0、引言
    近100年來，全球能源消耗平均每年以3%的速度遞增，隨著化石能源資源的越來越少，顯示出了農(nóng)村可再生能源資源巨大的市場(chǎng)潛力。國(guó)際上生物質(zhì)能源的廣泛利用在多次世界性石油危機(jī)中被重新認(rèn)識(shí)和發(fā)展。中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，8億多人口生活在農(nóng)村，農(nóng)村能源尤其優(yōu)質(zhì)能源普遍短缺。農(nóng)村能源70%來自生物質(zhì)能，中國(guó)生物質(zhì)資源非常豐富，資源總量達(dá)6.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上。由于生物質(zhì)結(jié)構(gòu)疏松，能量密度低，燃燒效率低，由于找不到合理的利用方式，大量的秸稈被遺棄荒燒，造成了空氣環(huán)境的嚴(yán)重污染，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和生態(tài)等造成了嚴(yán)重的不良影響。生物質(zhì)能源是清潔的、可再生能源，開發(fā)利用中國(guó)豐富的生物質(zhì)能源，不僅可以有效地解決秸稈焚燒污染及能源浪費(fèi)問題，而且對(duì)改善還農(nóng)民的生活水平、彌補(bǔ)化石能源的短缺、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)業(yè)人口的經(jīng)濟(jì)效益、實(shí)現(xiàn)國(guó)家農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。
    為開發(fā)和利用國(guó)內(nèi)以秸稈為主的生物質(zhì)能源，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)于1995年5月對(duì)活塞套筒式生物質(zhì)成型機(jī)進(jìn)行了立項(xiàng)研究，1998年6月研制成功了HPB-1型生物質(zhì)成型機(jī)，并經(jīng)過不斷的技術(shù)改進(jìn)，最近兩年又成功地研制出了能耗低、生產(chǎn)率高的HPB-III型液壓式生物質(zhì)成型機(jī)，并配套了秸稈成型燃料生產(chǎn)線所需的技術(shù)和設(shè)備。
1、HPB-11型生物質(zhì)成型機(jī)工作過程
1.1工作原理
    該系統(tǒng)是在不加任何粘結(jié)劑的條件下對(duì)生物質(zhì)進(jìn)行熱壓成型的，生物質(zhì)之所以能夠成型主要是由于生物質(zhì)中木質(zhì)素的存在。木材中木質(zhì)素的含量為27%～32%（絕干原料），禾草類植物木質(zhì)素含量為14%～25%。由X射線衍射知道，木質(zhì)素屬非晶體，沒有熔點(diǎn)，但有軟化點(diǎn)，經(jīng)試驗(yàn)，在一定的壓力下，當(dāng)溫度在70～100℃時(shí)其粘合力開始增加，溫度在200～300℃時(shí)可以熔融，熱壓成型的合適溫度為140～200℃。該成型機(jī)是采用液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)活塞雙向擠壓成型機(jī)構(gòu)，在該溫度下，通過雙出桿油缸兩端的沖桿擠壓成型套筒中的生物質(zhì)，由于外力的作用，生物質(zhì)顆粒開始重新排列位置關(guān)系，并發(fā)生機(jī)械變形和塑性流變。在垂直于最大應(yīng)力方向上，粒子主要以相互嚙合的形式結(jié)合，而在垂直于最小應(yīng)力方向上，粒子主要以相互靠緊結(jié)合的形式結(jié)合。隨外力的增大，生物質(zhì)體積大幅度減少，密度顯著增大，生物質(zhì)內(nèi)部膠合外部焦化，并具有一定的形狀和強(qiáng)度。在沖桿的推擠作用下，生物質(zhì)成為棒狀從兩端成型套筒中交替擠出，成為既定形狀。由于采用了液壓驅(qū)動(dòng)，所以成型機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性好，噪音比較小，操作環(huán)境得到了明顯改善。
1.2成型燃料生產(chǎn)線技術(shù)路線
    秸稈生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)線的生產(chǎn)是將收集的秸稈生物質(zhì)先通過太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)進(jìn)行自然脫水，通過輸送帶進(jìn)入粉碎機(jī)，粉碎后的秸稈由氣力輸送裝置送入原料庫(kù)，再由輸送帶送入秸稈生物質(zhì)成型機(jī)中即可得到成型燃料產(chǎn)品。
    成型燃料生產(chǎn)線的工藝流程是：
    太陽(yáng)能干燥或直接曬干→輸送帶→秸稈粉碎機(jī)→原料庫(kù)→輸送帶→攪龍預(yù)壓喂入→生物質(zhì)成型機(jī)（包括顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)等）→→冷卻→包裝→成品貯存
1. 3成型燃料生產(chǎn)線的配套設(shè)備
    成型燃料生產(chǎn)線設(shè)備包括太陽(yáng)能干燥系統(tǒng)、秸稈粉碎機(jī)、生物質(zhì)成型機(jī)、生物質(zhì)燃燒爐、包裝機(jī)等；生產(chǎn)線采用的原料主要是秸稈類生物質(zhì)，如玉米秸稈、豆秸、稻草、棉稈、樹枝、木屑等；生產(chǎn)線的關(guān)鍵設(shè)備是生物質(zhì)成型機(jī)。
