生物质秸秆成型机多目标优化设计

生物质秸秆成型机多目标优化设计摘要：生物质压缩成型燃料可广泛用于各种类型的家庭取暖炉（包括壁炉）、小型热水锅炉、热风炉，也可用于小型发电设施，是我国充分利用秸秆等生物质资源替代煤炭的重要途径，具有良好的发展前景。目前，国内外最常见的成型机技术主要包括三大类：螺旋挤压技术、活塞冲压技术和压滚式成型技术。根据主要工艺特征，成型工艺可分为湿压成型、热压成型和炭化成型三种基本类型。本课题是针对压滚式成型技术，将原有机电传动改为机电液传动，流量控制转速，简化了机械调速系统，并能实现低转速大转矩，提高了生产效率，消除成型机被物料堵住的卡机现象，实现了设备的自动保护的功能。关键词：生物质；压缩成型；秸秆；多目标优化设计Multi - objective Optimization Design of Biomass Straw Forming MachineAbstract: Biomass compression molding fuels can be widely used in various types of home heating furnaces (including fireplaces), small hot water boilers, hot blast stoves and small power generation facilities. It is the best way to replace coal with biomass resources such as straw in China. An important way, with good prospects for development. At present, the most common molding machine technology at home and abroad mainly include three categories: screw extrusion technology, piston punching technology and pressure roll forming technology. According to the main process characteristics, molding process can be divided into wet pressing, hot pressing and carbonization forming three basic types. This subject is for the roll-forming technology, the original mechanical and electrical transmission to mechanical and electrical hydraulic transmission, flow control speed, simplifying the mechanical speed control system, and can achieve low-speed high torque, improve production efficiency, eliminating the machine was Material blocking card machine phenomenon, to achieve the automatic protection function of the device.Key words: Biomass; Compression molding; Straw; Multiobjective optimization design目 录第1章绪 论11.1 引言11.2 生物质能利用技术21.3 国外生物质能开发利用概况41.3.1 美国41.3.2 巴西41.3.3 欧洲51.3.4 印度51.4 我国生物质能开发利用现状5第2章生物质秸秆成型机及生物质压缩成型燃料技术82.1 生物质压缩成型燃料技术概念与原理82.1.1 生物质压缩成型燃料技术原理92.1.2 生物质压缩成型燃料技术工艺92.2生物质秸秆成型机概述102.2 发展历史112.3 固体生物质结构特点122.4 生物质压缩成型原理122.5 压缩成型工艺类型及阶段132.6 生物质压缩成型工艺流程17第3章成型机技术203.1 螺旋挤压成型机203.2 活塞压力式成型技术243.3 压辊式成型机24第4章生物质秸秆成型机多目标优化设计264.1 成型机类别选择与组成264.1.1 成型机类别选择264.1.2 成型机的组成264.1.3 成型机结构274.2液压传动系统的选择和设计274.2.1 液压传动系统的选择304.2.2 液压传动系统的设计314.3液压系统参数计算及元件选定334.3.1 执行元件的选定334.3.2 动力元件的选定354.3.3 电机的选定374.3.4 油箱容量的确定384.3.5 过滤器的选择384.3.6 油管和管接头的确定394.3.7 压力计的选择394.3.8 阀的选择394.3.9 液压工作介质的选定394.3.10 保护装置的选定394.3.11 离合器的选定404.4液压系统主要性能验算414.4.1 液压系统压力损失验算414.4.2 液压系统效率的估算424.4.3 发热温升估算42参 考 文 献44第1章绪 论1.1 引言能源是人类赖以生存和发展的基础。是社会经济可持续发展的物质保障。我国是世界第二大能源生产国和消费国。2005年一次能源生产总量为20.6亿吨标准煤。初步测算消费总量为22.2亿吨标准煤。虽然我国能源储量十分丰富，但人均能源消费拥有量较低。水能资源和煤炭探明储量分别居世界第一位和第三位，但人均却仅占世界平均水平的50左右，石油、天然气人均储量更是远低于世界平均水平。