2.2 生物質成型工藝與設備

2.2.1 生物質成型工藝

將松散的生物質加工成成型燃料需要經過一系列步驟。生物質成型燃料的生產工藝流程需要根據原料種類、特性、成型方式以及生產規模等進行具體確定。圖2.7和圖2.8所示分別為某棒狀成型燃料廠及顆粒燃料生產廠所采用的工藝流程。

生物質成型所用設備包括4類，具體如下：

（1）原料預處理設備，包括切割機、粉碎研磨機以及干燥系統。

（2）原料輸送設備，包括螺旋上料機、氣動輸料設備以及中間料倉等。

（3）壓縮成型及其配套的控制裝置。

（4）成型燃料處理及包裝設備，包括燃料切割設備、冷卻裝置以及包裝設備等。

生物質壓縮成型過程受多種因素影響，從大的方面可以分為外部因素和內部因素兩類。外部因素主要包括溫度和壓力；內部因素主要指生物質的物理和化學特性，其中物理特性包括原料的粒度、含水率，化學因素主要指原料中木質素的分子結構及其含量，以及其他天然黏結劑的含量。

1.壓力

壓力是保證生物質成型的最基本條件，只有施加足夠的壓力，生物質才能夠被壓縮成型。研究表明，制備棒（塊）狀成型燃料的壓力條件是50~200MPa，制備顆粒成型燃料的壓力條件是50~100MPa。當壓力較小時，成型燃料密度隨壓力增大而增大的幅度較大，而當壓力超過一定值后，成型燃料密度的增加幅度就顯著下降，所以在滿足生物質成型性能后，不宜再過度增加壓力。

2.溫度

溫度主要起三個方面的作用：①使木質素軟化熔融起到黏結劑的作用；②使原料顆粒變軟，提高其塑性變形性能，從而更容易被壓縮成型；③使成型燃料表面炭化，炭化層能阻礙成型燃料吸收水分，提高燃料的存放時間。成型過程中，加熱溫度應控制在300℃以下，因為超過該溫度后生物質會發生裂解反應。一般螺旋擠壓成型機要求將成型套筒的溫度控制在280～290℃，而活塞沖壓成型套筒的溫度要求控制在160℃左右。對于顆粒燃料成型機，成型過程中原料與成型部件之間摩擦產生的熱量足以滿足成型溫度要求，所以不需要設置加熱設施，有時為了控制溫度還需要對成型部件進行冷卻。

3.原料含水率

原料含水率是影響其成型和成型燃料質量的關鍵因素。①水能夠在顆粒表面形成水化膜，水化膜通過增加顆粒之間實際的接觸面積，從而增強由范德華力導致的顆粒間的黏合；②在熱量作用下，水分使生物質的物理化學特性發生顯著變化，比如可以使木質素軟化、蛋白質變性、淀粉糊化等，這些都會影響顆粒間的黏合特性；③原料的水分含量還直接影響所制備的成型燃料的含水量，從而影響成型燃料的儲存性能，因為如果成型燃料中水分含量過低時，存放時會因為吸收空氣中的水分而使成型燃料粉碎。適合生物質成型的水分含量范圍為8%～20%。水分含量過低時，黏結劑的黏合作用難以發揮，而當水分含量過高時，顆粒間存在大量自由水，同樣會減弱顆粒間的黏合力，所以水分過高或者過低，生物質都不能成型。

4.木質素

木質素是生物質成型過程中最主要的黏結劑成分，其含量和分子量對成型有重要影響。一方面，木質素分子量越小，其玻璃化溫度越低，就可以在較低的溫度條件下成型；另一方面，木質素含量越高，越有利于成型，且能提高成型燃料的強度。表2.2為木質素不同含量對玉米秸稈壓縮成型的影響，從中可以看出，隨著木質素含量的增加，成型燃料的強度顯著提升。通常情況下，木屑等木質原料比秸稈類原料更易壓縮成型，一個主要原因就是木質原料的木質素含量高于秸稈類原料。

5.原料粒度

原料粒度既影響成型燃料質量，又影響成型過程。從有利于提高成型燃料強度角度考慮，原料的粒度應有差異，不宜均勻一致。此外，原料的粒度應根據成型機的具體情況和所加工的成型燃料類型來決定。生產棒（塊）狀燃料時，可以采用較大尺寸的原料，而生產顆粒燃料時，則需要小顆粒原料。例如，螺旋擠壓成型適合加工粒度為6～8mm，且含有10%～20%小于4目顆粒的粉末狀原料。活塞沖壓成型則要求原料有較大的尺寸和較長的纖維，原料粒度小反而容易產生顆粒脫落現象。顆粒燃料的生產一般要求原料的粒度在2mm以下。粒度對成型過程的影響主要表現為可能導致進料部位發生堵塞。

