ai/knowledge_base/agriculture/content/秸秆切碎及制备固体成型燃料实用技术.txt

丛书序一
丛书序二
丛书前言
绪论
一、成型燃料国内外发展现状
我国农作物秸秆资源十分丰富，如稻秸、麦秸、玉米秆、豆秆和油菜秆等，以及棉秆、桑枝和烟秆等。这些农业废弃物除部分用于工业和饲料外，大部分直接燃烧，多余部分就地烧荒，不仅利用效率低，而且严重污染环境。此外，在农副产品加工中也会产生大量的残余物，如稻壳、花生壳、核桃壳、甘蔗渣等。如将这些堆积密度低的农业废弃物转换为优质燃料，变废为宝，对促进农业可持续发展和保护生态环境具有重要意义。
秸秆固化成型技术是国内外利用秸秆比较普遍且效果显著的技术之一。农作物秸秆经粉碎后用机械加压的方法压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料，便于运输和贮存，能提高燃烧效率，且使用方便、卫生，可以形成商品能源。成型燃料能替代煤炭，用作工业锅炉的燃料，也可广泛应用于农村区域采暖、热水供应、蒸汽供应、大棚种植、养殖供热及各种农副产品烘干场所，也可以进一步炭化处理，得到木炭和活性炭，用于餐饮烧烤和冶金燃料、化工和环保吸附材料等。
随着全球性大气污染的进一步加剧，减少CO2等温室气体净排放量已成为世界各国解决能源与环境问题的焦点。由于生物质资源的可降解性和可再生性，秸秆成型燃料燃烧CO2的净排放量基本为0，NO排放量仅为燃煤的1/5，SO2的排放量仅为燃煤的1/10。由此可见，秸秆成型燃料直接燃用是世界范围内进行秸秆高效、洁净利用的一条有效途径。推广应用秸秆成型燃料，对发展循环经济和实施节能减排具有重要的现实意义，这已经引起人们的高度重视。
早在20世纪30年代，美国就开始研究生物质压缩成型燃料技术，并研制了螺旋成型机。在温度80～350℃和压力100兆帕的条件下，能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料，密度为1.0～1.2克／厘米3，含水率为10%～12%，含硫量为0～0.1%，灰分为1%～3%，低位发热量18兆焦／千克。美国最早开发了木质颗粒的成型技术，当初是从加工家畜颗粒饲料技术转化过来的。1976年，该技术被应用于木屑的成型，并以“Woodex”这一商标开始销售。1978年，美国太阳能公司投资1.2亿美元建造了一座日产300吨的固体成型燃料工厂。20世纪80年代中期，随着自动化程度较高的家用固体成型燃料采暖炉的开发，固体成型燃料产业逐步建立起来。全球两度发生石油危机，致使木质颗粒燃料技术几乎扩展到整个欧洲和北美洲。
日本于20世纪50年代从国外引进生物质成型技术，并对其进行了改进。从80年代开始，日本学者对生物质致密成型的机理进行了探讨，对压缩过程中的动力消耗、压模的结构与尺寸、原料的含水率、压缩时的温度、压力以及原料的颗粒大小等进行了实验研究，进一步改进了成型燃料技术，使其更为实用化。1984-1985年，日本全国有26家工厂从事木质颗粒燃料的生产和运作，产量也达到最高峰的28000吨／年。同时，日本还研制了一种用煤和木粉混合的压块燃料，称之为“生物煤”。此种燃料兼顾了煤和木材燃料的优点，具有易着火、烟量少、燃烧速度快、灰分少和升温快等特点，是一种适合家庭使用的理想燃料。通过添加脱硫剂，还能够抑制亚硫酸气体的生成，成为一种清洁煤炭技术。