我国正处在社会经济发展的重要阶段，随着人口的增长，工业化、城市化进程的加快，社会经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，能源需求将大幅度上升，资源约束与需求增长过快的矛盾十分突出，能源资源短缺正成为制约我国经济社会发展的重要因素。我国85的煤炭是通过直接燃烧使用的，造成了严重的环境污染。我国二氧化硫的排放量居世界第一位，二氧化碳的排放量占世界第二位，酸雨面积占国土面积的30，每年造成的经济损失达上亿元。我国国内石油资源不足，原油产量不能满足需求，进口石油依存度不断增大，国际石油价格波动对我国经济的影响亦越来越大，而世界石油资源争夺日益激烈。我国对海上石油运输通道的控制能力薄弱，过分依赖中东和非洲地区的石油和单一的海上运输路线，使我国石油进口的脆弱性更加凸显。因此，无论从能源资源的结构性短缺上，还是从经济可持续发展的要求来考虑，我国都不能再延续过去资源耗竭性的发展模式了，在能源开发和利用方面必须坚持把节约放在首位，积极开发包括生物质能在内的新能源和可再生能源。生物质能在历史长河中与人类生活密切相关，一直是人类社会赖以生存的重要能源资源，是仅次于石油、煤炭和天然气而位居世界第四大能源。生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式。以生物质为载体的能量具有可再生和环境友好的双重属性。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，可转化为常规的固态燃料、液态燃料和气态燃料，永续利用。生物质能的载体生物质是以实物的形式存在的，相对于风能、水能、太阳能和潮汐能等能源，生物质能是可存储和运输的可再生能源。生物质的组织结构与常规的化石燃料相似，它的利用方式也与化石燃料类似。常规能源的利用技术无需做大的改动，就可用于生物质能。在整个生命周期中，生物质二氧化碳、二氧化硫及氮氧化物的排放量远低于化石能源，所以生物质能是一种清洁能源。我国每年产生约6亿吨农作物秸秆、2亿吨林业废弃物，还有6亿吨畜禽粪便及大量有机废弃物。我国可用于种植能源作物的荒山荒坡约1.1亿公顷，其中荒草地资源4730万公顷，盐碱荒地1000万公顷。这些废弃物和荒土，无疑是一笔宝贵的能量资源和物质财富。据估计，我国每年可利用的生物质能源总量约折合5亿吨标准煤。其中，农作物秸秆年产量超过6亿吨，可作为能源用途的秸秆约3.5亿吨（折合1.5亿吨标准煤），工业废水和畜禽粪便理论上可以生产沼气近800亿立方米（相当于5700万吨标准煤），薪炭林、林业及木材加工废弃物的资源量相当于2亿吨标准煤。开发利用生物质能，不仅可以缓解我国能源短缺和环境污染等问题，而且可以促进农业经济的发展，有利于农民收入的提高和农村生活条件的改善。我国在生物质能领域已经广泛开展了研究工作，但与发达国家相比，无论在技术上还是产业化方面，都存在着较大的差距。例如，欧盟在生物质能的开发与利用方面有着先进的技术与丰富的经验，其中丹麦的农作物秸秆燃烧发电技术世界领先。2006年1月1日生效的中华人民共和国可再生能源法为生物质能的发展提供了新的契机。我国可以借鉴发达国家成功的经验，提出符合国情的发展战略和措施，促进我国的生物质能产业健康、快速、持续发展。1.2 生物质能利用技术人类对生物质能的利用已有悠久的历史，但是在漫长的时间里，总是以直接燃烧的方式利用它的热量。直到20世纪，特别是近一二十年，人们普遍提高了能源与环保意识，对地球固有的化石燃料日趋减少有一种危机感，在可再生能源方面寻求能源持续供给的今天，生物质利用新技术的研究与应用，才有了快速的发展。纵观国内外已有的生物质能利用技术，大体上如图1.1所示。： 图1.1 生物质能利用技术图中各项生物质能利用技术都在逐步完善和向前发展之中，随着研究的深入、技术的进步，其应用的层次在逐步提高。如生物质经气化得到的可燃性气体，既可用作燃料提供热能；还可用作发电的燃料，从内燃机到燃气轮机；乃至为燃料电池，氨的合成提供原料。用生物质制取的甲醇、乙醇，可代替部分石油作内燃机的燃料，用于交通运输行业中。生物质经干馏得到的木炭可用于有色金属的冶炼及环保行业的吸附剂，土壤的改良剂。生物质在厌氧条件下，被沼气微生物分解代谢，得到含有甲烷可燃性气体（沼气），是民用高热值的气体燃料，亦可与柴油混烧作内燃机的燃料，沼渣、沼液是优质的有机肥料，沼液还可用来浸种。如此等等，说明生物质能利用技术正在向纵深发展，生物质能的应用范围将会越来越广阔。1.3 国外生物质能开发利用概况自从1981年8月在内罗毕召开联合国新能源和可再生能源会议以来，许多国家对能源、环境和生态问题越来越重视，特别是利用现代新能源技术和新材料来开发包括生物质能在内的新能源，备受各国关注。目前，生物质能的技术研究和开发利用已成为世界中大热门课题之一，许多国家都制定了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、巴西的酒精能源计划等，其中生物质能源的开发利用都占有相当大的比重。现在，国外有许多生物质能利用技术与设备已达到了商业化应用的程度，实现了规模化产业经营。1.3.1 美国生物质能利用占一次能源消耗总量的4左右。用生物质能发电总装机容量已超过10000MW， 单机容量达1025 MW。纽约的斯塔藤垃圾处理站投资20000万美元，采用湿法处理垃圾，回收沼气，用于发电，同时生产肥料；开发出利用纤维素废料生产酒精技术，建立了1 MW的稻壳发电示范工程，年产酒精2500t。STM公司是美国通用汽车公司发展斯特林发动机技术的专业公司，研制出的STM4-120发动机被美国能源部评价为世界上最先进的斯特林发动机，可与沼气技术或生物质气化技术相结合，构成50KW左右的村级生物质能发电系统。