能源研究與信息第22卷第1期Energy Research and InformationVol.22No.12006文章編號(hào):1008-8857(2006)010006-06生物質(zhì)燃料的破碎研究肖波,鄒先枚,楊家寬,馬承榮,阮淵(華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,湖北武漢430074)摘要:設(shè)計(jì)了適合生物質(zhì)(秸稈)破碎的彎口刀和直刃刀的刀片,及含粗破碎、細(xì)破碎和收集裝置為一體的破碎系統(tǒng),試驗(yàn)揭示了生物質(zhì)的破碎機(jī)理。得到的粗破碎產(chǎn)物粒徑小于10mm,細(xì)破碎產(chǎn)物粒徑小于0.5mm。對(duì)影響該系統(tǒng)的細(xì)破碎產(chǎn)率、破碎粒徑的重要因子進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到了獲得經(jīng)濟(jì)粒徑和產(chǎn)率的相關(guān)運(yùn)行參數(shù),為生物質(zhì)燃料破碎的工業(yè)化和生物質(zhì)能的開發(fā)利用莫定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),關(guān)鍵詞:生物質(zhì)能;秸稈;破碎中圖分類號(hào):S216文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A隨著化石能源的日益枯竭及其燃燒對(duì)環(huán)境危害的逐漸顯露,生物質(zhì)能以其可再生、清潔性日益受到全世界的廣泛重視。開發(fā)生物質(zhì)能不僅能將農(nóng)林廢棄物(如秸稈、樹枝、樹葉、廢舊家具等)合理利用起來,防止能源浪費(fèi),增加經(jīng)濟(jì)效益,而且能減少CO2、SO2和NO3等的排放,緩解環(huán)境污染生物質(zhì)的破碎技術(shù)不僅能克服生物質(zhì)原始狀態(tài)能量密度小、存放體積大、運(yùn)輸不便等缺點(diǎn),而且是把生物質(zhì)制成吸附材料、成型燃料和人造板材等以及使生物質(zhì)形成粉體進(jìn)行燃燒、氣化、液化的先導(dǎo)技術(shù)。目前專門針對(duì)生物質(zhì)物料的破碎機(jī)械產(chǎn)物粒徑都在10mm以上,屬于粗破碎的范圍,如實(shí)地作業(yè)的切碎滅茬還田機(jī)、青飼破碎機(jī)等。作者設(shè)計(jì)出一種高效生物質(zhì)粉體燃燒爐,能大大提髙生物質(zhì)的燃燒效率,但現(xiàn)有的生物質(zhì)破碎機(jī)不能滿足其對(duì)粒徑的要求。粉體越細(xì),燃燒效果越好,但破碎成本越高,為此尋找粉體粒徑和破碎成本間的最佳平衡點(diǎn)正是研究生物質(zhì)破碎的出發(fā)點(diǎn)。本文的破碎研究主要包括以下兩方面:探討生物質(zhì)(主要針對(duì)以玉米秸為代表的軟質(zhì)秸稈)破碎時(shí)的施力方式及刀片形狀,設(shè)計(jì)出能耗小、破碎效果好、適合生物質(zhì)物料的破碎系統(tǒng);針對(duì)該破碎系統(tǒng),對(duì)影響細(xì)破碎產(chǎn)率和粒徑的因素進(jìn)行試驗(yàn)研究,得到適合該系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。1破碎機(jī)刀片的形狀設(shè)計(jì)秸稈切碎方式主要有輪刀式切碎、滾刀式(螺旋殯卬片打-滾刀式切碎滑切作用強(qiáng),但切碎體不能自動(dòng)拋出,不適合秸稈切碎。但能耗高2。CNMHG收稿日期:2005-08-29作者簡(jiǎn)介:肖波(1958-),男(漢),教授, lifehopes@163com。第1期肖波等:生物質(zhì)燃料的破碎研究按施加外力的作用方式的不同,物料破碎一般通過擠壓、沖擊、剪切、磨削和劈裂幾種方式進(jìn)行,各種粉碎設(shè)備的工作方式也多以這幾種方式為主。由于秸稈抗壓強(qiáng)度小、且纖維較長(zhǎng)物料間碰撞自行破碎的概率較小,故采用剪切力、磨削力破碎最為有效。