摘要：介紹了生物質固體成型燃料技術和工藝的概念，回顧了國內外產業(yè)現(xiàn)狀，提出生物質固體成型燃料的生產工藝分類方法，比較研究顆粒和壓塊成型工藝，分析了生物質固體成型設備和工藝配套設備現(xiàn)狀，指出了生物質固體成型的設備與工藝存在的主要問題，并提出我國生物質成型工藝的發(fā)展方向，為生產中設備和工藝優(yōu)化指以方向。

0引言

生物質指利用太陽能經光合作用合成的任何有機物，包括農林副產品及加工剩余物、能源作物，以及人畜糞便等有機廢物。生物質能指利用生物質轉化成的能源。全球生物質資源豐富，生物質能作為唯一能夠保存的可再生能源，其推廣和利用將對能源結構的改善和能源需求的短缺發(fā)揮其必要的作用。生物質固體成型燃料技術指在一定溫度和壓力作用下，利用木質素充當粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農林生物質壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料，是目前國內外利用生物質能比較普遍且效果顯著的技術之一。

生物質固體成型燃料成型工藝是指將秸稈等生物質原料加工成固體成型燃料的方法、技術等，包括整條生產線技術和設備。現(xiàn)在生物質固體成型燃料產品一般為塊狀和顆粒狀兩種形式，因其工藝參數(shù)要求不同，所需的成型生產工藝也有較大差別，可分為壓塊生產工藝和顆粒生產工藝。按照生產的連續(xù)性，可分為連續(xù)生產工藝和單機生產工藝。具有原料粉碎、干燥、輸送、混配、喂料、成型、切斷、冷卻、計量包裝等工序，能夠自動連續(xù)穩(wěn)定生產線的生產工藝為連續(xù)生產。單機生產則主要依靠人工間歇性上料，為非連續(xù)生產。

按自動化程度，可分為自動化生產工藝和非自動化生產工藝。各生產工藝的生產線的主要產品或多數(shù)產品的工藝路線和工序勞動量比例，決定了一條生產線上擁有為完成某幾種產品的加工任務所必需的機器設備，機器設備的排列和工作地的布置等。各生產工藝的工藝路線通過調整其中的工藝參數(shù)，以適應產品的生產需要，采用最佳的生產工藝能取得良好的經濟效益。

本文對生物質固體成型燃料成型的生產工藝進行研究，就生物質固體成型燃料的產業(yè)現(xiàn)狀作一個概述，對生產工藝所要求的生產線的成型機以及配套設備現(xiàn)狀與存在的問題進行研究，探討解決制約規(guī)模化和產業(yè)化生產中的工藝路線與相關設備的技術途徑。

1國內外產業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

因全球傳統(tǒng)能源———石油、煤炭和天然氣的減少，和溫室氣體排放的壓力等原因，生物質固體成型技術受到國外發(fā)達國家的普遍重視。根據(jù)歐盟制訂的《歐盟生物質能行動計劃》，從2009到2020年將利用生物質能占消耗能源的14%提高到20%。在2010年，芬蘭、瑞典和奧地利等國家的生物質能利用，依次占該國一次能源消耗量的18%、16%和10%，其中2010年瑞典共有94家顆粒生產企業(yè)，總生產能力約2.20Mt。

我國從20世紀80年代起開始致力于生物質壓縮成型技術的研究，也取得了不少成果。2008年農業(yè)部規(guī)劃設計研究院在北京市大興區(qū)建成年產20kt固體成型燃料生產線示范廠，其中包括年產10kt的顆粒燃料生產線和10kt的壓塊燃料生產線，主要以玉米秸、木屑為主，兼顧加工麥秸、花生殼、棉稈等為原料。

2009年，吉林省輝南宏日新能源公司在輝南縣建成以林業(yè)生物質為原料的生產線，該線生產能力是15kt/年，次年該公司在大興溝，蛟河各建成一條相同的生產線。隨后全國又建成北京延慶生物質壓塊燃料示范點、安徽淮南生物質顆粒示范點等10余處。目前，河南、江蘇、北京、吉林、湖北、山東、黑龍江、遼寧等省市建成年產萬噸以上成型燃料廠100余處，生產能力已達3Mt，實現(xiàn)了規(guī)模化生產。

