课题研究的具体内容

随着煤、石油、天然气等常规能源的日益枯竭,可再生能源的开发与利用已受到世界各国的高度重视。生物质能是最有发展前景的可再生能源之一,它曾在人类社会发展中起到过重要的作用,目前研究人员已经开发出多种生物质能转换利用技术,其中,生物质成型燃料技术已成为生物质能现代化利用的重要方式之一。

我国是农业大国,生物质资源种类多,主要分布在广大农村地区,数量非常巨大,全国每年可利用的生物质能资源总量估计可达7亿t标准煤以上。生物质能属于清洁能源,生物质能的利用可实现CO₂零排放,是替代煤、石油和天然气等矿物燃料的重要能源。开发利用生物质能，既可以满足农村的能源需求,提高农民生活水平,又可以改善农民居住环境。所以,开发利用生物质能,对于国家能源安全、CO₂减排和社会可持续发展都具有重要意义。

生物质能利用的最终产品有气态、液态和固态三种形式。生物质转化为液态和气态产品都要经过化学反应过程,在转化过程中有一定的能量损失,因此同其他生物质能利用技术相比较,生物质成型燃料技术因生产过程简单而更容易实现大规模产业化,其产品更容易直接使用。因此,生物质固化成型燃料技术设备的研发和产业化已经列入我国可再生能源发展的重点。

本课题的研究内容如下：

1.生物质成型燃料成型原理研究；

2.生物质固化成型工艺的研究；

3.生物质成型机的结构设计；

4.生物质成型机的液压系统设计；

5.生物质成型机的控制系统设计；

6.生物质成型燃料燃烧特性的研究

国内外研究概况、水平和发展趋势，主要参考文献目录和出处

1.国外研究现状

国外发达国家对秸秆等生物质致密成型技术都普遍重视，并投入了大量的资金和技术力量研究和开发致密成型技术。美国率先研究压块成型燃料技术，并研制了螺旋压块机，1978年美国太阳能公司投资1.2亿美元建造了一座日产300t的废料压块工厂，现有16个州兴建了日产量为300t的树皮成型燃料加工厂:加拿大生产的新型秸秆破碎榨汁成型机集破碎、熟化、榨汁、成型为一体，可根据市场的不同需要，生产出植物纤维粉、燃料棒、饲料颗粒等不同的产品。其中，高密度植物纤维粉可以用作造纸业的原料或工业人造板原料;饲料颗粒可做储存冬春季节的牛羊饲料;燃料棒经过加工，

可制成替代木炭的秸秆炭，成为新的再生燃料能源，目前已得到大范围推广。在欧洲，

20世纪70年代后期，由于受世界能源危机影响，西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等也开始纷纷重视压块成型技术的研究。法国开始时用秸秆的压块颗粒作为奶牛饲料，近年来也开始研究压块燃料，并已达到了实用阶段。比利时研制成功的“T117"螺旋压块机及联邦德国研制的KAHL系列压粒机。在亚洲，日本最先主要研究机械活塞式成型技术处理木材废弃物，研制成棒状燃料成型机，后来从美国引进颗粒成型燃料技术，并发展成了比较完整的压块成型的工业体系，先后有十几个颗粒成型工厂投入运行，年产生物质颗粒燃料达到十几万吨。泰国、印度、菲律宾、马来西亚等从80年代开始研究。从2003年开始，南非一些商家集中到南非北部城市沙比，抢购木材加工废料，4个巨大的生物质成型燃料加工工厂迅速崛起，生产规模也达到了年产20万t，南非正成为非洲最大的生物质成型燃料生产基地。这些国家生物质成型燃料技术大部分已经成熟，并进入了规模化生产及应用阶段。目前国外生物质成型的主要方式有4种，即颗粒成型机、螺杆连续挤压成型机、机械驱动冲压式成型机和液压驱动冲压式成型机。其利用形式主要有三种:一是低密度类(约0.6 g/c m³)，大捆，用于发电;二是中密度类，大块(棒状)，以层燃锅炉、壁炉为主;三是颗粒型，木屑为主，用于高档取暖炉，表1是国外部分生物质压块成型机的主要性能参数比较。

总体而言, 国外生物质成型燃料技术发展有如下几个特点:

（1）生产技术大部分已经成熟, 并达到规模化和商品化; 

（2）成型燃料的用途已经由烧壁炉等生活用能为主转向了生产应用; 