盛奎川對(duì)棉稈的切碎試驗(yàn)也表明,直刃刀切碎方式能耗低、顆粒細(xì)小且產(chǎn)量高。此外文獻(xiàn)[5]也論述了直刃刀片所具有的明顯優(yōu)點(diǎn)綜合上述分析,采用輪刀式的彎口刀和直刃刀來實(shí)施剪切力和磨削力。彎口刀由螺母固定在定板上,首先將秸稈切成小段,然后直刃刀將小段磨削成碎粒。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1。彎口刀定板直刃刀圖1刀片形狀示意圖Fig. 1 Schematic of knifes2破碎系統(tǒng)本文設(shè)計(jì)的破碎系統(tǒng)由三部分組成:臥式破碎機(jī)用于粗破碎,立式破碎機(jī)用于細(xì)破碎,旋風(fēng)除塵器用于破碎產(chǎn)物的收集(見圖2、圖3)。臥式破碎機(jī)和立式破碎機(jī)可聯(lián)合作業(yè),也可獨(dú)立作業(yè)。該破碎系統(tǒng)集粗破碎和細(xì)破碎于一體,并能通過改變一些工作參數(shù)提供不同粒徑的細(xì)破碎產(chǎn)物。101-1#電機(jī)2皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3-進(jìn)料斗中國(guó)煤化工6-連接管7-2#出料口8-2#破碎室CNMHG圖2粗細(xì)聯(lián)合破碎示意圖Fig 2 Schematic of the unit for primary and fine shredding能源研究與信息2006年第22卷21工作原理臥式破碎機(jī)由進(jìn)料斗3、破碎室4和出料口5等組成,動(dòng)力由電機(jī)經(jīng)皮帶輪來驅(qū)動(dòng)主軸(見圖2)。工作時(shí),秸稈經(jīng)進(jìn)料斗3借助手動(dòng)推力和破碎室內(nèi)的負(fù)壓滑入破碎室。破碎室由定料襯板、輪刀式彎口刀、直刃刀及筒壁上的擋板構(gòu)成。由于秸稈纖維長(zhǎng),柔韌性好,在破碎室內(nèi)容易產(chǎn)生纏軸現(xiàn)象。在進(jìn)料口的左、右和下方均裝有定料襯板,其四周磨成鋒利的刀口,與彎口刀一起完成秸稈的切斷工作,并有效解決纏軸問題。秸稈在破碎室中首先經(jīng)進(jìn)料口的彎口刀切成小段,然后經(jīng)直刃刀高速切削,并在擋板和刀片間不斷地被打擊、碰撞及磨削逐漸破碎高速旋轉(zhuǎn)的刀片形成穩(wěn)定的空氣流場(chǎng),將破碎后的物料經(jīng)出料口5排出,并將進(jìn)料斗中的秸稈吸入破碎室內(nèi)。立式破碎機(jī)主要由進(jìn)料管9、破碎室8和出料口7組成,動(dòng)力由電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸(見圖2)。其破碎原料取自粗破碎的產(chǎn)物,細(xì)破碎后的粉體粒徑均在0.297mm(即50目)以下。粉體可由出料口⑦接旋風(fēng)除塵器收集,也可由出料口⑦直接接風(fēng)機(jī)和收料袋收集。破碎時(shí),物料借破碎室內(nèi)的負(fù)壓滑入破碎室,然后在破碎室中經(jīng)雙面直刃刀高速剪切、磨削,并與擋板不斷打擊、碰撞,最后逐漸碎成粉狀粉料收集裝置采用旋風(fēng)除塵原理,其功能部件可分解為輸料管5、輸風(fēng)管6、旋風(fēng)筒4、收料斗3和出料閘門2組成(見圖3)。風(fēng)機(jī)7經(jīng)輸風(fēng)管將破碎系統(tǒng)內(nèi)部空氣抽出使其形成負(fù)壓,引導(dǎo)物料的流向,物料經(jīng)旋風(fēng)筒減速后落到收料斗,少量極細(xì)的粉料經(jīng)風(fēng)機(jī)后由收料袋收集。=1-出料口2-出料閘門3-收料斗4-旋風(fēng)筒5-輸料管6-輸風(fēng)管7-風(fēng)機(jī)8-收料袋圖3粉料收集裝置示意圖Fig 3 Schematic of the collecting devices2.2破碎機(jī)理分析結(jié)合原料受力特性和斷口性狀來分析,秸稈的破譬碎、研磨與互磨等形式。CNMHG221剪碎粗破碎產(chǎn)物大部分是橫截切斷,斷口較尖銳,主要受剪切力作用,磨削作用較少。