2生物質加工工藝路線

生物質固體成型燃料成型工藝是指將秸稈等生物質原料加工成固體成型燃料的方法、技術等，包括整條生產線參數(shù)調整技術及設備。生物質固體成型燃料產品為塊狀、顆粒狀和棒狀三種形式，按照產品形狀分為壓塊、顆粒和棒狀生產工藝。按照生產的連續(xù)性，可分為連續(xù)生產工藝和單機生產工藝。

具有原料粉碎、干燥、輸送、混配、喂料、成型、切斷、冷卻、計量包裝等工序，能夠自動連續(xù)穩(wěn)定生產的生產工藝為連續(xù)生產；單機生產為非連續(xù)生產。按自動化程度可分為自動化和非自動化生產工藝。生產中自動調整設備工藝參數(shù)，以適應產品的生產需要，為自動化生產工藝。

國外發(fā)達國家的生物質固體成型多為連續(xù)自動化生產工藝，其生物質原料多來源于農場、農產品加工廠或木材加工廠，來源集中，原料較單一，生產中一般不考慮物料混配工序，圖1是瑞典BooForssjoEnergiAB的生物質固體成型生產工藝路線實例。

我國現(xiàn)階段多為單機生產，其生產只需要粉碎和成型兩個工序，人工間歇性上料，依靠生產者的經驗判別在生產中上料量的和上料的濕度等等，工藝簡單，成本低，但勞動強度大，產品質量不穩(wěn)定，效率低，單機生產工藝路線如下圖2所示。

連續(xù)生產中，我國常用的有壓塊和顆粒成型，其工藝有所不同。目前國內的連續(xù)自動化生產工藝多應用在壓塊和顆粒成型工藝中。

壓塊成型工藝路線，通常是原料通過圓柱形或棱柱形的模孔成型，模具直徑或橫截面的對角線通常大于25mm，在此成型工藝中，原料含水率要求一般為10%~20%，原料粒度一般低于50mm時都可成型，工藝路線如圖3所示。

顆粒成型工藝路線，原料通常通過圓柱形模孔，模具直徑一般不大于25mm，模具厚度即模孔長度不大于其直徑的4倍，通常直徑尺寸有6mm、8mm、10mm三種。原料含水率要求一般為12%~15%，原料粒度為1~5mm時最適合成型，如圖4所示。

壓塊成型和顆粒成型工藝路線有較大差異，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)粉碎方式。根據(jù)物料成型粒度要求的不同，采用的粉碎方式也不同，粒度為50mm的物料粉碎采用擠壓揉搓方式和鍘切方式為主，壓塊成型需要一次粉碎即可以滿足粒度要求。在顆粒成型工藝中安排了粗粉碎和細粉碎的二次粉碎工序，細粉碎一般采用撞擊擊打方式的錘片式破碎機。

2)輸送方式。粒度不同影響物料的流動性特性，在原料輸送和喂料的方式上也有所不同，采用的輸送和喂料設備也相應的改變。因粒度較大的物料容易形成搭橋現(xiàn)象，喂料時需要有強制喂料裝置，輸送粒度30~50mm的物料時應用螺旋輸送、皮帶輸送、刮板輸送；5mm以下的物料可以采用氣力輸送的方式。

3)雜質嵌入。顆粒成型工藝中的成型產品直徑一般是6mm、8mm、10mm三種規(guī)格，而塊狀成型產品直徑一般不低于25mm。不同規(guī)格的成型產品吸收雜質嵌入的能力不同。顆粒成型相對于塊狀成型產品，對原料雜質含量及粒度要求更為嚴格，特別是對于砂石雜質的去除要求，應設置不同除雜系統(tǒng)。

4)冷卻方式。顆粒物料在壓制后容易破碎，驟冷會引起爆腰，需要冷卻設備進行冷卻，壓塊燃料一般體積較大，密度較小，自然冷卻干燥即可。

3生物質成型設備及配套設備研究

3.1生物質成型設備研究

目前我國的主要生物質成型設備有螺旋擠壓式、活塞沖壓式和輥模擠壓式等三種成型機，特別以環(huán)模成型機最為普遍，環(huán)模成型機分為顆粒和壓塊兩種。北京奧科瑞豐公司(壓塊成型機)、江蘇正昌公司(顆粒成型機)、河北盛昌綠能公司(壓塊成型機)等相繼開發(fā)了環(huán)模成型機，其技術參數(shù)見表1。

