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生物质固体成型燃料环模成型技术研究进展

摘要：综合分析了国内外生物质固体成型燃料环模成型技术、成型设备及产业发展现状，比较了生物质环模颗粒成型机和生物质环模压块成型机的性能和产品，指出了生物质固体成型燃料环模技术及设备存在着基础理论薄弱、原料适应差、易损件寿命短等问题；提出了我国生物质固体成型燃料环模成型技术的发展方向。

引言

生物质能作为一种清洁能源，具有可再生和环境友好的双重属性。发展生物质能，既有利于缓解我国能源紧张的局面，减少温室气体的排放，保护生态环境，又有利于改善农村居民生产生活条件，增加农民收入。我国是一个农业生产大国，具有丰富的生物质资源。目前，农作物秸秆年产量已超过7亿t，折合成标煤约为3.5亿t。此外，我国还有约13亿t林木业生物质资源可供利用。

生物质固体成型燃料是各类原来分散的、没有一定形状的秸秆等生物质经干燥和粉碎后，在一定温度与压力作用下，压制成的具有一定形状的、密度较大的新型清洁燃料。它具有便于储存和运输等优点，不仅可为农村家庭提供炊事、取暖用能，也可作为工业锅炉和发电厂燃料，替代煤、天然气、燃料油等化石能源，是生物质能利用的重要发展方向之一。随着农村居民生活水平的提高、对新型能源需求的扩大以及加强环境保护、应对全球气候变化的战略需要，生物质固体成型燃料已成为一种极具竞争力和发展潜力的替代能源。

目前，生物质固体成型燃料的成型设备主要有螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式成型机等3种形式。其中，压辊式成型机分为环模成型机和平模成型机。环模成型机采用环状压模，成型模孔环状径向辐射均布，工作区接触面积大、模孔多，环模与压辊接触线上各点等速，具有生产率高、能耗较低等优点，已经逐渐成为当前欧美等发达国家的主流技术。

本文拟通过对国内外生物质固体成型燃料环模成型技术发展现状及趋势等进行综合分析，探讨制约产业发展存在的关键技术问题，并提出下一步研究方向及对策措施。

1技术发展现状

1.1环模成型理论研究进展

生物质压缩成型技术研究，早期主要集中于成型压力和密度上。Skalweit最早提出了秸秆压缩成型理论，得出压力与密度为指数关系。随后，各国的研究者对其做进一步的证明和修正。

李在峰分析了成型时电耗主要集中在粉碎与制粒两个工序上，在不影响颗粒燃料使用性能的前提下，应尽可能地降低对密度的要求。姜洋发现了豆秆采用压缩比为4.0的环模、玉米秸秆采用压缩比为4.5的环模、锯末采用压缩比为5.0的环模时，颗粒燃料密度达到质量要求时设备系统的能耗较低。申树云对环模颗粒成型机核心工作部件——环模进行了ANSYS有限元分析，建立了颗粒成型过程中的温度场、应力应变场模型，得到长径比为5∶1时成型效果最佳的结论。高建辉对环模压块成型机利用ANSYS程序对成型设备力学性能以及振动响应特性进行了系统的量化分析，得到主轴部件的前6阶模态振型、临界转速以及在工作载荷频率下的动态响应特性。

现阶段，国内对生物质固体成型燃料环模成型设备的研究成果，主要是基于某种条件下进行的试验研究得到的一些优化结果。但受成型过程多方面因素影响，优化结果只在特定环境发挥作用。尚没有深入地研究环模成型机理，也缺乏对环模压块成型机的试验研究。

1.2产业发展现状

生物质环模成型机最初由饲料成型设备改进而得。早在20世纪60年代，美国约翰迪尔公司生产的Lundell压饼机，即采用了环模式压饼装置，并己成为定型产品在市场上销售。目前，国外主要生产木制颗粒燃料。近年来，生物质颗粒燃料总产量逐年增加，2008年全世界生物质颗粒燃料总产量达1160万t，其中欧洲（不含俄罗斯）总产量达740万t。某些大企业年产量达数十万t，如瑞典Skellefte覽KraftAB公司2009年的产量达23.5万t。

从20世纪80年代起，我国开始致力于生物质固体成型燃料技术的研究。1996年，辽宁省农牧业机械研究所申请了环模压块机的专利；1998年江苏正昌粮机集团公司开发了环模颗粒成型机，生产能力为250～300kg/h；2008年，农业部规划设计研究院完成了具有我国自主知识产权的环模颗粒成型机，并在北京市大兴区建成年产1万t生物质固体成型燃料生产线。国内外部分环模成型机的主要技术指标如表1。

目前，国外环模成型机适用原料主要为木屑等林业废弃物，产品多为颗粒燃料，设备制造比较规范，自动化程度高，生产技术大部分已经成熟，并达到规模化和商品化，但价格较高。国内生物质环模成型机还处于商业化初期，规模较小、适应性差，因此，亟待开发适合我国国情的环模成型设备。

2生物质环模成型机分类和比较

生物质环模成型机可按生产的产品尺寸规格进行分类，主要分为生物质环模颗粒成型机和生物质环模压块成型机。本文重点对农业部规