1 前言

隨著石化能源的日益枯竭及其環(huán)境危害的逐漸顯現(xiàn)，生物質(zhì)能源以其可再生、清潔性受到全世界的廣泛重視。我國的生物質(zhì)能源極為豐富，扣除一部分做飼料和其他原料，每年可開發(fā)為能源的生物質(zhì)資源約達3億噸標煤，開發(fā)和利用潛力巨大。

但目前我國生物質(zhì)能的利用方式仍是以傳統(tǒng)的直接燃燒獲取熱能為主，每年消耗秸稈2.5億～3億噸，薪柴1.4億噸左右，熱效率僅為10%～20%，造成了農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢棄物能源的大量浪費。生物質(zhì)在制成顆粒后，經(jīng)燃燒器(包括爐、灶等)燃燒，其熱效率為87％～89％，比傳統(tǒng)的直接燃燒的熱效率提高了77%～79%，可節(jié)約大量能源。也就是說，如果通過破碎將秸稈等植物轉(zhuǎn)化為細顆粒，就可以增加其在燃燒中的表面積，使之能夠高效充分燃燒以獲得極高的熱效率。并且生物質(zhì)破碎后還能夠有效克服原始狀態(tài)生物質(zhì)能量密度小、存放體積大、運輸不便等缺點，是生物質(zhì)吸附材料、成型燃料、壓縮板材、生物質(zhì)氣化、液化等技術(shù)的先導(dǎo)技術(shù)。

目前的物料破碎設(shè)備大多是針對如工業(yè)礦石等類脆性很強的物料設(shè)計的，而生物質(zhì)中因為含有大量的纖維素及半纖維素，因此需要有專門針對生物質(zhì)特點的破碎設(shè)備。雖然國內(nèi)外目前已有不少關(guān)于超細粉碎和精細粉碎設(shè)備的研究，但大多是針對中藥或飼料精細破碎的小型破碎機，如果用于精細破碎大批量的生物質(zhì)，則成本較高、效率較低。而現(xiàn)有的專門針對生物質(zhì)物料的破碎機械的產(chǎn)物粒徑都在10mm以上，仍屬于粗破碎的范圍（如實地作業(yè)的切碎滅茬還田機、青飼破碎機等）。本文介紹了一套能使生物質(zhì)達到精細粒徑的破碎系統(tǒng)，通過這套系統(tǒng)獲得到的精細生物質(zhì)粉體具有新生表面積大、能量利用率高的特點，并可由此取得較高的燃燒效率。

2 用于粉體破碎的主要設(shè)備

2.1 破碎系統(tǒng)新工藝概述

該破碎系統(tǒng)由三部分組成：用于粗破碎的臥式破碎機、立式破碎機及用于生物質(zhì)粉體收集的旋風除塵器。臥式破碎機和立式破碎機可聯(lián)合作業(yè)，也可獨立作業(yè)。該系統(tǒng)集粗破碎和細破碎于一體，并可通過改變一些工作參數(shù)來提供不同粒徑的細破碎產(chǎn)物。在系統(tǒng)的整個運行進程中，物料自喂料口加入后在一個封閉的系統(tǒng)中自行流轉(zhuǎn)，直到細粉體排出，中間過程無須人工操作，得到的生物質(zhì)粉體平均粒徑可達120目，即粒徑為0.105～0.149mm。

該系統(tǒng)的主要設(shè)備為：進料工作臺、粗破碎機、精破碎機、旋風除塵器、粉體收集料斗、細粉體收集布袋、風機等。生產(chǎn)流程見圖1：

2.2 粗破碎機

粗破碎機也可稱為臥式破碎機或一級破碎機。運行時，工作臺上的原料借助手動推力和破碎室內(nèi)刀片高速旋轉(zhuǎn)形成的負壓以及系統(tǒng)尾部風機的聯(lián)合作用進入破碎室，物料在破碎室中，經(jīng)刀片高速剪切磨削，并在刀片間碰撞、打擊、摩擦，以及物料之間的碰撞摩擦而逐漸被破碎為小顆粒及短纖維絲。經(jīng)破碎后，較小較輕的物料脫離高速圓周運動的軌道進入出料口，而較大較重的物料則留在破碎室內(nèi)繼續(xù)被破碎。