普林斯顿大学能源与环境中心，在研制以生物质燃气为燃料，发电功率为200KW的小型燃料电池/燃气轮机发电系统。1.3.2 巴西生物质能在巴西能源利用量中约占25左右，其中薪柴和甘蔗占生物质能的5060，其余是农业废弃物。巴西是乙醇燃料开发应用最有特色的国家，实施了世界上规模最大的乙醇开发计划（原料主要是甘蔗、木薯等），目前乙醇燃料已占该国汽车燃料消费量的50以上。巴西是个盛产甘蔗的国家，而在1965年制定了“国家森林法”开始大量营造薪炭林，在巴西的东北部有1/3的土地（5000万公顷）适宜营造薪炭林，在该地区的巴伊亚州，已用桉树作原料兴建了一座25MW生物发电站，并投入商业运营，以薪炭林木材作燃料的发电潜力将超过甘蔗。到2005年，巴西的生物质发电量将可能达到600MW左右。1980年，巴西颁布了一项应用植物油燃料的国家计划，目的在于加快植物油代替柴油的进程，重点利用包括蓖麻油、椰子油、可可油在内的多种植物油，预计要替代1620的柴油用量。1.3.3 欧洲欧洲是生物质能开发利用非常活跃的地区，新技术不断出现，并且在较多的国家得以应用。1991年，在瑞典瓦纳茂兴建了世界上第一座完成的生物质气化燃气轮机/发电机-汽轮机/发电机联合发电厂，净发电量6MW，净供热量9MW，系统总效率达80以上。该国用催化裂解法处理生物质燃气中的焦油水平处于世界领先地位。在芬兰，使用上流式气化炉生产生物质燃气，用于区域集中供热，已达到商业化水平。该国的生物质气化设备制造厂在1988年前生产的9套设备，分别安装在芬兰、瑞典各地运行。在芬兰有世界上第一个以泥炭为原料用气化合成氨的方法来生产化肥的厂家。近十多年来，欧盟开展了将木料气化合成甲醇的研制工作，先后已有数个示范厂，德国已广发应用含13甲醇的混合汽油供汽车使用，在法国、捷克、瑞典。西班牙、俄罗斯等国，都在开发应用甲醇和乙醇的液体燃料。在荷兰、英国、比利时、希腊、葡萄牙等国，开展了用生物质热解法制取生物油的研究，生物油经改性后可作液体燃料。欧洲有的国家，还利用植物油作燃料的开发和研究。英国在研究应用基因技术改良油菜品种，以期提高产量，并使菜籽中的脂肪酸碳链由18个碳原子缩短到8个左右，获得优质菜籽燃油。瑞典在研究用适当配比菜籽油和甲醇的方法，获得生物柴油。1.3.4 印度印度年产薪柴0.284亿吨左右，工业废弃物和农业副产物（秸秆等）年产2.46亿吨。在发展中国家，印度的生物质能开发利用搞得比较好，以前沼气应用比较多，近期生物质压缩成型、气化技术等进展显著。生物质气化炉与柴油机/发电机组成的3.7KW、25 KW 、70 KW 及100 KW系统中，100 KW系统发电效率为35。发电用于水泵、磨谷机和其他小型电气设备，其中3.7KW发电系统已推广应用数百台。生物质气化炉产出的燃气还用于烟草、茶叶、食品、木材加工等生产过程中。1.4 我国生物质能开发利用现状早在20世纪30年代，美国就开始研究燃料压缩成型技术并研制了螺旋式成型机，能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料。日本从20世纪50年代开始从国外引进此项技术后进行了改进，现已发展成为日本压缩成型燃料的工业体系。在20世纪70年代后期，pLf欧许多多家（如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等）也开始重视生物质颗粒燃料压缩成型技术的研究。当前，日本、美国及欧洲一些国家生物质成型燃料燃烧设备已经定型，形成了产业化。这些技术在加热、供暖、干燥、发电等领域已被普遍推广应用。泰国、印度、菲律宾等从20世纪80年代开始也都先后研制成了生物质颗粒燃料压缩成型机。我国从20世纪80年代开始引进国外技术，并致力于生物质压缩成型技术的研究，目前已形成了一定的规模。我国的一些高等学校，如西北农大、东北农大、浙江农大和内蒙古农大等都在积极开展这方面的研究工作。经过多年的研究与试验，国内部分成型设备及其配套产品已逐渐发展成熟。但在国产成型加工设备引进及设计制造过程中，都不同程度地存在着技术及工艺方面的问题，有待于深入研究探索、试验开发。生物质成型燃料在我国一些地区已开始进行批量生产，并形成研究、生产和开发的良好势头，生物质颗粒燃料压缩成型技术的应用逐步完善。自古以来，农牧民就直接燃烧生物质用来做饭和取暖，直到现在，包括我国在内的发展中国家广大农村，基本上还是沿用着这种传统的用能方式。旧式炉灶热效率很低，只有1015；经过一些改革（如变为省柴灶），热效率也没超过25，资源浪费严重。直接燃用秸秆、薪柴、干粪、野草，劳动强度大，不卫生，烟熏火燎，易感染呼吸道疾病。在一些燃料缺乏的地区，农民极力向大自然索取，砍伐林木，割搂野草，致使森林及草原植被破坏、土壤退化、水土流失、洪涝成灾，给生态环境造成了严重恶果。在生活燃料部缺乏的某些地区，夏季忙于换茬复种倒地，在田地中焚烧大量秸秆，火焰四起，浓烟滚滚，影响了交通和人们的健康，也浪费了资源。改革开放以来，随着农村经济的发展和农民生活水平的提高，农村对优质燃料的需要日益迫切，19911998年，农村使用液化石油气和电炊的农户由1578万户增至4937万户。生物质能传统利用方式与农村逐步实现现代化的发展形势很不适应，生物质能优质化转换利用势在必行。城镇的扩大，乡镇企业的崛起，有机垃圾和有机废水日渐增多，如不有效处理，不仅浪费能源，也会造成环境污染。面对上述情况，我国政府部门要求科研单位和有关组织，抓紧生物质能新技术的研究与利用，制定了许多相关政策与规划并付诸实施，在上下共同努力过程中，经过20年左右的时间，我国生物质能开发利用取得了长足的进步：1. 沼气 20世纪90年代以来，我国沼气建设一直处于稳定发展的势态。到1998年底，全国户用沼气池发展到688万个；以沼气及沼气发酵液、沼渣在农业生产中的直接利用为主的沼气综合利用技术得到迅速应用，已达到339万户，其中北方的“四位一体”能源生态模式21万户，南方的“猪-沼-果”能源生态模式81万户。