新型生物质粉体燃料破碎系统
1 前言
随着石化能源的日益枯竭及其环境危害的逐渐显现，生物质能源以其可再生、清洁性受到全世界的广泛重视。我国的生物质能源极为丰富，扣除一部分做饲料和其他原料，每年可开发为能源的生物质资源约达3亿吨标煤，开发和利用潜力巨大。
但目前我国生物质能的利用方式仍是以传统的直接燃烧获取热能为主，每年消耗秸秆2.5亿～3亿吨，薪柴1.4亿吨左右，热效率仅为10%～20%，造成了农业和林业废弃物能源的大量浪费。生物质在制成颗粒后，经燃烧器(包括炉、灶等)燃烧，其热效率为87％～89％，比传统的直接燃烧的热效率提高了77%～79%，可节约大量能源。也就是说，如果通过破碎将秸秆等植物转化为细颗粒，就可以增加其在燃烧中的表面积，使之能够高效充分燃烧以获得极高的热效率。并且生物质破碎后还能够有效克服原始状态生物质能量密度小、存放体积大、运输不便等缺点，是生物质吸附材料、成型燃料、压缩板材、生物质气化、液化等技术的先导技术。
目前的物料破碎设备大多是针对如工业矿石等类脆性很强的物料设计的，而生物质中因为含有大量的纤维素及半纤维素，因此需要有专门针对生物质特点的破碎设备。虽然国内外目前已有不少关于超细粉碎和精细粉碎设备的研究，但大多是针对中药或饲料精细破碎的小型破碎机，如果用于精细破碎大批量的生物质，则成本较高、效率较低。而现有的专门针对生物质物料的破碎机械的产物粒径都在10mm以上，仍属于粗破碎的范围（如实地作业的切碎灭茬还田机、青饲破碎机等）。本文介绍了一套能使生物质达到精细粒径的破碎系统，通过这套系统获得到的精细生物质粉体具有新生表面积大、能量利用率高的特点，并可由此取得较高的燃烧效率。
2 用于粉体破碎的主要设备
2.1 破碎系统新工艺概述
该破碎系统由三部分组成：用于粗破碎的卧式破碎机、立式破碎机及用于生物质粉体收集的旋风除尘器。卧式破碎机和立式破碎机可联合作业，也可独立作业。该系统集粗破碎和细破碎于一体，并可通过改变一些工作参数来提供不同粒径的细破碎产物。在系统的整个运行进程中，物料自喂料口加入后在一个封闭的系统中自行流转，直到细粉体排出，中间过程无须人工操作，得到的生物质粉体平均粒径可达120目，即粒径为0.105～0.149mm。
该系统的主要设备为：进料工作台、粗破碎机、精破碎机、旋风除尘器、粉体收集料斗、细粉体收集布袋、风机等。生产流程见图1：
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2.2 粗破碎机
粗破碎机也可称为卧式破碎机或一级破碎机。运行时，工作台上的原料借助手动推力和破碎室内刀片高速旋转形成的负压以及系统尾部风机的联合作用进入破碎室，物料在破碎室中，经刀片高速剪切磨削，并在刀片间碰撞、打击、摩擦，以及物料之间的碰撞摩擦而逐渐被破碎为小颗粒及短纤维丝。经破碎后，较小较轻的物料脱离高速圆周运动的轨道进入出料口，而较大较重的物料则留在破碎室内继续被破碎。
粗破碎机主要由进料口、圆形中空破碎室、出料口组成。破碎室尺寸为D×L=1000mm×600mm，配用电动机，采用皮带传动，以减少对轴的损害，电动机转速为2960r/min，皮带盘传动比为1∶1。根据转速和生产量选用15kW的电动机，即可满足一般生物质破碎的需要。
2.3 精破碎机
精破碎机也可称为立式破碎机或二级破碎机，用于对粗破碎产物的精细破碎。精破碎机共使用四台电机，额定功率为15kW、额定电流为28.9A、转速为2890r/min。仍配用电动机及皮带传动形式，皮带盘传动比也为1∶1。
精破碎机主要由进料管、破碎室、出料管及动力传动装置组成。工作时，粗破碎产物借由破碎室内四组刀片高速旋转形成的负压和系统最尾端风机的吸风效果，迅速由各组刀片附近的入口进入精破碎机，由于进入精破碎系统的物料已通过之前粗破碎机的初级破碎，平均粒径已小于5mm，因此在精破碎机中，物料主要是借助电机的高速旋转实现与刀片间的研磨以及物料间的互磨以达到更细的粒径。经研磨与互磨后粒径小的物料会浮在上层，随后被风机从破碎室上端的出口抽到旋风除尘器中，而粒径相对较大的颗粒则由重力原因留在下层继续被破碎。
精破碎机的进出口设计较之粗破碎机有所不同，由于粉体较轻易漂浮，因此将进料口设计在底部，出料口设计在顶部。另外据实践，切向喂入时精破碎机对物料的抓取能力较强，物料能直接进入刀片最大线速度区域，比轴向喂入的生产效率要高10%～20%，因此精破碎机设计了四个进料口，使四组刀片能够单独进料以提高效率，进料口分别布置在四组刀片的切向方向上。
2.4 旋风除尘器
该系统中的旋风除尘器尺寸为D×H=1400mm×2500mm，其可以看作是一个粉体筛选器。从精破碎机出来的粉体经旋风除尘器上端进入后，其中小的颗粒会从旋风除尘器上端另一侧的出口进入尾端的布袋中，而较大的颗粒则会沉降到旋风除尘器的底部，然后进入与之连接的大料斗收集器中。
2.5 风机
