生物质成型燃料加工关键技术及装备研究报告

肖宏儒农业部南京农业机械化研究所

主要内容

• 一、生物质成型燃料加工关键技术及机组样机设计• 二、样机关键技术试验• 三、样机改进• 四、成果及创新性• 五、存在的问题• 六、下一步工作计划

一、生物质成型燃料加工关键技术及机组样机设计

• 机组研究缘由

• 生物质成型燃料加工机组主要包括粉碎机，干燥器，成型机和冷却器等。粉碎机、干燥器和成型机是加工机组的核心设备，而生物质资源利用率和成型率不高，能耗过高、成本高是目前普遍存在的问题。本文对设计生物质燃料加工机组关键技术进行试验，研究影响生物质燃料成型率的关键技术，包括原料本身（种类、含水率和粒度等）、成型压力和压缩方式等，试验验证理论假想并提出设备完善方案。

一、生物质成型燃料加工关键技术及机组样机设计

• 设计指标：

• 总功率达到 80kW ；生产能力： 500～ 1000kg/h ；可方便地整体转移作业；农林剩余物固化成型燃料成本低于煤的价格，吨料能耗≤ 70kWh/t ；产品密度≥ 1g/cm3 ，水分≤ 12% ；产汽能力： 1.5t/h ；

蒸汽压力： 0.8Mpa ；燃料效率： 95% ；

• 机组主要工艺路线：人工进料→组合粉碎→气力输送出料→螺旋喂料

→颗粒成型→成品。

一、生物质成型燃料加工关键技术及机组样机设计

• 主要设备设计：

• 1. 进料口； 2. 安全门； 3. 皮带轮罩壳； 4. 电机； 5. 皮带； 6. 搓揉室； 7. 粉碎室； 8. 机座； 9. 转子

• 图 1 SZFP72*120 组合粉碎机

一、生物质成型燃料加工关键技术及机组样机设计

• 主要设备设计：

• 1 、起吊襻 2 、几座 3 、门盖 4 、切刀机构 5 、强制喂料 6 、压制室 7、 观察窗 8 、双绞龙 9 、起吊器 10 、电机 11 、行程开关 12 、主电机

13、联轴器• 图 2 SZLH350J秸秆环模颗粒成型机

一、生物质成型燃料加工关键技术及机组样机设计

• 主要设备设计：

• 1. 传动箱； 2. 出料口； 3. 均料板； 4. 压辊； 5. 喂料室； 6. 主轴；• 7. 平模； 8 切刀； 9 扫料板； 10 电机

• 图 3 520 平模成型机

二、样机关键技术试验

• 2.1原料粉碎粒度与成型率关系研究• 试验表明：在相同压力和含水率条件的前提下，原料粒度越小，粒子填

充度和嵌合度越高，且越容易成型，有效提高成型率，降低能耗，特别是针对本研究的大型平模制粒机，可以延长易损件平模和压辊的使用寿命。但是，颗粒过小，会造成粉碎机环节能耗增大，同时，颗粒粉碎过程因热量原因造成灰尘和水分挥发增加，不利于原料利用率的提高和含水率的控制，最终，也会影响粒子的成型率。因此，研究控制粉碎原料粒度范围，满足成型加工要求的粉碎技术，是提高生物质燃料成型率的保证。

二、样机关键技术试验

• 2.2一次粉碎机对生物质原料适应性的研究• 用于试验用的生物质原料有：稻草、麦秸、油菜杆、花生壳、玉米秸秆。试

验结果如表 1 、表 2 、表 3 、表 4 、表 5 、表 6 、表 7 、表 8 所示。• 表 1 原料含水率及原料、成品容重测定记录表

二、样机关键技术试验

• 2.2一次粉碎机对生物质原料适应性的研究• 表 2、 3 原料含水率及原料、成品容重测定记录表

二、样机关键技术试验

• 2.2一次粉碎机对生物质原料适应性的研究• 表 4、 5 原料含水率及原料、成品容重测定记录表

二、样机关键技术试验

• 2.3原料含水率与成型密度、成型率关系研究• （ 1 ）原料含水率与成型密度研究

• 原料含水率与成型密度（产品密度）关系具体数值见表 6 。产品密度随含水率变化趋势如图 4 所示。

• 表 6

二、样机关键技术试验

• 图 4 原料含水率与产品密度关系曲线

• 产品密度越高，产品质量较高，但是随着产品密度的增加，对于切割颗粒生物质成型燃料的刀具磨损也随之增加，增加切削力，从而增加能耗。因此，需综合考量能耗和产品品质，选择合适含水率的原料。