粗破碎機主要由進料口、圓形中空破碎室、出料口組成。破碎室尺寸為D×L=1000mm×600mm，配用電動機，采用皮帶傳動，以減少對軸的損害，電動機轉(zhuǎn)速為2960r/min，皮帶盤傳動比為1∶1。根據(jù)轉(zhuǎn)速和生產(chǎn)量選用15kW的電動機，即可滿足一般生物質(zhì)破碎的需要。

2.3 精破碎機

精破碎機也可稱為立式破碎機或二級破碎機，用于對粗破碎產(chǎn)物的精細破碎。精破碎機共使用四臺電機，額定功率為15kW、額定電流為28.9A、轉(zhuǎn)速為2890r/min。仍配用電動機及皮帶傳動形式，皮帶盤傳動比也為1∶1。

精破碎機主要由進料管、破碎室、出料管及動力傳動裝置組成。工作時，粗破碎產(chǎn)物借由破碎室內(nèi)四組刀片高速旋轉(zhuǎn)形成的負壓和系統(tǒng)最尾端風機的吸風效果，迅速由各組刀片附近的入口進入精破碎機，由于進入精破碎系統(tǒng)的物料已通過之前粗破碎機的初級破碎，平均粒徑已小于5mm，因此在精破碎機中，物料主要是借助電機的高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)與刀片間的研磨以及物料間的互磨以達到更細的粒徑。經(jīng)研磨與互磨后粒徑小的物料會浮在上層，隨后被風機從破碎室上端的出口抽到旋風除塵器中，而粒徑相對較大的顆粒則由重力原因留在下層繼續(xù)被破碎。

精破碎機的進出口設(shè)計較之粗破碎機有所不同，由于粉體較輕易漂浮，因此將進料口設(shè)計在底部，出料口設(shè)計在頂部。另外據(jù)實踐，切向喂入時精破碎機對物料的抓取能力較強，物料能直接進入刀片最大線速度區(qū)域，比軸向喂入的生產(chǎn)效率要高10%～20%，因此精破碎機設(shè)計了四個進料口，使四組刀片能夠單獨進料以提高效率，進料口分別布置在四組刀片的切向方向上。

2.4 旋風除塵器

該系統(tǒng)中的旋風除塵器尺寸為D×H=1400mm×2500mm，其可以看作是一個粉體篩選器。從精破碎機出來的粉體經(jīng)旋風除塵器上端進入后，其中小的顆粒會從旋風除塵器上端另一側(cè)的出口進入尾端的布袋中，而較大的顆粒則會沉降到旋風除塵器的底部，然后進入與之連接的大料斗收集器中。

2.5 風機

風機裝在整個系統(tǒng)的最尾端，主要作用是利用吸風使被破碎的細物料不斷涌向下一個裝置，直至到達袋式除塵器或大料斗收集器。風機的吸風措施可以降低物料在破碎過程中的濕度和溫度，也可以降低各破碎室的溫度，并可有效防止系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞或粉塵外泄的情況。

一般而言，風量過小，會使系統(tǒng)的產(chǎn)率降低，嚴重時還會造成粉體堵塞系統(tǒng)；風量過大，收集到的粉體又不夠細。因此應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇合適的風量。

3 生物質(zhì)原料及破碎產(chǎn)物分析

3.1 生物質(zhì)原料分析

狹義的生物質(zhì)專指植物，如能源作物、農(nóng)林廢棄物（秸稈、稻草、麥稈、豆稈、棉花稈、谷殼、廢木料等）、雜草、藻類等；廣義的生物質(zhì)指所有的有機質(zhì)，除植物外還包括動物糞便、動物尸體、廢水垃圾中的有機成分等。本文中的生物質(zhì)是指狹義的生物質(zhì)，即專指植物。本實驗主要針對的是林業(yè)生物質(zhì)資源和農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源。在我國可采用的廢棄生物質(zhì)原料有：棉稈、稻草、麥秸、蘆葦、玉米稈、高粱稈等，形態(tài)各不相同。實驗過程中所用的生物質(zhì)破碎原料主要為鋸末、玉米芯、秸稈等。

3.2 粗破碎產(chǎn)物分析

粗破碎產(chǎn)物中除了細、中、大顆粒物之外，一般還含有纖維絲，纖維絲為物料的表皮。以秸稈為例，秸稈纖維絲平均長40mm，圖2是纖維絲及各種粒徑的顆粒物所占總量百分比的分布圖。