2.2.2 生物質成型設備

根據成型方式不同，可將生物質成型設備分為螺旋擠壓、活塞沖壓、模壓三種類型，其中，模壓成型又分為環模成型和平模成型。顆粒燃料主要由模壓成型設備生產，而棒（塊）狀成型燃料則可以由這三種類型的成型設備加工而成。生物質成型燃料生產方式如圖2.9所示。

1.螺旋擠壓成型機

圖2.10和圖2.11所示分別是螺旋擠壓成型機及其成型部件的結構示意圖。這種成型機的工作過程為：經干燥和粉碎的原料從料斗連續加入，經進料口進入成型套筒，物料通過傳動螺桿表面的摩擦作用被不斷地向前推送，由于強烈的剪切和摩擦產生大量熱量，使物料溫度逐漸升高；在到達壓縮區前，原料被部分壓縮，密度增加，進入壓縮區后，原料在較高溫度下變軟，在壓力作用下，顆粒間通過固體架橋、機械鑲嵌和分子間作用力成為一個整體，繼續向前進入成型筒的保型區，并最終被擠出成型筒，經導向槽 （防止成型棒因重力自然斷開）至切斷機處被加工成一定長度的棒狀燃料。

螺桿在整個長度方向上分為進料段和壓縮段，進料段通常采用圓柱形等螺距螺旋；壓縮段通常采用具有一定錐度的等螺距或變螺距螺旋。螺桿的壓縮段處于較高溫度和壓力下，且螺桿與物料始終處于摩擦狀態，因此螺桿存在嚴重的磨損問題，這是制約這種成型設備推廣應用的主要問題。

螺旋擠壓成型機的優點包括：成型燃料生產過程連續，生產過程中成型機由于不承受振動負荷而運行平穩，生產的成型燃料質量均勻，燃料棒中心孔有利于燃料燃燒，燃料棒表面的炭化層能阻止空氣中水分進入，從而防止燃料棒因吸水而破碎。此外，由于設備結構簡單，所以成型機造價低。如圖2.12所示為螺旋擠壓成型機與成型螺桿。

螺旋擠壓成型機的主要缺點是螺桿磨損快，這是制約螺旋擠壓成型機推廣應用的瓶頸。成型過程中，由于螺桿和原料之間的相對運動，受成型過程中壓力和溫度的影響，螺桿會被快速磨損，比如，普通碳鋼生產的螺桿，使用壽命還不到8h。當螺桿磨損到一定程度時，螺旋葉片頂部直徑變小，葉片厚度變薄，高度減小，螺桿與成型套筒配合間隙增大，產生的擠壓力變小，致使成型速度變慢，生產率降低，成型效果變差。螺桿磨損到一定程度后將無法生產出成型燃料。

針對螺桿磨損問題，人們提出了兩個解決思路：

（1）對螺桿頭進行局部熱處理，使其表面硬化。如采用噴焊鎢鈷合金、碳化鎢焊條堆焊、局部炭化鎢噴涂或局部滲硼處理等方法對螺桿磨損嚴重部位進行強化處理。

（2）把磨損最嚴重的螺桿前部用耐磨材料做成可拆卸的活動螺旋頭，磨損后僅更換活動螺旋頭即可，螺桿本體還可繼續使用。

這些方法雖然可延長螺桿使用壽命，但并不能從根本上解決磨損問題。

2.活塞沖壓成型機

活塞沖壓成型機的成型部件由活塞（或沖桿）與成型套筒（包括沖桿套筒、成型錐筒、成型錐筒外套及保型筒）組成，如圖2.13所示。

成型筒設計時，成型錐筒內壁的曲面形狀應能滿足多種生物質成型工藝的要求，保型筒應有足夠的長度且末端孔徑可調節。成型錐筒是磨損速度最快的部件，因此可設計成能夠更換的套筒，套筒材料可以采用鑄鐵、合金鋼、非金屬陶瓷等。

按驅動力不同，活塞沖壓式成型機可分為機械驅動活塞沖壓式成型機和液壓驅動活塞沖壓式成型機兩大類，如圖2.14和圖2.15所示。機械驅動活塞式成型機是由電機帶動慣性飛輪轉動，利用慣性飛輪儲存的能量，借助曲柄連桿機構或凸輪機構，帶動活塞做往復運動。這種成型機由于沖桿運動速度快，所以可以實現較高的產率。但是由于存在較大的振動負荷，所以機器運行穩定性差，噪音較大。而且由于沖桿快速往復運動時會在沖桿和套筒間形成負壓，使得細顆粒進入潤滑油系統導致其被污染。

液壓驅動活塞式成型機是利用液壓油泵所提供的壓力，驅動液壓缸活塞推動沖桿將生物質沖壓成型，這種成型機運行較平穩，油溫便于控制，驅動力大。但是，由于液壓驅動的特點，使得沖桿運動緩慢，所以該類成型機的燃料產率受到很大制約。