剪切力主要由彎口刀施予,這也是粗破碎中最主要的施力方式。第1期肖波等:生物質(zhì)燃料的破碎研究222劈碎秸稈經(jīng)粗破碎后斷口有很多豎向斷面,這就是劈碎的結(jié)果。這種力主要由雙面直刃刀施予,完成對(duì)物料的劈、削作用。經(jīng)彎口刀橫切碎的小段物料成紊亂狀態(tài)半懸浮在破碎室內(nèi),這些物料在瞬間可視為在整個(gè)破碎室內(nèi)靜止,刀片在旋轉(zhuǎn)過程中在物料支點(diǎn)間加力,將懸浮的小段物料劈碎。其特點(diǎn)是發(fā)生局部破碎,基于刀片速度遠(yuǎn)髙于物料旋轉(zhuǎn)速度。22.3研磨與互磨這種破碎形式主要在細(xì)破碎中發(fā)生。圖4是利用電子掃描顯微鏡拍攝的秸稈粉體的微觀形貌,粉體多成片狀。片狀粉體間的碰撞摩擦易使顆粒變小。細(xì)破碎時(shí)破碎室內(nèi)物料密度大、速度髙,顆粒間的相互摩擦每時(shí)每刻都在發(fā)生,因此就不可避免地使物料顆粒受到研磨與互磨。其特點(diǎn)是顆粒之間的表面相對(duì)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生剪應(yīng)力根據(jù)以上分析,粗破碎中主要是剪碎、劈碎兩種破碎方式;細(xì)破碎中主要是劈碎和硏磨與互磨兩種破碎方式。剪碎和劈碎由彎口刀和直刃刀完成,研磨與互磨借助電機(jī)高的旋轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)。30kU X198圖4玉米秸粉體的SEM圖(×19000)ig. 4 SEM photo of the stalk powder(x19000)3影響產(chǎn)率與粒徑的因素生物質(zhì)的破碎研究除了破碎機(jī)理和破碎機(jī)刀片的形狀研究外,如何獲得最大破碎產(chǎn)率和最小破碎粒徑是另一個(gè)重要問題,這關(guān)系到破碎能耗是否經(jīng)濟(jì)的問題?；谧髡咴O(shè)計(jì)的破碎系統(tǒng),對(duì)影響二者的因素作了初步探討。由于秸稈的粗破碎已經(jīng)很成熟,本文僅針對(duì)細(xì)破碎進(jìn)行討論。破碎系統(tǒng)中可變的工作參數(shù)為:立式破碎機(jī)六口附近的風(fēng)門1開度、風(fēng)機(jī)與輸風(fēng)管聯(lián)接處的風(fēng)門2H中國(guó)煤化工立式破碎機(jī)加料CNMHG風(fēng)門1和風(fēng)門2是可開啟關(guān)閉的閥門,分別用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)部的風(fēng)壓和調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量。破碎能耗由電流表間接顯示,破碎產(chǎn)物經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)篩篩分后取篩下物超過物料50%的篩孔直徑作為平均粒徑。10能源研究與信息200年5第22卷實(shí)驗(yàn)表明,刀片斜口全部向下,出料最細(xì)但產(chǎn)率最低。下三組斜口向上,上三組斜口向下,產(chǎn)率較前一種布置要高,但破碎室上下部受熱不均,不利于軸的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。最后得出六組刀片的斜口從下而上依次上下交錯(cuò)布置,綜合效果最好。為此,取這種布置,改變其他因素,對(duì)產(chǎn)率和粒徑的關(guān)系進(jìn)行分析(見表1)表1不同工作參數(shù)下粒徑與產(chǎn)率的關(guān)系Table 1 Relationship of the shredding rate and the particle size with different working parameters變量因子結(jié)果刀片斜口的布置風(fēng)門!