原料含水率与产品密度关系曲线

0. 94

0. 95

0. 96

0. 97

0. 98

0. 99

1

1. 01

1. 02

1. 03

1. 04

1. 05

0% 5% 10% 15% 20% 25%原料含水率

产品密度

1系列

二、样机关键技术试验• 2.3原料含水率与成型密度、成型率关系研究• （ 2 ）原料含水率与成型率研究

• 原料含水率与产品成型率关系具体数值见表 1 ，产品成型率随含水率变化趋势如图 5 所示。结合产品密度高，其质量好的关系，选择含水率为 16% 的秸秆原料，加工生物质燃料为最优加工工艺方案。

94. 2

94. 4

94. 6

94. 8

95

95. 2

95. 4

95. 6

95. 8

96

96. 2

0% 5% 10% 15% 20% 25%原料含水率

颗粒燃料成型率

1系列

二、样机关键技术试验• 2.3原料含水率与成型密度、成型率关系研究• （ 3 ）原料含水率与产量及能耗相关性研究

• 原料含水率与产量及能耗相关性具体数值见表 1 ，产量及能耗随原料含水率变化趋势见图 6 。能耗越低，不能说明其对应的含水率的原料有利于提高产品成型率。

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0% 5% 10% 15% 20% 25%原料含水率

耗时与耗电量

200kg每 耗时耗电量

二、样机关键技术试验

• 2.4成型结构与成型效果研究• 平模模孔设计的合理性如何，决定了秸秆颗粒成成型燃料加工质

量的成型效果的好否。因此，我们在设计模孔时主要考虑了以下重要技术参数，一是模孔的结构形式；二是模孔的长径比例；三是模孔的表面的热处理和表面硬度。模孔的结构形式、长径比、表面热处理和表面硬度的设计，主要是在保证制粒质量的前提下，尽可能减少模孔对加工物料的阻力。实验证明，模孔采用较小的上倒角，较大的下倒角，且孔的长度方向略呈小的锥度，制粒效果好；模孔的长径比为 1： 3.8左右时制粒效果最佳 ; 模孔的表面采用渗碳处理 ,渗碳深度大于3毫米 , 制粒关键部件的使用寿命最佳。

二、样机关键技术试验• 2.5压辊压力与密度、成型率关系研究• （ 1 ）压辊压力与生物质颗粒密度关系研究

• 压辊压力变化与颗粒燃料产品密度相关性具体数值见表 7 ，其变化趋势如图 7 所示，由图可以看出，虽然颗粒密度随着压辊的压力增加呈震荡增加趋势，但变化幅度很小，因此可以近似认为，压辊压力变化对颗粒产品密度没有影响。

• 表 7

密度

0. 991

1. 011. 021. 031. 041. 05

7 8 9 10 11

MPa压辊压力（ ）

密度 密度

二、样机关键技术试验• 2.5压辊压力与密度、成型率关系研究• （ 2 ）压辊压力与生物质颗粒密度关系研究

• 压辊压力变化与颗粒燃料产品密度相关性具体数值见表 7 ，其变化趋势如图 7 所示，由图可以看出，虽然颗粒密度随着压辊的压力增加呈震荡增加趋势，但变化幅度很小，因此可以近似认为，压辊压力变化对颗粒产品密度没有影响。

• 表 7

密度

0. 991

1. 011. 021. 031. 041. 05

7 8 9 10 11

MPa压辊压力（ ）

密度 密度

二、样机关键技术试验• 2.5压辊压力与密度、成型率关系研究• （ 2 ）压辊压力与颗粒成型率研究

• 压辊压力变化与颗粒成型率相关性具体数值见表 2 ，其变化趋势如图 8 所示。

成型率

94

94. 5

95

95. 5

96

7 8 9 10 11

MPa压辊压力（ ）

成型率 成型率

•图 8 压辊压力变化与颗粒燃料成型率相关性折线图

三、样机改进（ 1 ）粉碎机改进

• 针对粉碎原料粒度控制方法难的难题，本团队与江苏正昌粮机股份有限公司联合对粉碎机卸料器方面进行改进，提出一种由高压风机抽送粉碎后粉状原料的方法，采用双重过滤装置，即刹克龙和脉冲除尘器，通过调节风压，改变卸料器内部物料的平均粒度。工艺流程图如下。

•图 9 粉碎机改进工艺流程图

三、样机改进（ 2 ）环模制粒机防堵改进

根据专利申请公布号 CN102267243A ，提出一种免堵式生物质颗粒燃料成型机，其原理如图 10 所示。

•1. 送料电机； 2.驱动环模； 3. 送料槽； 4.中心压轮； 5.驱动环模； 6.支撑轴； 7. 带轮机构； 8. 主电机； 9. 机架； 10.引风机； 11.孔板； 12. 环模出料口

