新型生物質粉體燃料破碎系統
1 前言
隨著石化能源的日益枯竭及其環境危害的逐漸顯現，生物質能源以其可再生、清潔性受到全世界的廣泛重視。我國的生物質能源極為豐富，扣除一部分做飼料和其他原料，每年可開發為能源的生物質資源約達3億噸標煤，開發和利用潛力巨大。
但目前我國生物質能的利用方式仍是以傳統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%，造成了農業和林業廢棄物能源的大量浪費。生物質在制成顆粒后，經燃燒器(包括爐、灶等)燃燒，其熱效率為87％～89％，比傳統的直接燃燒的熱效率提高了77%～79%，可節約大量能源。也就是說，如果通過破碎將秸稈等植物轉化為細顆粒，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。并且生物質破碎后還能夠有效克服原始狀態生物質能量密度小、存放體積大、運輸不便等缺點，是生物質吸附材料、成型燃料、壓縮板材、生物質氣化、液化等技術的先導技術。
目前的物料破碎設備大多是針對如工業礦石等類脆性很強的物料設計的，而生物質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特點的破碎設備。雖然國內外目前已有不少關于超細粉碎和精細粉碎設備的研究，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，則成本較高、效率較低。而現有的專門針對生物質物料的破碎機械的產物粒徑都在10mm以上，仍屬于粗破碎的范圍（如實地作業的切碎滅茬還田機、青飼破碎機等）。本文介紹了一套能使生物質達到精細粒徑的破碎系統，通過這套系統獲得到的精細生物質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備
2.1 破碎系統新工藝概述
該破碎系統由三部分組成：用于粗破碎的臥式破碎機、立式破碎機及用于生物質粉體收集的旋風除塵器。臥式破碎機和立式破碎機可聯合作業，也可獨立作業。該系統集粗破碎和細破碎于一體，并可通過改變一些工作參數來提供不同粒徑的細破碎產物。在系統的整個運行進程中，物料自喂料口加入后在一個封閉的系統中自行流轉，直到細粉體排出，中間過程無須人工操作，得到的生物質粉體平均粒徑可達120目，即粒徑為0.105～0.149mm。
該系統的主要設備為：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。生產流程見圖1：
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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刀片高速旋轉形成的負壓以及系統尾部風機的聯合作用進入破碎室，物料在破碎室中，經刀片高速剪切磨削，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繼續被破碎。
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，電動機轉速為2960r/min，皮帶盤傳動比為1∶1。根據轉速和生產量選用15kW的電動機，即可滿足一般生物質破碎的需要。
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，粗破碎產物借由破碎室內四組刀片高速旋轉形成的負壓和系統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實現與刀片間的研磨以及物料間的互磨以達到更細的粒徑。經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被破碎。
精破碎機的進出口設計較之粗破碎機有所不同，由于粉體較輕易漂浮，因此將進料口設計在底部，出料口設計在頂部。另外據實踐，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域，比軸向喂入的生產效率要高10%～20%，因此精破碎機設計了四個進料口，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，并可有效防止系統出現堵塞或粉塵外泄的情況。
一般而言，風量過小，會使系統的產率降低，嚴重時還會造成粉體堵塞系統；風量過大，收集到的粉體又不夠細。因此應根據系統的需要選擇合適的風量。
3 生物質原料及破碎產物分析
3.1 生物質原料分析
狹義的生物質專指植物，如能源作物、農林廢棄物（秸稈、稻草、麥稈、豆稈、棉花稈、谷殼、廢木料等）、雜草、藻類等；廣義的生物質指所有的有機質，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。本文中的生物質是指狹義的生物質，即專指植物。本實驗主要針對的是林業生物質資源和農業生物質資源。在我國可采用的廢棄生物質原料有：棉稈、稻草、麥秸、蘆葦、玉米稈、高粱稈等，形態各不相同。實驗過程中所用的生物質破碎原料主要為鋸末、玉米芯、秸稈等。
3.2 粗破碎產物分析
粗破碎產物中除了細、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為顆粒產物的粒徑/mm） 圖2 粗破碎產物分布（%） |
生物質原料在烘干時，水分的蒸發速率會越來越慢，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進行粗破碎后的效果說明，對于生物質而言，在其烘干達恒重之前，干燥時間越長，破碎效果越好。
3.3 精破碎產物分析
精破碎機破碎后的產物經標準篩篩分后，各種粒徑的產物所占總量百分比的分布如圖3所示。細破碎產物粒徑在60～200目，平均粒徑為120目，破碎效果非常理想。
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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。通過在生物質粉體上施壓可增加其密度，所施壓強及粉體密度的關系如下表所示。
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生物質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。因此在工業上儲存生物質粉體時，可先對其進行壓縮后再放置。此途徑可大大節省生物質粉體的儲存空間。
4 運行結果分析
4.1 系統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（最佳狀態是達到勻速喂料），使電流控制在額定電流以內。
該系統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，應適量減慢加料速度以免損壞電機。
4.2 電流與產率的關系
從上述統計可知，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，取0.9。
則P=√3*380*112.4*0.9=66.58kW
即每小時耗電66.58kW，當地工業用電為0.70元/kW·h，則每小時所用電費為46.61元。該套系統1h的產率為500kg，因此每生產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），由生產效率計算可知，每生產1t粉體需電費93.22元，在生產中，按一天兩班工作制，每天工作8小時，生產量為4t/d計算，每生產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，則可初步預算每生產1t粉體所需成本為253.22元。
5 結論
該破碎系統得到的生物質粉體平均粒徑為120目，產率可達到500kg/h，成本為253.22元/t。破碎時的生物質原料越干燥，破碎效果越顯著。
系統中兩大主要設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，設備的使用效率并末達到最佳狀態，應通過調節轉速、風量等工藝參數使設備的使用狀況達到最佳。
參考文獻：
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