2. 生物质气化 经过十几年的研究、试验、示范，生物质气化技术已基本成熟，气化设备已有系列产品，产气量达2001000立方米每小时，气化效率达70以上。到2000年底，全国已建成秸秆气化集中供气站388处，有79443个农户用生物质燃气作生活燃料，有的还用作干燥热源和发电。以前用固定床气化炉，以稻壳为原料进行气化发电，规模较小。现在国内已有数处用流化床气化炉，可以用稻壳、锯末乃至粉碎的秸秆为原料进行气化发电，“九五”期间气化发电站规模达1000KW，“十五”期间将建造4000KW左右的气化发电站。全国生物质气化发电站数量有望增至30个左右。3. 薪炭林 自1981年起，我国开始有计划地建设薪炭林，到1995年，全国累计营造薪炭林4948000平方公里；其中“六五”完成2050000平方公里；“七五”完成1833000平方公里；“八五”完成1035000平方公里。年增产薪柴量2000000025000000t，对缓解农村能源短缺起到了一定作用。4. 生物质压缩成型及其他技术 我国已研制出螺旋挤压式、活塞冲压式和环磨滚压式等几种生物质压缩成型设备，其中螺旋挤压式压缩成型机推广应用较多，有关单位对挤压螺杆的耐磨性作了较深入的研究，延长了它的使用寿命。全国现有生物质压缩成型厂35个。生物质经压缩成型后可直接用作燃料，也可经过炭化炉炭化，获得生物炭，用于烧烤和冶金工业；还可生产块状饲料。第2章生物质秸秆成型机及生物质压缩成型燃料技术2.1 生物质压缩成型燃料技术概念与原理生物质压缩成型燃料可广泛用于各种类型的家庭取暖炉（包括壁炉）、小型热水锅炉、热风炉，也可用于小型发电设施，是我国充分利用秸秆等生物质资源替代煤炭的重要途径，具有良好的发展前景。将分布散、形体轻、储运困难、使用不便的纤维素生物质，经压缩成型和炭化工艺，加工成燃料，能提高容量和热值，改善燃料性能，成为商品能源。这种转换技术越来越被人们所重视。这种技术也称作“压缩致密成型”或“致密固化成型”。生物质颗粒燃料是生物质资源的重要组成部分，在可再生能源中占有非常重要的地位，其特点是种类多、数量大、具有可再生性等。但生物质颗粒燃料是以散抛型、低密度的能源形式存在的，所以资源分散、能量密度低、储运不方便，这些缺点严重地制约了生物质颗粒燃料的大规模应用。随着农业和农村经济的发展，农业生产过程中产生的废弃物不断增加，这些废弃物如不合理利用，既造成环境污染，又浪费能源。为了保护人类生存环境，缓解能源日益紧张的矛盾，对越来越多的农业、林业和农副产品加工业的废料加以处理和应用势在必行。因此，生物质颗粒燃料压缩成型技术应运而生，并越来越受到人们的重视，富通新能源生产销售的秸秆颗粒机、木屑颗粒机、秸秆压块机专业压制生物质成型颗粒燃料。生物质颗粒燃料压缩成型技术是生物质颗粒燃料的一种简单、实用、高效的利用加工形式，为高效利用农林废弃物、农作物秸秆提供了一条新的途径。生物质颗粒燃料在压缩成型后，密度大大提高，有的可高达1.3kg/m3，能量密度与中质煤相当。当生物质颗粒燃料成型后，其燃烧特性不仅能得到明显改善，而且储存、运输和使用等均很方便，并干净卫生。近儿年来，由于嗣家及相关部门一直在组织进行生物质废弃物的清洁及利用技术的研究，随着这些技术的日趋成熟，已经在一定范围内得到推广。这些技术也是今后国家扶持发展的对象。由于生物质颗粒燃料压缩成型对于保护生态环境，发展可持续生态农业十分有利，同时具有较大的市场开发潜力，因此研究和利用生物质压缩成型技术对我国能源优质高效利用和生态环境可持续发展具有重要的意义。2.1.1 生物质压缩成型燃料技术原理生物质压缩成型，就是将各类生物质废弃物，如秸秆、稻壳、锯末、木屑等，采用机械加压的方法，使原来分散、无定形的原料压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料。生物质颗粒燃料的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，一般占生物质颗粒燃料成分的2/3以上。其中纤维素在木材和植物秸秆中含量一般为50%左右；木质素在木材中的含量达25%以上，在植物秸秆中占有20%左右。当生物质含有水分时，纤维素可结合成团状，施加一定的压力后可使纤维素形成一定的形状。含水率不同，施加压力的大小也不等。木质素又称木素，在常温下不溶于有机溶剂，木素属非晶体，没有熔点但有软化点，当温度达700C110时，其软化黏合力处于增加状态；在200300时，软化程度加剧以致达到液化，此时加一定压力，可使其与纤维素紧密黏接。黏合加压后的生物质颗粒燃料经过一定形状的成型孔眼，可以形成具有固定形状的压缩成型棒、粒燃料。在热压缩成型过程中，因大部分生物质颗粒燃料本身已具备了压缩成型的基本条件，可不用黏结剂。由于压缩条件、压缩方式、压缩对象等有较大的差异，影响生物质颗粒燃料压缩成型的因素非常复杂。目前对生物质颗粒燃料压缩成型的影响因素进行分析研究的内容分别有原料种类及含水率、原料颗粒度、成型压力与模具尺寸和加热温度等。2.1.2 生物质压缩成型燃料技术工艺生物质颗粒燃料压缩成型工艺，从广义上可分为常温压缩成型、热压成型、碳化成型3种形式。常温压缩成型常温压缩成型也叫湿压成形。在常温下将原料浸水数日或将原料喷水，使其湿润皱裂并部分降解，将其水分挤出，加黏结剂搅拌混合均匀，然后压缩为成型燃料。同样，也可利用简单的粉碎和压缩技术，在常温下把粉碎后的生物质颗粒燃料压缩成高密度成型燃料，不需加热，这样能耗和生产成本都比较低。热压成型是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。生物质原料在压缩过程中加热，使木质素中的胶性物释放出来，起黏结作用，同时通过高压将粉碎的生物质材料挤压成型。其工艺过程包括粉碎、干燥、加热、压缩、冷却。