（3）设备制造比较规范, 但能耗高, 价格高。

2.国内研究现状

我国从80 年代起开始致力于生物质成型燃料技术的研究, 主要引进韩国、台湾地区、日本等成套设备, 并以螺杆挤压机为主。随后, 荷兰、比利时等国技术设备也相继推入中国。“七五”开始, 国内的一些科研院所和企业开始对生物质致密成型机及生物质成型理论研究。但由于设备螺杆磨损快和产品没有市场的原因, 发展缓慢。1990 年前后, 一些单位先后研制和生产了几种不同规格的生物质成型机和碳化机组, 这些设备包括机械冲压式成型机、液压驱动活塞式成型机、电加热螺杆成型机等。但这些设备存在着一些诸如成型筒及螺旋轴磨损严重、寿命较短、电耗大等缺点。1999 年辽宁省能源研究所在国家科技攻关项目的支持下, 研制开发成功生物质致密成型机组, 该机组包括干燥、成型、炭化等设备, 标志着我国的棒状生物质成型燃料及机制木炭设备进入一个新水平。

进入21 世纪, 化石能源价格连续攀升, 环境污染日益加剧, 国家开始对各种可再生清洁能源开发重视, 生物质成型燃料也进入了良好的发展阶段, 颗粒状、小方块状成型燃料也引起高度关注。目前, 包括国内很多企业和大专院校、科研院所开发成功挤压式、液压冲击式、螺杆式成型燃料生产设备, 并在取暖炉、锅炉、机制木炭生产等方面广泛使用。

总体来说, 我国的生物质成型燃料技术有如下特点: 

（1）在全国范围内, 还处于研究示范试点阶段, 规模化和市场化较差;

（2）设备的技术原理比较先进, 成本低廉, 适合我国国情; 

（3）设备稳定运行能力不高; 

（4）管理不规范, 支持政策缺乏, 推广速度缓慢。

3.参考文献

[1] 李在峰，雷廷宙，何晓峰，等．生物质颗粒冷态致密成型技术．太阳能， 2005， (06) ：42-43

[2] 李美华，俞国胜．生物质燃料成型技术研究现状．木材加工机械， 2005， 16 (02) ：36-40

[3] 施磊，俞国胜，刘妍．基于PLC的生物质块状燃料常温成型机控制系统研究．木材加工机械， 2008， 19 (05) ：27-30

[4] 肖江，黄娜，俞国胜． PLC在生物质燃料成型机液压系统的应用．林业机械与木工设备， 2007， 35 (12) ：32-34

[5] 马孝琴，尤希风，张百良． HPB-Ⅰ型液压秸秆成型机的大型优化设计．可再生能源， 2006， (03) ：33-36

[6] 杨波，张洪良，赵伟利，等． HPB-Ⅲ型生物质成型机试点运行状况分析及优化设计．安徽农业科学， 2008， 36 (3) ：1269-1270

[7]  狄恩仓． HPB—Ⅲ型液压生物质成型机的试验与改进[硕士学位论文]．河南农业大学，2006

[8] 车战斌．生物质就地及时压缩成型技术--Highzones技术．中国能源， 2005， 27 (01) ：28-3

[9]  苏州恒辉生物能源开发有限公司．一种用于生物质成型机的立式压料机构．实用新型，CN200720182086.X．2007.12.21

课题研究的科学意义、学术价值、应用前景、解决什么前人尚未解决的问题并务必说明本人的创新之处及主要特色 

生物质成型机的主要用途就是生产生物质成型燃料块，成型燃料块可以替代煤作为温室供热锅炉、供暖锅炉及家庭生活用炉的燃料。中国13亿人口有8亿多在农村，每年能源的消耗主要是煤、薪柴和秸秆，若将秸秆通过致密成型作为高品位的能源利用，可大大减少煤的消耗量，对发展农村循环经济，建设节约型社会具有重要意义。

本课题的解决的技术难题为：将智能报警功能应用在生物质成型机上，对系统实时采集数据（ 如液压油压力过高、转阀堵转、电机跳闸等）进行判断，并发出报警信号。

本课题的创新之处及主要特色在于: 变量泵和行程开关的应用、液压系统的优化设计、散热系统的设计不仅降低了液压系统工作的油温，而且使液压成型机的能耗也大大降低。本生产线的主要性能指标单位产品能耗低,仅为50kwh/t。国内外螺旋式成型机一般能耗为100~125kwh/t，小型的机械式和液压式成型机为75kwh/t左右。本课题通过提高生产率，减少干燥和粉碎耗能，适当调节压块密度，使单位产品能耗降低50%左右。