（d為顆粒產(chǎn)物的粒徑/mm） 圖2 粗破碎產(chǎn)物分布（%）

生物質(zhì)原料在烘干時，水分的蒸發(fā)速率會越來越慢，其總的含水率（指自由水）為10%～20%。通過對含水率不同的生物質(zhì)進行粗破碎后的效果說明，對于生物質(zhì)而言，在其烘干達恒重之前，干燥時間越長，破碎效果越好。

3.3 精破碎產(chǎn)物分析

精破碎機破碎后的產(chǎn)物經(jīng)標準篩篩分后，各種粒徑的產(chǎn)物所占總量百分比的分布如圖3所示。細破碎產(chǎn)物粒徑在60～200目，平均粒徑為120目，破碎效果非常理想。

一般而言，褐煤的堆積密度為0.56×10³～0.6×10³kg/m³，煙煤的堆積密度為0.8×10³～0.9×103kg/m³，相比之下，秸稈的堆積密度要小的多，為0.05×10³～0.12×10³kg/m³。通過在生物質(zhì)粉體上施壓可增加其密度，所施壓強及粉體密度的關(guān)系如下表所示。

生物質(zhì)粉體的自然堆積密度為0.214×10³kg/m³左右，當所施加壓強為150×100kPa時，其密度可達0.552×10³kg/m³左右。因此在工業(yè)上儲存生物質(zhì)粉體時，可先對其進行壓縮后再放置。此途徑可大大節(jié)省生物質(zhì)粉體的儲存空間。

4 運行結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)運行中粗破碎機和精破碎機電機的電流情況

在運行過程中，為了減少對電機的損耗，電機的電流均不應(yīng)超過額定電流，加料時可通過工作臺旁邊的電控柜嚴格把握加料速度（最佳狀態(tài)是達到勻速喂料），使電流控制在額定電流以內(nèi)。

該系統(tǒng)中粗破碎機和精破碎機所使用的五臺電動機均為15kW電機，額定電流為29.8A。實驗中，粗破碎機的電流一直穩(wěn)定在20～25A，平均值為23A；風機電流為3～5A，平均值為4.5A。而精破碎機中的四組刀片電流變化則有所波動，開機1h內(nèi)四組刀片電流平均分別為20.9A、21.4A、21.6A、21.0A，總計為84.9 A。一般而言，當四組刀片的電流基本接近額定電流時，應(yīng)適量減慢加料速度以免損壞電機。

4.2 電流與產(chǎn)率的關(guān)系

從上述統(tǒng)計可知，粗破碎機、精破碎機、風機的平均電流之和為112.4A，電功率的計算公式為：P=√3UIcosφ

其中U為線電壓，取工業(yè)用電電壓380V；I為線電流，即電流表所測得的值，在此處取幾部分的平均總電流112.4；cosφ為功率因數(shù)，取0.9。

則P=√3*380*112.4*0.9=66.58kW

即每小時耗電66.58kW，當?shù)毓I(yè)用電為0.70元/kW·h，則每小時所用電費為46.61元。該套系統(tǒng)1h的產(chǎn)率為500kg，因此每生產(chǎn)1t玉米秸稈粉體需耗電費93.22元。

4.3 成本核算

以玉米秸稈為例，每收購1t原料需120元（含運輸費用），由生產(chǎn)效率計算可知，每生產(chǎn)1t粉體需電費93.22元，在生產(chǎn)中，按一天兩班工作制，每天工作8小時，生產(chǎn)量為4t/d計算，每生產(chǎn)1t粉體需人工費10元。平均每t粉體的包裝及運費需25元，其他費用為5元，則可初步預(yù)算每生產(chǎn)1t粉體所需成本為253.22元。

5 結(jié)論

該破碎系統(tǒng)得到的生物質(zhì)粉體平均粒徑為120目，產(chǎn)率可達到500kg/h，成本為253.22元/t。破碎時的生物質(zhì)原料越干燥，破碎效果越顯著。

系統(tǒng)中兩大主要設(shè)備粗破碎機和精破碎機各部分的額定電流均為28.9A，但運行時的平均電流為20～25A，因此，設(shè)備的使用效率并末達到最佳狀態(tài)，應(yīng)通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、風量等工藝參數(shù)使設(shè)備的使用狀況達到最佳。

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