2試驗(yàn)研究
2.1試驗(yàn)?zāi)康?br />     本試驗(yàn)主要將HPB -III型生物質(zhì)成型機(jī)的單位產(chǎn)品能耗和生產(chǎn)率作為研究對(duì)象，以降低其能耗，提高
生產(chǎn)率為目的，探討部分成型參數(shù)和物料特性對(duì)單位產(chǎn)品能耗和生產(chǎn)率影響的規(guī)律，對(duì)HPB-III型生物質(zhì)成型機(jī)成型部件的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)及提高綜合經(jīng)濟(jì)效益提供依據(jù)。
2.2試驗(yàn)器材及材料
    HPB-III型生物質(zhì)成型機(jī)、粉碎機(jī)、電熱干燥箱、分析天平、臺(tái)秤、溫度計(jì)、濕度計(jì)、測(cè)溫儀、游標(biāo)卡尺、電度表、秒表、玉米秸稈、麥秸等。
2.3試驗(yàn)地點(diǎn)
    在新鄉(xiāng)七里營(yíng)、新鄭等地，結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行HPB -III型生物質(zhì)成型機(jī)的各項(xiàng)試驗(yàn)。
2.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)試
 (1)生產(chǎn)率Ｗ_P
    在機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，測(cè)出單位時(shí)間T，內(nèi)生產(chǎn)的成型棒質(zhì)量W1，計(jì)算其生產(chǎn)率Ｗ_P
  Ｗ_P=W₁/T ₁（t/h）
    式中，W₁一單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的成型棒質(zhì)量，t；
           T ₁一測(cè)試單位時(shí)間，h。
 (2)單位產(chǎn)品能耗E
    單位產(chǎn)品能耗定義生產(chǎn)每t成型棒所消耗的各種能量的總和。
E=E₁/W（kwh/t）
式中，E₁一單位時(shí)間Ti內(nèi)各種能量的總和，kWh;
      W為單位時(shí)間T，內(nèi)生產(chǎn)的成型棒質(zhì)量，t。
 (3)生物質(zhì)成型棒密度p
    p=W₂/V(t/m³)
式中，W₂一成型棒試樣的質(zhì)量，t；v為成型棒試樣的體積，m³。
    (4)機(jī)械性能參數(shù)
    從控制臺(tái)相應(yīng)儀表上讀出HPB-III型生物質(zhì)成型機(jī)工作時(shí)的電壓、電流、油壓、油溫以及成型加熱溫度。
    (5)原料含水率、粒度和密度的測(cè)定采用常規(guī)分析方法
2.5試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.5.1試驗(yàn)結(jié)果
    試驗(yàn)的生韌質(zhì)原料為粉碎后的玉米秸稈，經(jīng)自然干燥后含水率為12%～14%，原料粒度為2～30mm，在HPB-III型生物質(zhì)成型機(jī)上進(jìn)行成型試驗(yàn)，成型溫度為260℃，環(huán)境溫度為24～26℃，環(huán)境濕度為65%（剛下過雨），試驗(yàn)結(jié)果列于表1。
表1  生物質(zhì)成型試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試指標(biāo)	成型塊直徑		成型塊直徑
	75mm		125mm
加熱套表面溫度/℃	263（左）	271（右）	270（左）	282（右）
油箱溫度表讀數(shù)/℃	47.3		48
進(jìn)油管表面溫度/℃	46		47.5
回油管表面溫度/℃	48		48.5
進(jìn)料口成型塊尺寸（D*L）/mm	88.1*93.6		138*87.5
常溫時(shí)成型快尺寸（D*L）/mm	89.7*94.9		141*89.2
常溫時(shí)成型塊重量/kg	0.59		1.103
常溫時(shí)成型塊密度/g·cm3	0.983		0.787
生產(chǎn)率/KG·h-1	223.6		468.7
單位產(chǎn)品能耗/kwh·t-1	92.5		58.6

2.5.2試驗(yàn)研究分析
    從表1可以看出，在成型機(jī)整個(gè)生產(chǎn)期間，無論是進(jìn)油管、回油管還是油箱，它們的溫度都比較低。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況來看，液壓油的溫度都隨時(shí)間的延長(zhǎng)略有升高，升高之后的值是在成型機(jī)液壓系統(tǒng)允許范圍之內(nèi)的。這就說明HPB -III型生物質(zhì)成型機(jī)的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是符合要求的。
    成型機(jī)的加熱套表面溫度穩(wěn)定在270℃左右。成型燃料塊的尺寸是成型機(jī)活塞一個(gè)行程擠出的棒塊尺寸。在常溫狀態(tài)下，直徑為75mm成型塊的密度為0. 983g/cm³，直徑為125mm成型塊的密度為0.787g/cm³。成型燃料塊的燃燒性能優(yōu)于松散的薪柴和秸稈。這是因?yàn)樗�的密度增大，燃燒時(shí)更近似“顆粒燃燒模型”。生物質(zhì)固體燃料的理想燃燒方式應(yīng)遵“顆粒燃燒模型”。按照這種燃燒方式，生物質(zhì)成型燃料塊燃燒產(chǎn)生的溫度高，熱量利用率高，溫度比較恒定。
