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摘 要： 論述了以木質為原料制取顆粒成型燃料的工藝過程和內壓滾動式成型機的結構以及成型條件。研究開發(fā)的成型機以木屑為原料生產能力達250
kg/h，當顆粒成型燃料作為家庭取暖爐用時，具有較好的經濟效益和明顯的社會效益。
中圖分類號：S 789 文獻標識碼：A 文章編號：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.
木質壓縮成型燃料，是以木屑、樹皮等林業(yè)剩余物為原料，在高壓(49～196 MPa)、加熱條件下，壓縮成棒狀、顆粒狀且質地堅實的成型物，可作為工業(yè)鍋爐、民用爐灶和工廠、家庭取暖爐以及農業(yè)暖房的燃料，也可進一步加工成木炭或活性炭。在作為工業(yè)鍋爐燃料時，可直接用鏈條爐等爐型，而不必進行鍋爐改造等。由于成型燃料除具有比重大(通常＞1.0)、便于貯存和運輸、著火易、燃燒性能好、熱效率高的優(yōu)點外，還具有灰分小，燃燒時幾乎不產生SO2，不會造成環(huán)境污染等優(yōu)點，在世界上堪稱為一種理想燃料，有著廣闊的市場前景。
國外木質壓縮成型燃料的開發(fā)工作始于40年代，1948年日本申報了利用木屑為原料生產棒狀成型燃料的第一個專利，50年代初生產了商品化棒狀成型機，60年代成立了木質成型燃料行業(yè)協(xié)會。70年代初，美國研究開發(fā)了內壓滾筒式顆粒成型機，并在國內形成大量生產，年生產顆粒成型燃料能力達80萬t以上，1985年生產成型燃料達200萬t以上
；日本1982年棒狀成型燃料生產能力達20萬t，1985年平均每戶消耗成型燃料達750 kg，1988年僅家用成型燃料就達25萬t。瑞士、瑞典、西歐等發(fā)達國家也先后開發(fā)研究了壓縮成型燃料。
我國木質壓縮成型燃料開發(fā)研究工作起步較晚，1990年中國林科院林產化學工業(yè)研究所與東海糧食機械廠合作，完成了國家“七五”攻關項目――木質棒狀成型機的開發(fā)研究工作，并建立了1000
t/a棒狀成型燃料生產線，隨后，全套機械出口馬來西亞、埃塞俄比亞、印度尼西亞等國。同年，東南大學和江蘇省科技情報所也開發(fā)研究了棒狀成型機。至于木質顆粒成型燃料生產技術，在本研究之前，尚未見報道。
生產成型燃料是有效地利用木質廢料(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，具有生產時原料含水率可擴大(至24
%)，燃燒的適應面更廣(可直接用于大型鍋爐)等特點。
1 成型機基本結構和?？壮叽?/strong>
成型機是生產顆粒成型燃料的關鍵設備。美國、日本生產顆粒成型燃料的主要設備是內壓滾筒式成型機，成型原理示意圖如圖1。該設備主要由環(huán)模、壓輥、進料刮板、切刀等組成。操作時，主軸傳動環(huán)模(1)帶動壓輥(2)旋轉，原料經進料刮板(3)被卷入環(huán)模和壓輥之間，兩者相對旋轉對原料逐漸擠壓，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)進料刮板feed
scraper;(4)切刀cutter；(5)?？?/font>mould hole
江蘇省溧陽市正昌集團公司，是全國最大、最早生產飼料顆粒成型機的公司，林化所與該公司合作后，對基本型的飼料顆粒成型機的機體及傳動等主要部件的強度、速度等計算后，采用了KYW32型飼料顆粒成型機基本結構作為本研究成型機的基本結構。圖2為KYW32型成型機的基本結構。它是由進料、攪拌、成型、傳動系統(tǒng)等組成。操作時，是將原料從料斗(4)進入進料器(5)，由無級調速電機(3)調速，定量的原料進入攪拌器(7)與從蒸汽進口(6)進入蒸汽混合后，由下料槽(2)進入成型機的成型室(1)壓制成成型顆粒。該生產過程所需功率，主電機(9)為37
kW，進料器的調速機(3)為0.55 kW，攪拌器的電機(8)為2.2 kW。
圖2 KYW32型成型機基本結構
Fig.2 Basic structure
of KYW32 moulding machine
(1)成型室moulding
chamber;(2)下料槽laying-off
gutter;(3)調速電機speed
adjustable motor;(4)料斗hopper;(5)進料器feeder;(6)蒸汽進口steam inlet;(7)攪拌器agitator;(8)電機motor;(9)主電機main motor;(10)主傳動箱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。從設備結構看，其重要條件是環(huán)模的模孔結構和尺寸，成型燃料模孔結構示意圖如圖3。?？拙哂胁煌倪M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，因不同木質原料而不同