20世纪70年代后期，由于出现世界能源危机，石油价格上涨，许多欧洲国家如芬兰、比利时、瑞典、法国、丹麦、德国和意大利等也开始重视固体成型燃料技术的研发。由比利时研制成功的“T117”螺旋挤压成型机，其主要性能为：棒状燃料的模压温度为180℃，轴向压缩力大于686千牛，燃料棒移动速度1700～2500毫米／分，能耗45～55千瓦时／吨。棒状燃料的直径为28～100毫米，密度1.2～1.3克／厘米3，低位热值18～19.7兆焦／千克。芬兰许多科研和生产单位的专家认为，经压缩成型后，生物质颗粒的有效热效率可达70%。颗粒燃料可在固定的生产厂生产，也可在移动式的生产设备中生产。由于移动式生产可以将设备运到生产秸秆的产地进行，可使生产成本大大降低。联邦德国研制的KAHL系列颗粒成型机可生产直径为3～40毫米系列的压缩粒，所用电机的功率为20～400千瓦，能耗为15～40千瓦时／吨。目前，生物质已成为欧洲许多国家冬季采暖最主要的燃料，大部分都使用压缩成型的颗粒燃料，瑞典、芬兰和德国主要用于热电联产、小型区域供暖和家庭采暖，以及提供工业生产能源。
20世纪60年代，中国开展了一些生物质压缩成型方面的研究工作，但未引起各方面的重视。“七五”末、“八五”初，林业部林产化工研究所、西北农业大学、江苏省连云港市车站粮食机械厂等单位对螺杆轴热压成型技术进行研究。“八五”期间，中国农业化机械科学研究院能源动力所、辽宁省能源研究所、中国农业工程规划设计院、浙江农业大学农村能源研究所等单位对生物质冲压式、螺杆挤压式成型技术和设备以及配套炉具、炭化技术进行研究开发，推动了生物质成型技术的发展。但开发的热压成型设备，大多存在机组可靠性差、关键零件运行寿命短、动力消耗大、原料预处理设备不配套等问题，影响了设备的推广和成型燃料的规模化生产。90年代初，我国的一部分企业和省农村能源办公室从日本、比利时、美国等地引进了近20条生物质压缩成型生产线，基本上都采用螺杆挤压式成型原理，以锯木屑为原料，生产“炭化”燃料。
进入21世纪，《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将“农林生物质综合开发利用”列入农业优先主题，燃料乙醇、生物柴油、固体成型燃料、工业化沼气等在内的生物能源产品的产业化加快发展。国家加大了对以秸秆、农林业废弃物等为原料压缩成型生产固体成型燃料的科技创新支持力度。近年来，由于石油价格曾突破140美元／桶，煤价逼近甚至突破每吨千元，加上国内外对节能减排的重视，固体成型燃料作为一个产业又开始活跃起来，表现在制造设备技术逐步成熟，规模生产成型燃料的厂家正在发展，固体成型燃料锅炉等应用终端设备加紧开发。沈阳、哈尔滨、保定等城市制定相关政策，限期治理超标燃煤工业锅炉排放，推广生物质燃料锅炉。这些都有力地推动了固体成型燃料作为一个行业、一个产业的发展。截至2009年年底，国内有固体成型燃料生产厂260多个，生产能力约76.6万吨／年，主要用于农村居民炊事取暖用能、工业锅炉和发电厂的燃料等。相当于替代38.3万吨标准煤，减少温室气体排放83万吨／年，为农民增收节支2.3亿元，社会、生态和经济效益显著。
二、秸秆压缩成型原理
1962年德国学者Rumpf针对不同材料的压缩成型，将成型物内部的黏合力类型和黏合方式分成5类：①固体颗粒桥接或架桥（Solid Bridge）；②非自由移动黏合剂作用的黏合力；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。
一般情况，成型燃料的黏结强度随着成型压力增加而增大。在不添加黏结剂的成型过程中，秸秆颗粒在外部压缩力的作用下相互滑动，颗粒间的孔隙减小，颗粒在压力作用下发生塑性变形，并达到黏结成型的目的。对大颗粒而言，颗粒之间交错黏结为主；对于很小的颗粒而言（粉粒状），颗粒之间以吸引力（分子间的范德华力或静电力）黏结为主。温度可以使秸秆内在的黏结剂融化，从而发挥出黏结作用。秸秆能在不用黏结剂的条件下热压成型，主要是因为有木质素存在。植物细胞中都含有纤维素、半纤维素和木质素，它们互为伴生物。木材中木质素含量27%～32%（绝干原料），禾草类植物木质素含量14%～25%。由X-射线衍射知道木质素属非晶体，没有熔点，但有软化点，当温度在70～110℃时其黏合力开始增加，温度在200～300℃时可以熔融，在植物组织中有增强细胞壁、黏合纤维素的作用。此时施压即可使粉碎的秸秆颗粒互相胶接，冷却后即固化成型。用木质素充当成型时的黏结剂（不外加任何黏结剂），其过程类似压塑粉的热压成型过程。