风机装在整个系统的最尾端，主要作用是利用吸风使被破碎的细物料不断涌向下一个装置，直至到达袋式除尘器或大料斗收集器。风机的吸风措施可以降低物料在破碎过程中的湿度和温度，也可以降低各破碎室的温度，并可有效防止系统出现堵塞或粉尘外泄的情况。
一般而言，风量过小，会使系统的产率降低，严重时还会造成粉体堵塞系统；风量过大，收集到的粉体又不够细。因此应根据系统的需要选择合适的风量。
3 生物质原料及破碎产物分析
3.1 生物质原料分析
狭义的生物质专指植物，如能源作物、农林废弃物（秸秆、稻草、麦秆、豆秆、棉花秆、谷壳、废木料等）、杂草、藻类等；广义的生物质指所有的有机质，除植物外还包括动物粪便、动物尸体、废水垃圾中的有机成分等。本文中的生物质是指狭义的生物质，即专指植物。本实验主要针对的是林业生物质资源和农业生物质资源。在我国可采用的废弃生物质原料有：棉秆、稻草、麦秸、芦苇、玉米秆、高粱秆等，形态各不相同。实验过程中所用的生物质破碎原料主要为锯末、玉米芯、秸秆等。
3.2 粗破碎产物分析
粗破碎产物中除了细、中、大颗粒物之外，一般还含有纤维丝，纤维丝为物料的表皮。以秸秆为例，秸秆纤维丝平均长40mm，图2是纤维丝及各种粒径的颗粒物所占总量百分比的分布图。
 （d为颗粒产物的粒径/mm） 图2 粗破碎产物分布（%） |
生物质原料在烘干时，水分的蒸发速率会越来越慢，其总的含水率（指自由水）为10%～20%。通过对含水率不同的生物质进行粗破碎后的效果说明，对于生物质而言，在其烘干达恒重之前，干燥时间越长，破碎效果越好。
3.3 精破碎产物分析
精破碎机破碎后的产物经标准筛筛分后，各种粒径的产物所占总量百分比的分布如图3所示。细破碎产物粒径在60～200目，平均粒径为120目，破碎效果非常理想。
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一般而言，褐煤的堆积密度为0.56×103～0.6×103kg/m3，烟煤的堆积密度为0.8×103～0.9×103kg/m3，相比之下，秸秆的堆积密度要小的多，为0.05×103～0.12×103kg/m3。通过在生物质粉体上施压可增加其密度，所施压强及粉体密度的关系如下表所示。
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生物质粉体的自然堆积密度为0.214×103kg/m3左右，当所施加压强为150×100kPa时，其密度可达0.552×103kg/m3左右。因此在工业上储存生物质粉体时，可先对其进行压缩后再放置。此途径可大大节省生物质粉体的储存空间。
4 运行结果分析
4.1 系统运行中粗破碎机和精破碎机电机的电流情况
在运行过程中，为了减少对电机的损耗，电机的电流均不应超过额定电流，加料时可通过工作台旁边的电控柜严格把握加料速度（最佳状态是达到匀速喂料），使电流控制在额定电流以内。
该系统中粗破碎机和精破碎机所使用的五台电动机均为15kW电机，额定电流为29.8A。实验中，粗破碎机的电流一直稳定在20～25A，平均值为23A；风机电流为3～5A，平均值为4.5A。而精破碎机中的四组刀片电流变化则有所波动，开机1h内四组刀片电流平均分别为20.9A、21.4A、21.6A、21.0A，总计为84.9 A。一般而言，当四组刀片的电流基本接近额定电流时，应适量减慢加料速度以免损坏电机。
4.2 电流与产率的关系
从上述统计可知，粗破碎机、精破碎机、风机的平均电流之和为112.4A，电功率的计算公式为：P=√3UIcosφ
其中U为线电压，取工业用电电压380V；I为线电流，即电流表所测得的值，在此处取几部分的平均总电流112.4；cosφ为功率因数，取0.9。
则P=√3*380*112.4*0.9=66.58kW
即每小时耗电66.58kW，当地工业用电为0.70元/kW·h，则每小时所用电费为46.61元。该套系统1h的产率为500kg，因此每生产1t玉米秸秆粉体需耗电费93.22元。
4.3 成本核算
以玉米秸秆为例，每收购1t原料需120元（含运输费用），由生产效率计算可知，每生产1t粉体需电费93.22元，在生产中，按一天两班工作制，每天工作8小时，生产量为4t/d计算，每生产1t粉体需人工费10元。平均每t粉体的包装及运费需25元，其他费用为5元，则可初步预算每生产1t粉体所需成本为253.22元。
5 结论
该破碎系统得到的生物质粉体平均粒径为120目，产率可达到500kg/h，成本为253.22元/t。破碎时的生物质原料越干燥，破碎效果越显著。
系统中两大主要设备粗破碎机和精破碎机各部分的额定电流均为28.9A，但运行时的平均电流为20～25A，因此，设备的使用效率并末达到最佳状态，应通过调节转速、风量等工艺参数使设备的使用状况达到最佳。
参考文献：
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