。根據不同原料成型工藝要求，采用了4 種模孔結構和尺寸，入口角度α=30°和60°，中央直徑d=? 6 mm，長度L=40 mm和45 mm進行了試驗，最后確定了能滿意生產顆粒成型燃料時的?？捉Y構和尺寸如下：
α=60°，d=? 6 mm，d′=? 6.5 mm，L=40 mm
?？组_孔率(環(huán)模內徑? 320 mm，寬度90 mm上，開孔10排，每排108孔)33%。
圖3 ?？捉Y構示意圖
Fig.3 The structure
of moulding hole
2 成型工藝條件試驗
木屑等木質原料在成型過程中，成型機結構、環(huán)?？捉Y構以及成型工藝是相關的，在確定了成型機結構和環(huán)?？捉Y構后，成型工藝成了技術關鍵，對不同原料、不同成型工藝試驗表明：成型壓力、溫度、原料粒度和含水率是影響成型燃料生產的主要因素。
成型工藝試驗流程如圖4。
圖4 成型工藝試驗流程
Fig.4 The technological
process of moulding experiment
(1)水槽flume;(2)多級離心泵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，經多級離心泵(2)，泵入操作壓力296～395 kPa電蒸汽發(fā)生器(3)內，由發(fā)生器(3)產生的蒸汽經減壓閥(4)進入攪拌器(7)的蒸汽入口(6)，與進料器(5)進入的原料混合進行調質，提高原料溫度和調整含水率，使原料溫度和含水率在進入成型機成型室(8)時，符合工藝要求。少量冷凝水經緩沖器(10)和疏水器(9)排出。按圖4流程進行了成型工藝條件的試驗。代表性工藝試驗數據如表1。
表1 代表性工藝條件試驗表
Table 1 Main technological condition of experiments
試驗號
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 |
進入成型室時原料溫度(℃)
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 |
試驗號
number |
成型顆粒情況pellet |
生產能力(kg/h)
production capacity |
主電機運行功率(kW)
power of main motor |
| 強度strength |
表面surface |
長度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 %，顆粒強度大，指符合產品質量指標一級或特級(另見顆粒成型燃料企業(yè)標準)。
增濕后：即原料在攪拌器中與進入蒸汽混和增濕后的含水率，此為進入成型機成型室時的原料含水率。
2.1 成型壓力和溫度
由木質素、半纖維素、纖維素組成的木屑等木質原料，由于木質素在加熱下可塑化，具有粘結性，可將木質原料中的半纖維素、纖維素在壓力下壓縮粘結成成型燃料。不同種類的原料，由于其木質素、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。試驗表明，壓力過低將不能使原料壓緊壓實，嚴重時，不足以克服環(huán)?？椎哪Σ亮Γ尚蛯o法進行；溫度過低，不足以使木質素塑化，即使有足夠壓力，也不能將原料成型。當進料速度過低時，原料在壓輥和環(huán)模間摩擦時間長，產生熱量過大，在環(huán)?？字?，因摩擦產生過高溫度，會造成成型燃料表面嚴重熱分解，出現裂縫，降低了強度，甚至于不成型。為了成型時達到合適的所需溫度，必須在攪拌器中通入蒸汽(當生產能力為200
kg/h左右時通入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生熱量，從測定剛生產的顆粒成型燃料的溫度，估計成型溫度在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，對松木屑和杉木屑試驗后發(fā)現，松木屑含有非粘結性的易揮發(fā)成分較多，成型較困難；而杉木屑由于木質素含量較多，粘結性好，因此成型容易，刨光粉的粒度在150目左右，因其粒度太細，表面不象木屑那樣粗糙，雖可成型，但強度低于木屑。從表1試驗號6、7、8看出，在刨光粉中摻入30
%左右木屑或摻入5 %左右堿木質素，則可改善成型條件，成型良好。
原料含水率對成型過程和產品質量影響很大。試驗表明，對木屑和刨光粉原料，成型時原料含水率控制在16 %～22 %，所以氣干的木屑和刨光粉原料，應用蒸汽調質，不僅為了提高原料的溫度，同時使原料含水率從11