風(fēng)門2電機(jī)轉(zhuǎn)速工作電流產(chǎn)率平均粒徑平均能耗r minkg. h. /mm/kWh.t斜口上下間錯(cuò)布置開開1400不出料斜口上下間錯(cuò)布置關(guān)開293053.6斜口上下間錯(cuò)布置開開29301600.1771028在電機(jī)轉(zhuǎn)速為1400rmin1時(shí),出現(xiàn)不出料的情況。這說明當(dāng)?shù)抖司€速度太低,產(chǎn)物粒徑太大時(shí),此風(fēng)機(jī)風(fēng)量不夠,不足以輸送破碎產(chǎn)物。將風(fēng)門2關(guān)小時(shí),產(chǎn)率很低但產(chǎn)物粒徑能達(dá)到0.125mm(120目)。為了提高產(chǎn)率,風(fēng)門2在實(shí)驗(yàn)過程中都處于全開狀態(tài)。風(fēng)門1是否開啟對(duì)產(chǎn)率和粒徑有很大影響,風(fēng)門1開時(shí)能增加產(chǎn)率并能降低能耗,且這種粒徑的粉體能滿足作者設(shè)計(jì)的粉體燃燒爐的粒徑要求。綜合上述分析,針對(duì)該破碎系統(tǒng),刀片斜口上下間錯(cuò)布置風(fēng)門1、風(fēng)門2均全部打開和電機(jī)轉(zhuǎn)速為2900rmin時(shí),破碎成本和燃燒效率能達(dá)到較好的平衡。4結(jié)論與建議通過對(duì)生物質(zhì)破碎的機(jī)理分析和實(shí)驗(yàn)研究,得出以下結(jié)論:(1)采用輪刀式的彎口刀和直刃刀破碎秸稈能達(dá)到破碎粒徑小,破碎產(chǎn)率高的目的。)粗破碎時(shí),破碎方式主要是剪碎和劈碎兩種,破碎力由彎口刀、直刃刀來實(shí)現(xiàn);細(xì)破碎時(shí),破碎方式主要是劈碎和硏磨與互磨,破碎力由直刃刀和髙速旋轉(zhuǎn)物料間的磨削來實(shí)現(xiàn)。粗破碎產(chǎn)物粒徑在10mm以下時(shí),產(chǎn)率能達(dá)到200kgh?,耗能49,3kWht';細(xì)破碎產(chǎn)物粒徑在0.17m(即80目)以下,產(chǎn)率能達(dá)到160kgh,耗能102.8kWht(3)刀片形狀及其相對(duì)位置、電機(jī)轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)功率及其進(jìn)出風(fēng)通暢與否是影響細(xì)破碎產(chǎn)率和粒徑的重要因素。參考文獻(xiàn)[l]肖波,郭勇,楊家寬,等.生物質(zhì)粉體燃燒技術(shù)的初步研究[J.能源技術(shù),2004,25(5):197-199[2]藺公振,吳鑫,姬江濤,等.輪刀切割器的工作性能試驗(yàn)與分析[].洛陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào),199,17(2):52-563]陶珍東鄭少華粉體工程與設(shè)備M.北京:化學(xué)工業(yè)中國(guó)煤化工[4]盛奎川.秸稈切碎、壓縮以及成型塊燃燒特性的硏究[D什HCNMHG65] SHENG Kuichuan, BEHERY Ahmed El, GOMAN Has San. Experimental studies on chopping cotton stalk andbriquetting process[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 1999, 15 (4): 221-225肖波等:生物質(zhì)燃料的破碎研究Study on biomass fuel shreddingXIAO Bo, ZoU Xian-mei, YANG Jia-kuan, MA Cheng-rong, RUAN Yuan(The College of Environmental Science and Engineering, Huazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074 China)Abstract: The shape of the knife for shredding biomass, especially maize stalks, is studied in thispaper. The curly and straight knives