•图 10 免堵式环模制粒机设计原理图

•本研究的改进方案在该技术的基础上增加环内温度检测系统，控制引风机是否开启，其目的是在必要保留部分水蒸气，保持环模内部温度，有利于原料软化，利于提高成型率。改进方案巧妙将结构设计与电子技术集成，保证环模制粒安全高

效工作，减少设备损坏可能性，降低故障率。

三、样机改进（ 3 ）平模制粒机热循环利用改进

为进一步降低能耗，提高成型率和产量，可在压辊式生物质颗粒成型机基础上增加一套循环换热装置，旨在将秸秆粉料在成型前预先加热到一定温度，使其软化，便于成型。将成型过程中生产的部分生物质燃料用于原料预加热过程中，成本低，降低其他燃料投入量，最终降低能耗，促进原料均匀软化，提高成型率。

四、成果及创新性1 、完成的 SJKY1500 机组总装机容量 80kw,采用秸秆原料连续粉碎、除尘、制粒新工艺，结构合理，工艺完善，适用于较高水分的秸秆粉碎制粒；采用高压脉冲除尘，改善了秸秆粉碎环境；采用微量泵喷头加水，可以适度调节成型水分；多台设备集成组装在 1辆 8 吨卡车上，采用电气集中控制；同时在车厢内预留安装 120kw柴油发电机位置，实现电、油两用；机组外形尺寸： 8.6

米 ×2.4米 ×6.05 米（生产时），上路行驶转移时外形尺寸为： 8.6米 ×2.4米

×3.95 米。可以在农村乡镇之间和大农场内移动加工秸秆颗粒燃料，填补了国内外空白；

2 、机组工艺参数适应高水分秸秆的粉碎、制粒，从农村市场就近购买的、含水率在 20～ 25％的秸秆，可直接投入加工机组，生产秸秆颗粒燃料；节省风干时间和劳力成本，符合农村秸秆水分实际情况。

四、成果及创新性

生物质成型燃料加工机组样机

四、成果及创新性3、秸秆粉碎采用高压脉冲除尘，粉尘达标排放，提供了一个较好的现场粉碎环

境，有利于保障现场操作人员的健康。

4 “ ”、 研究成功了秸秆粉碎机用的 真空熔结硬质合金锤片 新工艺，提高了使用寿

命，达到国际先进水平。

5 “ ” 、研究成功了秸秆颗粒成型机用的 中碳合金钢环模 新产品，填补了国内空白，

在降低生产成本的同时，提高了合金钢环模的使用寿命。

6、研究掌握了普通小型蒸汽煤锅炉燃用秸秆颗粒燃料的工艺参数，使秸秆颗粒燃

料能在市场已有的数十万台普通蒸汽锅炉中使用（单烧或与煤混烧），可有效

解决秸秆颗粒燃料的销售、应用问题。

7、研究掌握了多种秸秆粉碎、制粒技术参数，为推广应用各种秸秆成型燃料加工

设备提供了技术理论依据。

五、存在不足1 成型燃料应用体系尚不完善

秸秆颗粒燃料成型加工只是秸秆能源利用中很小的一部分，单靠加工技术进步，尚不足以带动整个产业向前发展。目前，针对生物质运输、贮藏、供应渠道、应用炉具等方面配套措施比较滞后，相对于成熟的燃煤系统，用户使用不方便，不能体现出秸秆成型燃料使用的优越。

2加工成本需进一步减少

目前，燃烧秸秆成型燃料的成本与燃烧煤的成本相近。本项目移动式秸秆成型燃料加工机组须在推广应用中进一步降低设备制造成本。

3、对秸秆成型燃料产业，需进一步完善财政补贴政策

财政部已经出台了《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》，支持秸秆能源化利用的企业。但是，该办法要求申请补助资金的企业必须满足注册资本在 1000万元以上、年生产秸秆量在 1万吨以上等两项条件。使绝大多数小型秸秆成型燃料生产企业无法享受到国家的补贴政策。建议在试点示范的基础上，修改补贴标准和办法。

六、下一步计划

（ 1 ）本研究关于粉碎机改良装备，实现原料粒度可调控，有效提高成型率，同时，仍需通过实验深入研究蝶阀开合面积与秸秆、稻壳、木屑等粒度具体大小的关系，便于提出使用规程。

（ 2 ）样机进一步完善，为产业化提供条件。

（ 3 ）需对完善后样机做进一步试验，整理试验结果，得出相关结论。

（ 4 ）在此基础上，需进一步研究固定式高效生物燃料加工机组，形成系列产品，满足不同客户需求。

谢 谢 ！