3.2生物質成型配套設備研究

配套設備的選用決定于工藝路線，以上文提到的生物質環(huán)模顆粒成型工藝路線為例，分析粉碎、干燥、除雜、物料混配和冷卻等工序的配套設備作用、技術研究現(xiàn)狀等。

3.2.1粉碎設備

粉碎是指通過擠壓、撞擊、研磨、鋸切或其他方法部分地破壞物質分子間的內聚力，達到粉碎原料到某粒度范圍的目的過程。

粉碎設備是生物質成型的粒度參數(shù)的保證，針對不同的物料則應采用不同的粉碎方式，以提高粉碎效率及質量。打擊方式的設備主要為錘片式粉碎機，利用錘片打擊物料。此種設備一般尺寸較大，物料與錘片的接觸面積較大，適應于含水率較低、韌度較小的生物質物料，如豆稈、棉稈、葵花稈等。鋸切的設備為切碎機，可以加工韌度較大、含水率較高的生物質物料，如水稻、小麥、玉米等。在對生物質粉碎中，根據(jù)實際情況采用多種方式混合生產，提高效率，減少功耗。

3.2.1干燥設備

干燥的目的保證成型原料的合適水分，可分為自然干燥和人工干燥。自然干燥指利用太陽能和自然風進行干燥。人工干燥是指利用液體或煤氣加熱的高溫氣流，在很短的時間內將物料進行干燥。生物質的含水率受自然環(huán)境的影響較大，不適應規(guī)模化工業(yè)生產的需要。為得到成型所要求的生物質含水率，必須采用人工干燥方法，使生物質迅速干燥達到壓制生產要求的含水率，這種方法不受氣候影響，但設備要求高，投資較大。

常規(guī)干燥設備分為噴霧干燥機、流化床干燥器、氣流干燥器、回轉干燥器、傳導干燥設備等。在干燥時可選擇合適的設備。根據(jù)生物質物料的特性以及干燥條件，一般選用氣流干燥器和回轉干燥器。干燥是一個高能耗的單元操作，生物質原料的干燥溫度一般在40℃~70℃之間，與太陽能的低溫利用技術相適應，應充分利用太陽能技術，節(jié)省常規(guī)能源，降低干燥設備的能耗。

3.2.2除雜設備

我國生物質來源廣泛，來源渠道大多從農戶直接收購，原料雜質含量較大，主要的雜質有金屬雜質、砂石雜質和泥土以及如繩子線頭等雜質。金屬雜質、砂石雜質和泥土會加劇生產線關鍵設備的磨損。繩子線頭等雜質會使物料的輸送產生擁堵，影響物料輸送的均勻性和平穩(wěn)性。

對于金屬雜質可以采用磁石進行去除；繩子線頭等雜質，可以設計絞龍裝置，使其纏繞其上，然后定期清除；砂石雜質可以根據(jù)其物理特性與秸稈物理特性的不同，采用風選設備和振動分離的方法來去除。顆粒成型工藝中的成型產品直徑一般是6mm、8mm、10mm三種規(guī)格，而塊狀成型產品直徑一般不低于25mm，顆粒成型對原料雜質含量要求，特別是對于砂石雜質的去除要求更為嚴格。

目前我國對于此類研究尚有待于深入研究雜質的分類與特性，物料與雜質的不同物理特性，利用其之間相差最懸殊的特性，采用相應的機械和技術措施，分離雜質。如對于雜質中的含鐵物品，考慮對物料特性的影響，來決定選擇平板式除鐵器、磁柵式除鐵器、永磁滾筒等設備。對于砂石等雜質，根據(jù)物料摩擦特性的不同，應用振動篩或抖動板等設備，也可根據(jù)物料密度的不同采用風選法。應用技術創(chuàng)新，根據(jù)不同雜物種類設計不同的工藝流程，有效地去除物料中的雜質。

3.2.3物料混配設備

生物質固體成型過程中需要控制的一個重要參數(shù)是原料含水率，適當?shù)纳镔|原料含水率既能傳遞壓輥壓力，又能起潤滑作用，促進原料成型。我國成型的生物質原料復雜，為改變主原料的特性和成型性能，經實驗研究，適當混配合適的其他原料將有利于成型。同時可以通過物料混配在一定范圍內來調整成型物料的含水率，省去干燥工藝階段，節(jié)省常規(guī)能源。