prove applicable for shredding biomass. a biomass shreddingsystem is designed which consists of a primary shredder, a fine shredder and collecting devices. testresults indicate that the particle size of biomass after primary shredding is under 10 mm, and afterthe fine shredding the particle size is smaller than 0.5 mm. Moreover, the shredding mechanisms andfactors which influence the shredding rate and particle size are investigated experimentally. Theeconomical working parameters for this system are obtained. This work provides firm basis for theindustrial utilization of biomass shredding and biomass energyKey words: biomass energy; stalk; shredding哈電氣將在澳大利亞建環(huán)保電廠中澳合資最大清潔煤電廠合作備忘錄簽署,這是中國(guó)公司首次在發(fā)達(dá)國(guó)家投資建大電廠。日前,中國(guó)最大的電站設(shè)備制造商和電站工程承包商哈爾濱電氣集團(tuán)哈爾濱電站工程有限公司(HPE)正式對(duì)外宣布:該公司已于2006年2月17日在澳大利亞與澳方HRL公司簽署了400MW清潔煤電廠開發(fā)項(xiàng)目合作備忘錄。該項(xiàng)目將利用HRL公司開發(fā)的世界領(lǐng)先的褐煤干燥氣化發(fā)電技術(shù)( IDGCO)以及澳大利亞維多利亞州豐富的褐煤資源。項(xiàng)目計(jì)劃于今年年底動(dòng)工,合資雙方在該項(xiàng)目中各持50%的股份。據(jù)HPE副總經(jīng)理張英健介紹,這是中國(guó)公司首次在發(fā)達(dá)國(guó)家投資新建大規(guī)模環(huán)保電廠項(xiàng)目,將帶動(dòng)哈電氣數(shù)億澳幣的成套電站設(shè)備出口。同時(shí),IDGC技術(shù)在中國(guó)有著廣泛的應(yīng)用前景,不僅能大大降低電廠投資發(fā)電成本,而且顯著減少排放,經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性兼?zhèn)?。?jù)悉,該項(xiàng)目的合資方HRL公司總部位于墨爾本,在過去10年中投入了約1.2億澳幣用于 IDGCC技術(shù)的研發(fā)。該技術(shù)將褐煤發(fā)電的最大劣勢(shì)一高含水量轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢(shì),通過合成氣使褐煤發(fā)電效率大大提高,排放量顯著減少,而褐煤低廉的價(jià)格將使電廠運(yùn)營(yíng)成本得到有效控制該技術(shù)對(duì)于我國(guó)有效利用內(nèi)蒙古、云南、黑龍江等地的褐煤資源,緩解動(dòng)力煤開采供應(yīng)壓力,降低電廠排放,保護(hù)水資源等都具有極大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。HRL公司的CEO喬頓卡特在簽字儀式上說:“中國(guó)煤化玉HPE合作。HPE在電站設(shè)備制造和電廠開發(fā)建設(shè)方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)HCNMH冰到渠成的決定我們期待將來雙方在 IDGCO技術(shù)推廣應(yīng)用方面繼續(xù)合作,進(jìn)入加拿大、美國(guó)以及歐盟市場(chǎng)?！?沈杰)