热压成型工艺中常采用的致密成型设备主要有螺旋挤压式成型机、机械驱动活塞冲压式成型机、液压驱动活塞冲压成型机和压辊式颗粒成型机等几种形式。碳化成型根据工艺流程不同，碳化成型工艺可分为先成型后碳化和先碳化后成型两类。先碳化后成型工艺是先将生物质原料碳化成粉粒状木炭，然后再添加一定量的黏结剂，用压缩成型机挤压成一定规格和形状的成品木炭。其工艺流程包括：粉碎原料、除杂、碳化、添加黏结剂、挤压成型和干燥。先成型后碳化工艺是先用压缩成型机将松散细碎的农作物废弃物压缩成具有一定密度和形状的燃料棒，然后用碳化炉将燃料棒碳化成机制木炭。其工艺流程包括：原料粉碎、干燥、压缩成型、碳化和冷却。生物质颗粒燃料作为环保可再生能源，是全世界大力推广的绿色能源。生物质颗粒燃料在燃烧过程中可达零排放，即不排渣、无烟，也无二氧化硫等有害气体，不污染环境，二氧化碳接近零排放，燃烧后的炭粉可作为优质钾肥返田改良土壤，是减少环境污染的高效能源。我国大力倡导和支持生物质能源的开发和利用，加工生产生物质颗粒燃料的投资者，无须办理营业执照、无须缴纳任何税收及管理费用，地方政府还有对生产加工者免费提供生产场地，减免电费，并提供资金支持和经济补贴等相关优惠政策，减轻其投资负担，让投资者获取更大的经济收益。生物质压缩燃料可广泛用于人民生活、饮食服务业，它的市场非常广阔。在我国，加快生物质压缩成型技术的研究与开发，利用农村丰富的生物质资源，开拓国际市场，必将取得可观的经济、生态、环保和社会效益。以生物质原料压缩成型燃料，原料来源广泛，所需技术并不复杂，在我国农村、城镇中实行产业化有着广阔的发展前景。2.2生物质秸秆成型机概述该机主要用于把较松散的农作物秸秆（如玉米秸秆、大豆秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、稻壳、锯末等）在压力、温度、粒度、含水率适宜的条件下成型为棒状或块状，以提高燃料的燃烧性能，经该生物质秸秆成型机生产出来的生物质燃料炭块（秸秆煤）是一种新型的可再生环保型燃料，具有清洁、高热值、高燃烧效率等特点，可以做为燃炉、锅炉、发电炉的燃料，生物质秸秆成型机采用平模块状与压轮之间挤压力和模孔摩擦力相互作用原理，使物料获得成型。在加工物料过程中无需加入任何添加剂或粘结剂。该机主要用于把较松散的农作物秸秆（如玉米秸秆、大豆秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆、稻壳、锯末等）在压力、温度、粒度、含水率适宜的条件下成型为棒状或块状，以提高燃料的燃烧性能，经该生物质秸秆成型机生产出来的生物质燃料炭块（秸秆煤）是一种新型的可再生环保型燃料，具有清洁、高热值、高燃烧效率等特点，可以做为燃炉、锅炉、发电炉的燃料，在部分领域完全可以做为煤的替代品，成型后的生物质燃料炭块也可以经炭化后制成炭，以满足生产和生活对高品位能源的需求。生物质秸秆成型机以农村玉米秸秆，小麦杆，棉花秸杆，稻壳，花生壳，树枝.树叶.锯末等农作物.固体废弃物为原料经粉碎，加压，增密成型的秸秆炭的全套机械化生产设备。经生物质秸秆成型机加工成型后的秸秆炭块体积小，比重大，耐燃烧，便于储存和运输体积仅相当于原秸秆的1/30，是同重量秸秆的10-15倍，其密度为0.9-1.4g/m3.热值可达到3500-5500大卡，是高挥发物的固体燃料秸秆煤炭可以代替木柴.原煤.液化气等热源广泛用于生活炉灶，取暖炉，热水锅炉，工业锅炉，生物质电厂生物气化锅炉等。加工过的秸秆煤炭是一种新型的生物质再生能源，环保清洁，远远低于原煤的成本和市场价格，应用范围极为广泛，城市中的采暖供热以及宾馆，饭店，洗浴等行业解决了使用燃煤锅炉不符合环保要求的难题，并解决了燃油的成本高于秸秆煤炭的十余倍之多。将超过物料用铡草机切割或用粉碎机进行粉碎，其物料粒长度和含水量均在规定范围内；由上料机（皮带输送机）或人工将物料均匀送到成型机上方料口内，进行压制成型即是成品。生物质秸秆成型机从原料来源到燃料使用的流程为：物料回收铡切上料自动去金属压制成型输出冷却运输小型锅炉、民用生物质电厂。2.2 发展历史成型燃料最早是英国一家机械工程研究所以泥煤作原料研制成的，后用于加工褐煤和精煤，逐步发展到加工造纸厂的废弃物。20世纪30年代，“螺旋式”在美国开始设计，同时，现代化的活塞成型机在瑞典、德国得到推广，以锯木为原料的燃料块在市场上有了竞争力，50年代日本人研制出了螺旋式生物质成型机，并逐步推广到了中国台湾省、泰国乃至欧洲国家和美国。50年代后又相继产生了以油压、水压为动力的生物质压缩成型设备，以及以机械为动力滚筒或小颗粒成型设备。 图2.1 含水率为28的玉米秸成型块 图2.2 含水率为24的稻秸成型块在20世纪80年代，得到较大规模的发展，当时由于出现能源危机，石油价格上涨，西欧国家、美国的木材加工厂提出用木材实现能源自给。因此，生物质压缩燃料发展很快，西欧国家和日本等国已成为一种产业，印度和东南亚一些国家对这项技术的研究与应用也相当重视。1984年，日本已有172家工厂生产生物质压缩燃料，总产量达26万吨/年。在我国，这项研究也得到了政府的关注和支持，在国家科技部、经贸委、计委共同编写的“中国新能源和可再生能源发展纲要（19962010）”中提出要“发展高效的直接燃烧技术、致密 成型技术、气化液化技术”，作为今后能源工作的一个重要方面来抓。1993年前后，中国大陆的一部分企业和省农村能源办公室从日本、中国台湾省、比利时、美国引进了近20条生物质压缩成型生产线，基本上都采用螺旋挤压式，以锯木屑为原料，生产“炭化”燃料。近年来，一些国家还在这方面开展了国际合作，如由荷兰政府资助的“生物质致密化项目”便是有荷兰、印度、泰国、菲律宾、马来西亚、尼泊尔、斯里兰卡7个国家共同参与的一个国际合作项目，该项目已经完成了第一和第二阶段的研究工作，第三阶段将着重进行工程示范和技术推广工作。2.3 固体生物质结构特点生物质压缩成型所用的原料主要有；锯木、木屑、稻壳、秸秆等。