预期成果及提供形式（包括论文及收录、研究报告、项目鉴定、应用证书、获奖及专利等）

1．通过对生物质固化成型技术的研究和应用，发表两篇高质量学术论文；

2. 申请两项专利；

3.实物

资金充足的话可完成实物的制作，然后可进行样机实验，验证其功能；

4比赛获奖

制作出实物后，可参加各种机械创新大赛，并争取获得相关奖励。

拟采用的研究方法、实验方案、技术路线 

1.研究方法

    研究方法主要包括：理论研究和机械设计

1.1理论研究

生物质成型块的品质受诸多因素影响, 这些因素有的与生物质自身的生化特性有关, 有的与外部压缩条件、模具类型、压缩方式、成型工艺等有密切联系, 它们都从根本上影响或制约着成型块内部的粘结方式和粘结力大小, 直接造成成型块物理品质的差异。1962 年德国的Rumpf 针对不同材料的压缩成型, 将成型物内部的粘结力类型和粘结方式分成5类:（1）固体颗粒桥接或架桥;（2）非自由移动粘结剂作用的粘结力;（3）自由移动液体的表面张力和毛细压力;（4） 粒子间的分子吸引力（范德华力)或静电引力;（5）固体粒子间的充填或嵌合。多数农作物秸秆在较低的压力压缩下, 秸秆破裂, 由于秸秆断裂程度不同, 形成规则和大小不一的大颗粒, 在成型块内部产生了架桥现象, 所以成型块的松弛密度和耐久性都较低。粉碎的秸秆或锯末,在压力作用下, 细小的颗粒互相之间容易发生紧密充填, 其成型块的密度和强度显著提高。当农林废弃物进行热压成型时, 构成生物质的化学成分可以转换为粘结剂, 增强了成型物颗粒间的粘结力。J. A. Lindley 在对生物质燃料压缩成型的研究中认为, 虽然成型物的密度和强度受温度、含水量、压力、添加剂等诸多因素影响, 但实质上, 都可以用Rumpf 所述的一种或一种以上的粘结类型和粘结力来解释生物质成型物内部的成型机制。

1.2 机械设计

该成型机是采用液压驱动往复活塞双向挤压成型机构，在该温度下，通过双出杆油缸两端的冲杆挤压成型套筒中的生物质，在外力作用下，生物质颗粒开始重新排列位置关系，并发生机械变形和塑性流变。在垂直于最大应力方向上，粒子主要以相互

啮合的形式结合，而在垂直于最小应力方向上，粒子主要以相互靠紧结合的形式结合。

随外力的增大，生物质体积大幅度减少，密度显著增大，生物质内部胶合外部焦化，

并具有一定的形状和强度。在冲杆的推挤作用下，生物质呈棒状从两端成型套筒中交替挤出，成为既定形状。由于采用液压驱动，所以机器的运行稳定性得到极大的改善，而且产生的噪音也比较小，明显改善了操作环境。

液压生物质成型机是在综合国内外各类成型机的基础上开发出来的液压驱动活塞式成型机，该机的结构简图如图1。其主要工作部件包括:传输装置、驱动电机、液压系统、活塞冲杆、成型套筒和电加热套等几部分。成型锥筒内径可以在75mm-130mm范围内调节。液压生物质成型机一个成型周期的压缩过程分以下步骤：

(1)液压泵在驱动电机带动下，通过电液换向阀1将液压油泵入左、右预压油缸。左进料斗内的物料被由电机带动的绞龙螺旋预压并推入左预压室。

(2)左预压室的物料在左预压油缸的活塞及冲杆的作用下被预压并推入左成型筒。同时，右预压缸回位。

(3)左预压油缸的活塞运行到极限位置，液压油通过电液换向阀2进入主油缸的右腔，推动主油缸活塞、活塞杆及冲杆向左端运动，将预压后的物料挤入成型套筒内的锥形筒中，在机械压力和左加热套加热温度的作用下，生物质发生塑性变形并被挤压成块，经保型筒稳型后挤出。

(4)在电控装置的控制下，电液换向阀1换向。开始向相反的方向运动。

图1生物质成型机简图

图2生物质成型机工作过程图

2、实验方案

2.1、仿真实验研究

有了理论分析和立体模型，导入到专业的机械动力学分析软件Adams进行动力学分析，分析其受力情况，机构的应力分布情况，机构整理合理性情况。

2.2、样机试制

    如果资金允许，课题组将试制一台样机或者缩小的模型机，进行理论的验证。主要验证其稳定性和可操作性。

3、技术路线

生物质压块成型燃料的生产线是将收集的秸秆生物质先通过太阳能干燥设备进行自然脱水，通过输送带进入粉碎机，粉碎秸秆由气力输送装置送入原料库，再由输送带送入秸秆成型燃料机中即可得到成型燃料产品。燃料块密度可达0.8—1.3 g/c m³，，能量密度与中质煤相当，燃烧特性明显改善，火力持久，黑烟少，炉膛温度高，封火时间长，且储存、运输、使用方便，干净卫生，可代替矿物能源用于生产和生活领域。

生物质压块成型燃料的生产线的工艺流程如下:

太阳能干燥设备(自然烘干)——输送装置——秸秆粉碎——原料库——输送装置——一级预压搅龙预压——二级液压预压——挤压成型——燃料块(棒)——包装贮存——燃烧炉。

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