愿意按450元/t成型燃料收購(gòu)。
綜上所述，當(dāng)成型燃料售價(jià)為280元/t，一條成型機(jī)生產(chǎn)能力為250 kg/h的生產(chǎn)線收支大體相當(dāng)，現(xiàn)以450元/t出售，則每噸利潤(rùn)為170元，全年利潤(rùn)20萬(wàn)元。
5 社會(huì)效益
成型燃料生產(chǎn)技術(shù)是將木屑等低品位的原料，經(jīng)高壓加熱制成高品位的燃料，以提高能源利用率，使能源得到充分利用。
每噸成型燃料、刨花木屑和煤能源利用試驗(yàn)情況如表2。表2中列出了以0.5 t鍋爐用能時(shí)，實(shí)際測(cè)定的熱效率，使用成型燃料的熱效率比煤高11
%，比刨花木屑高10.7 %。
表2 每噸成型燃料、刨花木屑、煤能源利用分析
Table 2 Analysis on energy utilization of pelleted
fuel, sawdust and coal (t)
名稱
name |
熱效率(%)
heat efficiency |
有效能
利用(MJ)
effective energy |
每噸成型燃料扣除生產(chǎn)電耗(120 kW.h)后，提高能量值(MJ)
increased energy of one ton pelleted fuel excluding electricity consumption
(120 kW.h) |
相當(dāng)所需燃料量(kg)
corresponding to the
fuel quantity needed |
| 成型燃料pelleted fuel |
41.4 |
20.7×41.4 %
×1000=8570 |
|
|
刨花木屑
shavings sawdust |
30.7 |
20.1×30.7 %
×1000=6171 |
8570-6171-432=1967 |
98.1 |
| 煤coal |
30.4 |
21.5×30.4 %
×1000=6536 |
8570-6536-432=1602 |
74.3 |
注：生產(chǎn)每噸成型燃料耗電120 kW.h。
從表2看出，當(dāng)使用刨花木屑直接燃燒時(shí)，產(chǎn)生相當(dāng)于每噸成型燃料(在扣除生產(chǎn)每噸成型燃料能量后)的有效能量，則要多消耗98 kg刨花木屑，多了近10
%，這是由于使用成型燃料時(shí)改變了燃燒性能，提高了熱效率之緣故。即是說(shuō)，為得到刨花木屑同樣的有效能量，使用成型燃料，可節(jié)省近10 %的燃料。這就意味著，如在我國(guó)廣大農(nóng)村或林區(qū)逐步推廣使用成型燃料，將可減少生物質(zhì)能源消耗，對(duì)改善我國(guó)生態(tài)平衡起到了積極作用。
此外，成型燃料與煤相比，燃燒時(shí)不僅提高了熱效率，而且不產(chǎn)生SO2，不污染環(huán)境，稱其為“清潔燃料”，在使用于大型鍋爐或小型鍋爐燃料時(shí)，均不需要對(duì)鍋爐改造，可直接使用。也可作氣化爐的原料，因而成型燃料的開(kāi)發(fā)，可推動(dòng)生物質(zhì)能源的開(kāi)發(fā)，為生物質(zhì)能源的工業(yè)化和商業(yè)化開(kāi)拓了道路，為農(nóng)林加工工業(yè)的能源自給開(kāi)辟了廣闊前景。
作者簡(jiǎn)介：蔣劍春(1955-)，男，江蘇溧陽(yáng)人，研究員，博士生
作者單位：蔣劍春 劉石彩 戴偉娣 陶淵博 劉漢超 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所，江蘇
南京 210042；
徐建華 潘嘉亮 沈衛(wèi) 姜偉忠 江蘇正昌集團(tuán)公司，江蘇 溧陽(yáng) 213300
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