这些纤维素生物质细胞中含有纤维素、半纤维素和木质素（或称木素），占植物体成分2/3以上。纯纤维素呈白色，密度为1.501.56克每立方厘米，比热容为0.320.33kj/（kgK）。半纤维素穿插于纤维素和木质素之间，结构比较复杂，在酸性水溶液中加热时，能发生水解反应，而且比纤维素水解容易，水解速度也快得多，水解产物主要是单趟。其水解特性，对将生物质转换成液体燃料有一定价值。木质素是一类以苯基丙烷单体为骨架，具有网状结构的无定形高分子化合物，木质素为白色或接近红色。不同植物的木质素含量、组成和结构不尽相同，在常温下木质素主要部分不溶于任何有机溶剂，它是非晶体，没有熔点，但有软化点。当温度达70110左右时，木质素发生软化，黏合力增加；在200300时，软化程度加剧，进而液化，此刻施加一定压力，可使其与纤维素紧密黏结。在热压缩过程中，无需黏结剂，即可得到与挤压模具相同形状的成型棒状或颗粒燃料。大部分纤维素生物质都具有被压缩成型的基本条件，但在压缩成型之前，一般需要进行预处理，如粉碎、干燥（或浸泡）等，而锯末、稻壳无需再粉碎，但要清除尺寸较大的异物。2.4 生物质压缩成型原理由于植物生理方面的原因，生物质原料的结构通常都比较疏松，密度较小。这些质地松散的生物质原料在受到一定的外部压力后，原料颗粒先后经历重新排列位置关系、颗粒机械变形和塑性流变等阶段，体积大幅度减小，密度显著增大。在水分存在时，用较小的作用力即可使纤维素形成一定的形状；当含水率在10左右时，需施较大的压力才能使其成型，但成型后结构牢固。由于非弹性或黏弹性的纤维分子之间相互缠绕和绞合，在去除外部压力后，一般不能再恢复原来的结构形状。对于木质素等黏弹性组分含量较高的原料，如果成型温度达到木质素的软化点，则木质素就会发生塑性变形，从而将原料纤维紧密地黏结在一起，并维持既定的形状。成型燃料块经冷却降温后，强度增大，即可得到燃烧性能类似于木材的生物质成型燃烧块。对于木质素含量较低的原料，在压缩成型过程中，加入少量的诸如粘土、淀粉、废纸浆等无机、有机和纤维类黏结剂，也可以使压缩后成型块维持致密的结构和既定的形状。因为这些黏结剂加入后，生物质粒子表面会形成一种吸附层，使颗粒之间产生一种引力（即范德华力），同时在较小外力作用下粒子之间也可产生静电引力，致使生物质粒子间形成连锁结构。被粉碎了生物质粒子在外压力和黏结剂作用下，重新组合成具有一定形状的生物质成型块，这种成型方法需要的压力比较小。对于某些容易成型的材料则不必加热，也不必加黏结剂，但在粉碎颗粒需要细小，成型压力需要大，滚筒挤压式小颗粒成型实际就是这种类型。2.5 压缩成型工艺类型及阶段 压缩成型工艺过程可分为3个阶段：成型前的准备、压缩成型过程各压后处理。1）成型前的准备热固性塑料较吸湿，且比体积较大，为了使成型能顺利，并保证塑件的质量和产量，需对原料进行预热处理，有些情况下还需对原料进行预压处理。 预热 。成型前热固性塑料原料要进行预热处理，目的是去除原料中的水分和其他挥发物，同时提高料温，便于缩短成型同期。生产中常用电热烘箱进行预热处理。预压。在室温下将松散的热固性塑料用预压模在液压机上压成重量一定、形状一致的型坯，形坯的形状最好能紧凑地放入模具开腔中，通常为片状或块状。2）压缩成型过程热固性塑料压缩成型过程包括：加料、合模、排气、固化、脱模、清模等几个阶段，若成型带有甘苦嵌件的塑件，加料前应预热嵌件，并将其安放并定位于模具内。嵌件的安放。安放嵌件一般是用镊子或专用工具，也可手工安放。安放嵌件的要求位置正确且平稳，以成型过程出现移动而导致废品甚致损坏模具。加料。在模具加料腔中加入已经预热或定量的热固性塑料原料，定量加料的方法有重量法、容积法、计数法3种。重量法准确，但操作麻烦；容积法虽然没有重量法准确，但操作方便；计数法只能用于加预压坯料。合模。加料完后便合模。在凸模尚未接触物料前合模速度尽量要快，以缩短成型周期，避免塑料过早固化和过多降解；当凸模接触物料后速度要慢，以避免模具中的嵌件、成型杆或型腔损坏。另外，慢速还有利于模具的排气。当模具闭合后可加大压力（通常为1535MPa）,同时对模具进行加热。合模所需的时间一般为几秒至几十秒。排气。在模具闭合后有进还需卸压，将凸模松动少许时间，以便排出模具中的气体。排气不但可以缩短固化时间，而且还可避免塑件内出现气泡和分层现象，从而提高塑件性能和表面质量。排气的次数和时间按需要确定，一般次数为12次，每次时间为几秒至20秒。固化。在排气结束后，再次将压力升高到一定数值，并在成型温度下保持一定时间，使其性能达到最佳状态。固化速率不高的塑料，可缩短模内固化时间，在模外的烘箱内继续完成固化。通常酚酫塑料的后烘温度为90150，时间一般为几个小时至几十个小时。模内固化时间取决于塑料的种类、塑件的厚度、物料的形状、预热和成型的温度等，一般为30秒至几分钟。具体固化时间由实验方法确定，过长或过短对塑件的性能都不利。脱模。在固化完成后为了使塑件从模具型腔中脱出，通常用推出机构将塑件推出模外，带有侧型心时，应用专门工具或手工具先将它们取出，然后再进行脱模。清模。在热固性塑料脱模后，模内如果留有一些碎料或飞边等，会影响下一次塑件的成形质量甚至造成废品。而模具的清理是铜刷、压缩空气或其他工具将这些杂物清理到模具外。3）压后处理热固性塑料压缩成型后，为了进一步提高质量，对某些塑件还需进行后处理。一般是将其置于较高的温度环境中保温一段时间。后处理能使塑料固化更完全，同时可减少或消除塑件的内应力，减少水分及挥发物等，有利于提高塑件的电性能及强度。压缩成型工艺参数主要是指压缩成型压力、温度和压缩时间。1）压缩成型压力是指压缩成型时液压机通过凸模对塑料熔体充满型腔和固化时，在分型面单位投影面积上施加的压力，简称成型压力。施加成型压力的目的是：促使物料流动充模，增大塑件的密度，提高塑件的成型质量；克服塑料树脂在成型过程中因化学变化释放的低分子物质及塑料中持水分蒸发等产生的涨模力，使模具闭合；保证塑件具有稳定的尺寸、形状，减少飞边，防止塑件变形。