%～12 %增濕至16 %～22 %。當增濕后的原料含水率＞26 %時，成型條件變壞，顆粒有爆開現象，強度大為下降。當原料含水率為氣干或在14
%以下，未用蒸汽調質，直接進入成型機成型室時，由于溫度太低和含水率不合適，會造成成型壓力大幅度上升，主電機超載，防護成型機安全的安全銷斷裂，見表1試驗號4。另外從表1試驗號2、3還可看出，在木質原料中，摻入2
%廢機油，可減少成型機的運行功率。
總之對木屑和刨光粉原料，只要控制適宜的工藝條件，采用KYW32型飼料顆粒成型機的基本結構和確定的環(huán)模結構，可連續(xù)穩(wěn)定生產符合質量要求(另見顆粒成型燃料企業(yè)標準)的顆粒成型燃料，生產能力達到200～250
kg/h。
2.3 成型燃料發(fā)熱量的測定
按GB 5186-85生物質燃燒發(fā)熱量測定方法，對木屑、刨光粉為原料的成型燃料進行了發(fā)熱量測定，發(fā)熱量分別為20.72和20.16
MJ/kg；用馬福爐進行灰分測定，含量分別為1.0 %和1.5 %。
2.4 成型燃料的吸濕
一般木質成型燃料貯存時會吸收空氣中水分，產品含水率增加，表面開裂和膨松，產品質量呈下降趨勢，本顆粒成型燃料，當暴露于空氣貯存半個月左右，有表面開裂和膨松現象。為保證產品質量，產品出廠時應用密封的塑料袋包裝。
3 成型機使用壽命
所謂使用壽命，主要指環(huán)模使用壽命。環(huán)?？自谶\行過程中，由于受到高壓原料的摩擦，容易損壞，需定時進行更換，對KWY32型成型機，從生產運行功率看，采用木屑、刨光粉原料成型時，其運行電流僅比飼料成型時大5
A左右，相當功率3.3 kW，占運行功率10 %左右，所以木屑、刨光粉成型時成型壓力僅稍比飼料偏高一點，通常飼料成型時，按現有的環(huán)模材料及熱處理方法，環(huán)模能運行2000
h以上，這樣預計木屑、刨光粉原料成型時，環(huán)模約在2000 h需進行更換。
4 經濟效益
4.1 鍋爐燃料
按一臺顆粒成型機建一條生產線，生產能力為250 kg/h，二班制操作，每年生產300天進行核算，年生產顆粒成型燃料能力1200
t；顆粒成型燃料售價280元/t，創(chuàng)年產值33.6萬元；生產成本約32.9萬元，收支平衡，略有余。
4.2 取暖爐燃料
美國平亞公司在我國已投資建設國際上流行的冬天用的取暖爐生產線(1999年生產500臺)，這種爐由于售價便宜(2000～3000元/臺)、操作費用低(100
m2房，一冬天需0.5 t顆粒成型燃料，操作費用大大低于空調器取暖費)，預計有較好市場前景。該公司愿意按450元/t成型燃料收購。
綜上所述，當成型燃料售價為280元/t，一條成型機生產能力為250 kg/h的生產線收支大體相當，現以450元/t出售，則每噸利潤為170元，全年利潤20萬元。
5 社會效益
成型燃料生產技術是將木屑等低品位的原料，經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情況如表2。表2中列出了以0.5 t鍋爐用能時，實際測定的熱效率，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：生產每噸成型燃料耗電120 kW.h。
從表2看出，當使用刨花木屑直接燃燒時，產生相當于每噸成型燃料(在扣除生產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改變了燃燒性能，提高了熱效率之緣故。即是說，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，如在我國廣大農村或林區(qū)逐步推廣使用成型燃料，將可減少生物質能源消耗，對改善我國生態(tài)平衡起到了積極作用。
此外，成型燃料與煤相比，燃燒時不僅提高了熱效率，而且不產生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，均不需要對鍋爐改造，可直接使用。也可作氣化爐的原料，因而成型燃料的開發(fā)，可推動生物質能源的開發(fā)，為生物質能源的工業(yè)化和商業(yè)化開拓了道路，為農林加工工業(yè)的能源自給開辟了廣闊前景。
作者簡介：蔣劍春(1955-)，男，江蘇溧陽人，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 中國林業(yè)科學研究院林產化學工業(yè)研究所，江蘇
南京 210042；
徐建華 潘嘉亮 沈衛(wèi) 姜偉忠 江蘇正昌集團公司，江蘇 溧陽 213300
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桂公網安備 45010302000299號