    HPB-III型生物質(zhì)成型機(jī)生產(chǎn)75mm成型塊時(shí)，因?yàn)槌尚蛪K直徑較水，所以生產(chǎn)效率比較低，生產(chǎn)率為223. 6kg/h，單位產(chǎn)品能耗為92. 5kWh/t：麗生產(chǎn)125mm成型塊時(shí)，由于改成型塊商徑較大，所以生產(chǎn)效率較高，其生產(chǎn)率為468.7 kg/h，單位產(chǎn)品能耗為58. 6kWh/t。目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的螺旋式成型機(jī)主要是靠螺旋桿的轉(zhuǎn)動(dòng)推進(jìn)生物質(zhì)逐層成型的，生產(chǎn)率為150kg/h左右。螺旋桿的前段和頭部在整個(gè)推擠過程中與生物質(zhì)之間一直高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，增加了單位產(chǎn)品的能耗，一般為100～125kWh/t。對(duì)比可以得出，HPB-III型生物質(zhì)成型機(jī)生產(chǎn)75mm或者125mm成型塊時(shí)，其生產(chǎn)率較高，單位產(chǎn)品能耗較低，具有比較明顯的優(yōu)勢(shì)。
3經(jīng)濟(jì)性能分析
    該機(jī)經(jīng)濟(jì)性能采用動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，分別選用凈現(xiàn)值(NPV)、動(dòng)態(tài)投資回收期(T)、益本比(B/C)及內(nèi)部收益率(FIRR')進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果列于表2。
表2  經(jīng)濟(jì)效益分析

評(píng)價(jià)指標(biāo)	75mm直徑	125mm直徑
凈現(xiàn)值NPV/萬元	19.0711	29.7045
內(nèi)部收益率FIRR/%	34	41.32
益本比B/C	1.32	1.38
投資回收期T/年	3.46	2.76

    由表2可以看出，當(dāng)HPB-III型生物質(zhì)成型機(jī)生產(chǎn)的成型塊直徑為75mm時(shí)，其凈現(xiàn)值NPV—19.071萬元>0，內(nèi)部收益率_FIiRR-34%>12%，益本比B/C -1. 32>1，  動(dòng)態(tài)投資回收期T為3. 46年，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均表明該機(jī)已有較好的經(jīng)濟(jì)性能。而當(dāng)該機(jī)生產(chǎn)直徑125mm成型燃料塊時(shí)．，其凈現(xiàn)值(NPV)、內(nèi)部收益率(FIRR)及益本比(B/C)均比生產(chǎn)直徑75mm成型燃料塊時(shí)大，動(dòng)態(tài)投資回收期T也比生產(chǎn)75mm成型燃料塊時(shí)短，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)更憂，其經(jīng)濟(jì)性能后者優(yōu)予前者。因此，HPB-III型生物質(zhì)成型機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能比較顯著。有較好的投資前景，在常姍能源相對(duì)缺乏、生物質(zhì)原料充足、經(jīng)濟(jì)條件相對(duì)較好的農(nóng)村、多鎮(zhèn)進(jìn)行推廣，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用前景。
4、結(jié)論
    HPB-III型生物質(zhì)成型機(jī)能投比低，效率高，工作平穩(wěn)，設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)新穎，可有效降低單位產(chǎn)品能耗。延長(zhǎng)易損件的使用壽命。它為開發(fā)和利用以秸稈為主的生物質(zhì)能源提供了有效途徑，減輕直接燃燒作物秸稈造成的環(huán)境污染，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。所以根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)能源的利用現(xiàn)狀及未來可再生能源的發(fā)展趨勢(shì)，生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)線在中國(guó)農(nóng)村、城鎮(zhèn)中進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)將有著廣闊的應(yīng)用前景。
    三門峽富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)、飼料顆粒機(jī)、秸稈顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料飼料成型機(jī)械設(shè)備。同時(shí)我們也有大量的生物質(zhì)顆粒燃料出售。