但过大的成型压力会降低模具的使用寿命。压缩成型压力的大小与塑料的性能、塑件的结构形状信模具温度等因素有关，一般情况下塑料的流动性越差，塑件越厚以及形状越复杂，塑料固化速度和压缩比越大，所需要的成型压力越大。常见塑料的成型压力表。2）压缩成型温度压缩成型温度是指压缩成型所需的模具温度。它是使热固性塑料流动、充模及固化成型的主要影响因素，它决定了成型过程中聚合物交联反应的速度，从而影响塑件的性能。热固性塑料随温度的变化其粘度和流动性会发生很大变化。温度升高，塑料从固态逐渐变成熔体，粘度由大变小，流动性能提高。然后交联反应开始，随温度的继续升高，交联反应速度增大，熔体粘度由小变大，流动性能下降。因此，在闭模生迅速增大成型压力，使塑料在温度还不很高、流动性能较好时充满型腔是非常重要的。温度升高能加快热固性塑料交联反应速度，缩短固化时间，从而缩短压缩周期。但是，过高的温度会造成固化速度太快而塑料流动性迅速下降，易引起充模不足，特别是形状复杂的深腔、薄壁塑件。温度过高还可能引起物料分解、变色而使塑件表面颜色暗淡。另外，高温下外层固化要比内层快得多，从而使内层挥发物质难以排除，这不仅会降低塑件的力学性能，而且会使塑件产生变形、肿胀、开裂、翘曲等缺陷。因此在成型厚度较大的塑件时，往往不是提高温度，而是在降低温度下延长时间。但温度过低会导致固化速度慢且固化不完全。生物质压缩成型工艺形成有多种，根据主要工艺特征的区别，可划分为湿压成型、热压成型和炭化成型三种基本类型。图2.3 生物质压缩成型及炭化工艺类型1. 湿压成型湿压成型工艺常用含水量较高的原料，可将原料水浸数日后将水挤走，或将原料喷水，加黏结剂搅拌均匀。一般是原料从湿压成型机进料口进入成型室，在成型室内，原料在压辊或压模的转动作用下，进入压辊与压模之间，然后被挤入成型孔，从成型孔挤出的原料已被挤压成型，用切断刀切割成一定长度的颗粒从机内排出，再进行烘干处理。湿压成型燃料块密度通常较低。湿压成型一般设备比较简单，容易操作，但是成型部件磨损较快，烘干费用高，多数产品燃烧性能较差。尽管湿压成型有环模成型、平模成型，对辊成型、刮板成型、齿轮成型等多种机具类型，但目前应用范围不广，在东南亚国家和日本等地有些小规模的生产厂家。2. 热压成型热压成型是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。其工艺过程一般为：原料粉碎干燥混合挤压成型冷却包装等几个环节。由于原料的种类、粒度、含水率、成型压力、成型温度、成型方式、成型模具的形状和尺寸等因素对成型工艺过程和产品的性能都有一定的影响，所以具体的生产工艺流程以及成型机结构和原理也有一定的差别。但是在各种热压成型方式中，挤压成型环节都是关键的作业步骤。目前，热压成型工艺中采用的成型机主要有螺旋挤压式成型机、机械驱动活塞式成型机、液压驱动活塞式成型机等几种形式。其中螺旋挤压式成型机采用连续挤压，成型温度通常调整在220280之间。为了避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般要将原料含水率控制在812之间。在挤压过程中，原料与成型部的摩擦虽能生热，但满足不了成型温度的要求，因而需采用电热元件等对成型部位进行加热。现在，有关研制单位试用原料在进入成型机之前，对其进行预加热（到100左右），以减轻成型部件的磨损。螺旋挤压机产出的成型块通常为空心燃料棒（有利汽化气的排出），其密度一般在1.01.4吨每立方米之间。液压或机械驱动的活塞式成型机通常用于生产实心燃料棒或燃料块，其密度通常介于0.81.1吨每立方米之间，其中液压驱动的活塞式成型机对原料的含水率的要去不高，允许原料含水率高达20左右。3. 炭化成型工艺炭化成型工艺的基本特征是，首先将生物质原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏结剂挤压成型。由于原料纤维结构的炭化过程中受到破坏，高分子组分受热裂解转换成炭，并释放出挥发分（包括可燃气体、木醋液和焦油等），因而其挤压加工性能得到改善，成型部件的机械磨损和挤压加工过程中的功率消耗明显降低。但是，炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差，储存、运输和使用时容易开裂或破碎，所以采用炭化成型工艺时，一般都要加入一定量的黏结剂。如果成型过程中不使用黏结剂，要保护成型块的储存和使用性能，则需要较高的成型压力，这将明显提高成型机的造价。4. 黏结剂为了使成型块在运输储存和使用时不致破损、裂开，并具有良好的燃烧性能，理想的黏结剂必须能够保证成型炭块具有足够的强度和抗潮解性，而且在燃烧时不产生烟尘和异味，最后黏结剂本身也可以燃烧。常用的黏结剂可分为无机黏结剂、有机黏结剂和纤维类黏结剂三类。其中无机黏结剂（如水泥、粘土和水玻璃等）虽然具有一定的黏结能力，但这类黏结剂会增大燃料的灰分含量，降低燃料的热值，而且在炭块燃烧时会产生开裂的现象，所以使用效果较差。有机黏结剂（如焦油、沥青、树脂和淀粉等）也具有较强的黏结能力，淀粉黏结剂使用量一般为4左右，虽然在燃烧时不产生烟气，但其抗潮解能力较差。以焦油、沥青和糖浆肥料作为黏结剂使用时，用量大约为30，这类黏结剂的抗潮解能力较强，但在燃烧时会产生一定的烟气和异味。纤维类黏结剂（如废纸浆和水解木纤维等工业废弃物）价格低廉，而且具有较好的黏结能力，使用这一类黏结剂生产的成型炭可以采用自然干燥，而不必进行人工干燥。2.6 生物质压缩成型工艺流程图2.4 生物质压缩成型工艺流程1. 生物质收集生物质收集是十分重要的工作。在工厂化加工的条件下要考虑三个问题：一是加工厂的服务半径；二是农户供给加工厂原料的形式，是整体式还是初加工包装式；三是原料的枯萎度，也就是原料在田间经风吹、日晒、自然状态脱水程度。