與環模或平模等模壓成型方式相比，沖壓成型的優勢集中體現在兩個方面：①生產的成型燃料密度大、抗機械破碎能力強；②便于根據需要加工成規格統一的產品，滿足燃料作為家用商品銷售的需要。從成型機沖壓出來的成型燃料，既可以依靠重力自然斷裂，也可以根據需要切割成統一的規格，并進行包裝，如圖2.16所示。

3.環模成型機

環模成型機成型部件主要由環模和壓輥組成，如圖2.17所示。環模上均勻開設成型孔，運行過程中，環模成型機在動力驅動下使壓輥或環模轉動，在此過程中將進入壓輥和環模間隙的生物質擠入環模成型孔內。物料在不斷地摩擦、擠壓過程中產生高溫，在高溫高壓作用下，進入成型孔中的生物質先軟化進而發生塑性變形，被壓縮成一個整體。通過壓輥和環模的旋轉，持續將已經成型的燃料從成型孔中擠出。

環模成型機的環模分為一體式環模和分體式環模兩種，如圖2.18和圖2.19所示。環模是成型機最易磨損的部位，一體式環模磨損后需整體更換，維修費用相對較高。分體式環模可在一定程度上解決該問題。這種結構的環模由外部“母環”和中間的成型模塊組成。磨損只發生在由成型模塊組成的成型腔部位，當成型腔磨損程度不能滿足生產需求時，只需更換成型模塊即可。而分體式環模只適應于生產棒（塊）狀燃料，用于生產顆粒燃料時，只能用一體式環模，這是因為生產顆粒燃料的環模上成型孔數量太多，難以做成分體式成型模塊。

環模成型機的優勢在于生產率可以設計的比較大，可以滿足成型燃料規模化生產的需要。環模成型機用于生產塊狀或棒狀燃料時，存在的突出問題是所生產的成型燃料密度較低、燃料塊有明顯的裂縫，如圖2.20所示。這種質量的燃料雖然對燃燒的影響并不明顯，但影響燃料的運輸和儲存。由于抗機械破碎能力差，所以在運輸過程中容易破碎，且在儲存過程中容易吸收水分導致粉碎，導致這一問題的主要原因是這種成型方式難以在成型孔上設計足夠長的保型段。

對于環模顆粒燃料成型機，由于其成型孔小，要求原料粒徑小于10mm，所以適合采用木屑做原料，當采用秸稈做原料時，僅粉碎就需要消耗較高的能量，使得經濟性變差。

4.平模成型機

平模成型機的成型部件主要由平模和壓輥兩部分組成。平模成型設備的壓輥有錐體壓輥和圓柱體壓輥兩種類型，如圖2.21所示，圖2.22所示為平模成型機成型部件實物圖。壓輥數量2～4個，成型過程中成型部件有三種運動方式：平模運動、壓輥運動、平模和壓輥同時運動。

平模盤作為成型機的核心部件，是成型孔的載體。其結構形式有兩大類，即一體式平模盤和套筒式平模盤。一體式平模盤按成型孔直徑的大小分為顆粒燃料平模盤、棒（塊）狀燃料平模盤，如圖2.23所示。套筒式平模盤是目前平模成型機的發展趨勢，套筒內孔可設計成圓孔或方孔結構。套筒平模成型機最大優點是母盤為永久型部件，可以設計多種形狀的成型腔，生產不同原料的成型燃料，套筒可以采用廉價的鑄鐵，也可以采用陶瓷類非金屬材料。

平模成型機上的壓輥多采用直輥式。一體式平模盤配用的壓輥寬度較大，與套筒式平模盤配套的壓輥直徑要盡可能大，以便使轉速降低，壓輥自轉速度一般為50～100 r/min。平模成型機壓輥外緣的結構形狀與整體式環模壓輥類似，如圖2.24所示。從平模成型技術的發展來看，套筒式平模棒（塊）狀成型機是重要的發展方向。

當用于生產棒（塊）狀成型燃料時，平模盤最好采用套筒式結構。平模盤厚度設計首先要滿足成型質量要求，即滿足成型和保型需要，其次要考慮原料適應性，以及能耗及生產率的要求。

平模成型機結構簡單、成本低廉、維護方便。由于喂料室的空間可以設計得比較大，所以可采用大直徑壓輥，加之模孔直徑可設計到35 mm左右，因此原料適應性較好。當用秸稈做原料時，進行切斷處理就可滿足成型要求。這種成型方式對原料水分的適應性也較強，含水率15%～25%的物料都可擠壓成型。

當用于生產顆粒燃料時，平模式成型機仍然存在整體式平模磨損后維修費用高，原料粉碎粒度要求高，以及粉碎耗能高的問題。