另，為保證原料成型要求的普適性，需對低于成型要求含水率的物料進行調整，需適當添加水分進行調濕處理。生物質混合處理要求原料混配的均勻性和水分調整的適度性，原料種類以及混配比重對成型和熱值的影響等，為課題研究指以方向。

1)各物料的特性與混合物料特性的差異性研究是決定物料混合成分研究的基礎。這種混合特性是各物料特性的線性疊加，亦或是非線性的組合形式，其特性規(guī)律需要試驗研究和理論研究方可建立對應的解決模型。在生物質成型研究中，混合物料特性研究、混合物料的比重對于成型的影響規(guī)律研究，以及混合物料對于成型產品的熱值和結渣特性的影響，應是研究的方向。

2)物料混合設備方面研究。混合的機理研究也是設備理論工作部分開始設備優(yōu)化和其他一切工作的前提。混合設備是在保證物料混合機的混合均勻度、縮短混合時間為前提再考慮物料混合的殘留量，設備損耗與功耗等其它因素，是設計混合設備的關鍵。物料混合設備的控制應考慮工作環(huán)境，控制參數(shù)量，以及控制難易程度和便捷的操作性等方面因素。

3.2.4冷卻設備

飼料顆粒工業(yè)生產中，顆粒產品溫度在85℃左右、含水率約16%。這種情況下，顆粒容易破碎，貯存過程中容易發(fā)霉變質，必須經過冷卻干燥來降低溫度和水分。冷卻干燥原理設備是利用冷風通過冷卻設備內的熱顆粒，帶走水分，降低溫度。冷卻設備通常采用的是逆流式冷卻器。

冷卻設備要同時保證冷卻和干燥的要求，要設計合理的容積和合適的風機。工藝設計中，需防止激冷造成成型顆粒的爆腰，要保證足夠的在冷卻設備中的停留時間，使成型產品充分冷卻干燥高于室溫5℃以下。這些研究是基于飼料顆粒工業(yè)生產的基礎上，對于作為燃料的生物質壓制成型的顆粒產品，溫度也在100℃左右，含水率一般低于10%。成型產品不同，所選用冷卻干燥的參數(shù)，也應隨之改變。

4存在問題

我國生物質固體成型燃料成型工藝生產線目前尚有以下幾個主要問題：

1)我國的生物質固體成型燃料生產線多以單機等簡單工藝進行生產，主要依靠人工間歇性上料，勞動強度大，生產率低，工藝參數(shù)多是人為的經驗性的進行調整。

2)多數(shù)工藝無除雜或有簡單的除雜工藝，特別是對于砂石雜質去除率較小，影響關鍵部件使用壽命，使成型生產線的故障率提高。

3)在原料混配中工人依靠經驗來配比物料，或者簡單的根據(jù)存儲物料量來進行物料混合，沒有科學的原料混配、添加輔料等工藝措施和技術方案，缺乏物料混配對于對加工為成型燃料后的品質特性的影響等方面的研究。

5結語

本文圍繞生物質固體成型燃料的成型工藝進行研究，對工藝進行分類，比較研究顆粒和壓塊成型工藝，研究工藝參數(shù)和成型工藝配套設備等，探討它們對生物質燃料成型工藝的影響，為成型工藝生產提供理論依據(jù)。

為使產品的質量等達到客戶要求，降低生產的功耗、設備的磨損，需要合適的生產工藝，需要參考工藝特性來調整工藝參數(shù)，應用先進自動控制理論搭建生產線平臺對設備生產過程進行控制，實現(xiàn)工藝生產線中各個設備間的耦合，實現(xiàn)產品質量和各工序參數(shù)調整及設備間的反饋控制。

下一步工作應加強生物質固體成型技術及工藝裝備系統(tǒng)集成化、自動化的研究開發(fā)，特別是工藝中除雜和混配工藝方面的研究，使工藝設備和技術更適合于我國的特定生物質原料成型，為我國生物質資源化利用提供理論和技術支撐。（張林海，侯書林，田宜水，趙立欣，孟海波）