如果不是机械收割、打捆、枯萎度大点好。另外要特别注意收集过程中尽可能少夹带泥土，泥土多了，容易造成燃烧时结渣。机械化收集可解决这一问题。2. 物料粉碎粉碎时压缩成型前对物料的基本处理，粉碎质量好坏直接影响成型机的性能及产品质量。例如在颗粒成型过程中，如果原料的丽都过大，则原料必须再成型及内碾碎以后才能进入成型孔，这样成型时就要消耗大量功率。在颗粒成型过程中，成型机也能进行一定的粉碎作业，但不会像粉碎机那样高效率进行，因此要求粉碎作业尽可能在粉碎机上完成。不是对所有供给压缩成型的物料都需进行粉碎作业，如利用锯末、稻壳等为原料进行热压成型时，往往只从原料中清除尺寸较大的异物，不进行粉碎即可压缩成型。但是对于一般木屑、树皮及植物秸秆等尺寸较大的农林废弃物，都要进行粉碎作业，而且常常进行两次以上粉碎，并在粉碎工序中间插入干燥工序，以增加粉碎效果。对于种类较为繁杂，尺寸较大的原料往往进行三次粉碎作业。第一次粉碎只能起到将原料尺寸匀整的作用，经过二次粉碎、干燥及三次粉碎以后才能满足成型机对原料粒度的要求。对于颗粒成型燃料，一般需要将90左右的原料粉碎至2mm以下，经过二次粉碎才能将原料粉碎到5mm以下，有时不得不进行三次粉碎。粉碎作业用得最多的是锤片式粉碎机。对于树皮、碎木屑、植物秸秆等，锤片式粉碎机能够较为理想地完成粉碎作业。粉碎物的粒度大小可用改换不同开机大小凹版来实现。但是对于较粗大的木材废料，一般先用木材切片机切成小片，再用锤片式粉碎机将其粉碎。3. 干燥成型（燃料及饲料）中水分含量很重要，国内外使用的都是经验数据，不是理论计算数据。水分含量超过经验上限值时，加工过程中，温度升高，体积突然膨胀，易产生爆炸，造成事故；若水分含量过低，会使范德华力降低，以致成型成问题。因此生物质原料粉碎后，要有一个脱水程序。最佳湿度在1015，但活塞式成型机因其加工过程是间断式的，因此可以适当高些（1620）。通过干燥作业，使原料的含水率减少到成型所要求的范围内。与热压成型机配套使用的干燥机主要有回转圆筒干燥机、立式气流干燥机等。（1）回转圆筒式干燥机回转圆筒干燥机有热风发生炉、干燥筒、进料装置、出料装置和回转驱动机构等组成。原料从进料口进入干燥筒，干燥筒在驱动机构作用下作低速回转运动。干燥筒向出口方向下倾210，并在筒内安装有抄板。物料在随干燥筒回转时被抄起后落下，由热风发生炉产生的热风对物料进行加热干燥，同时由于干燥筒的倾斜及回转作用原料被移送到出料口然后排出机外。回转筒干燥机按干燥筒内物料与气流的流动方向可分为逆流操作和顺流操作。根据被干燥物料的特性和最终要求的含水量，来选择物料的流向和设备的组装。逆流操作时，物料和加热气流相向流动，干燥器内传热与传质推动力比较均匀，适用于不允许快速干燥的热敏性物料，逆流操作被干燥物料的含水率较低。顺流操作使用于原料含水量较高、允许干燥速度快、在干燥过程中不分解、能耐高温的非热敏性物料。对于压缩成型的植物材料，一般采用顺流操作。回转圆筒干燥机具有生产能力大，运行可靠，操作容易，适应性强，流体阻力小，动力消耗小等一系列优点。其缺点是设备复杂，体积庞大，一次性投资多，占地面积大。（2）立式气流干燥设备立式气流干燥设备由热风发生炉、进料装置、干燥输送管道、离心分离器及风机等组成。由热风发生炉产生的热风在抽风机的作用下，被吸入干燥管道内。同时，被干燥的原料也由加料口加入与热风汇合，在干燥管内，热风和原料充分混合并向前运动。在热风的作用下原料很快被加热，原料的水分散发，最后完成干燥。干燥以后的原料被吸入离心分离器分离，湿空气被风机抽出排放，原料经出料口排出。气流干燥机由于原料在气流中的分散性好，干燥的有效面积大，干燥强度大，生产能力大，所以干燥时间可以大大减少。在干燥过程中，采用顺流操作，入口处气温高，但原料的湿度大，能充分利用气体的热能，所以热效率高。另外，气流干燥还具有设备简单、占地面积小、一次性投资少等优点，并且可以同时完成输送作业，能够简化工艺流程，便于实现自动作业。4. 预压缩是为了提高生产率，即在推进器“进刀”前先把松散的物质预压一下，然后推到成型模前，被主推进器推到“模子”中压缩成型。预压多采用螺旋推进器、液压推进器，也有用手工预压的，这与要求的产量有关，生产单位可以自主选择。5. 压缩“成型模”是生物质成型的关键部件，它的内壁是前大后小的锥形，物料进入模具后要受三种力，即机器主推力、摩擦力、模具壁的向心反作用压力。影响大小的是和密度、直径等。影响大小的是夹角和模具温度。夹角越大，越大，密度也要加大，动力也要加大，因而夹角设计是关键因素，它随着直径和密度、材料种类有不同的要求。为了便于调整“模子”，设计有内模和外模，外模是不变的，内模是可以调换的。的确定需经过试验，一般从3开始，用插入办法调试。6. 加热生物质原料压缩成型过程中的加热，一方面可使原料中含有的木质素软化，起到黏结剂的作用；另一方面还可使原料本身变软，容易压缩。除此之外，加热温度对成型机的工作效率也产生影响。对于棒状燃料成型机，当机器的结构尺寸确定后，加热温度就应该调整到一个合理的范围。温度过低，不但原料不能成型，而且功耗增加；温度增高，电机功耗减小，但成型压力减小，成型物挤压不实，密度变小，容易断裂破损。该机型的加热温度一般调整在150300之间，使用者需根据原料的形态进行调整。颗粒燃料成型虽然没有外热源加热，但在成型过程中，原料和机器工作部件之间的摩擦作用也可以将原料加热到100左右，同样可使原料所含木质素软化，起到黏结作用。模具温度采用电阻丝来控制，应先预热后开机。也有不加热的。例如用螺旋挤压式时，只要动力设计的足够大，锥角比较大，就可以产生较大的摩擦力，产生的摩擦热完全可以供成型使用。但这种方法会增大动力消耗，增大螺旋头和模具磨损，一般3050h就要更换螺旋头。如果使用这种高压方式，宜先进行经济核算，然后再设计。7. 加黏结剂加入