除此之外，增加黏结剂也可以明显提高成型块的黏结强度，提高颗粒之间的聚合力，从而可以对压力进行一定的补偿。总之，压力、温度、切碎物料的粒度和黏结剂都是影响秸秆等成型燃料物理、力学性能的主要因素。虽然成型燃料的密度和强度受温度、含水率、压力、黏结剂等诸多因素影响，但实质上，都可以用Rumpf所述的一种或一种以上的黏合类型和黏合力来解释生物质成型物内部的成型机制。
三、秸秆压缩成型工艺
1．常温压缩成型工艺
纤维类原料在常温下，浸泡数日水解处理后，纤维变得柔软、湿润、皱裂并部分降解，其压缩成型特性明显改善，易于压缩成型。因此，该成型技术被广泛用于纤维板的生产，同样，利用简单的杠杆和模具，将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出，即可形成低密度的成型燃料块。这一技术在泰国、菲律宾等国得到一定程度的发展，在燃料市场上具有一定的竞争能力。
北京林业大学工学院俞国胜等对秸秆类生物质采用常温高压致密成型工艺生产块状成型燃料，成型压力15～35兆帕，最高达40兆帕，秸秆含水率5%～15%，不超过22%。成型块燃料的密度达到1.0～1.2克／厘米3。
2．热压成型工艺
热压成型是国内外普遍采用的成型工艺，其工艺流程为：原料粉碎→干燥→挤压成型→冷却→包装等几个环节。热压成型的主要工艺参数有温度、压力和物料在成型模具内的滞留时间等。此外，原料的种类、粒度、含水率、成型方式、成型模具的形状和尺寸等因素对成型工艺过程和成型燃料的性能都有一定的影响。
该工艺的主要特点是物料在模具内被挤压的同时，需对模具进行外部加热，将热量传递给物料，使物料受热而提高温度。加热的主要作用是：①使秸秆中的木质素软化、熔融而成为黏结剂。由于植物细胞中的木质素是具有芳香族特性、结构单位为苯丙烷型的立体结构高分子化合物。当温度为70～110℃时软化，黏合力增加；达到140～180℃时就会塑化而富有黏性；在200～300℃时可熔融。因此，对秸秆加热的主要目的，就是将秸秆中木质素加热后起到黏结剂的作用。②使成型块燃料的外表层炭化，使其通过模具时能顺利滑出而不会粘连，减少挤压动力消耗。③提供物料分子结构变化的能量。
由于不同种类的秸秆中木质素和纤维素含量及物料的形状等都不相同。因此，成型时对温度和压力参数值的要求也不一样。即使同一种秸秆，形态相似而含水率和颗粒度不同，则成型时所需温度和压力等也不相同。实践证明，温度和压力选得过高和过低都会导致成型失败。温度选得过低则秸秆中的木质素未能塑化变黏，物料不能黏结成型。反之，如温度选得过高，则成型燃料的表面出现裂纹，严重时成型块一出口就变成了“散花”。此外，若施加压力过小，则会使成型燃料无法黏结，而且也无法克服摩擦阻力，因而无法成型；若施加压力过大，则会使成型燃料在模具内滞留时间缩短，使物料加温不足而无法成型。
成型物料在模具内所受的压应力随时间的增加而逐渐减小，因此，必须有一定的滞留时间，以保证成型物料中的应力充分松弛，防止挤压出模后产生过大的膨胀。另外，也使物料有足够的时间进行热传递。一般，滞留时间应不少于40～50秒。为了避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生，一般要将原料含水率控制在8%～12%。
3．炭化成型工艺
炭化成型工艺的基本特征是：首先将原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏结剂压缩成型。原料高温下热裂解转换成炭，并释放出挥发分（包括可燃气体、木醋液和焦油等），因而其压缩性能得到改善，成型部件的机械磨损和压缩过程中的功率消耗明显降低。但是，炭化后的原料在压缩成型后的力学强度较差，贮存、运输和使用时容易开裂或破碎，所以采用炭化成型工艺时，一般都要加入一定量的黏结剂。如果成型过程中不使用黏结剂，要提高成型块的耐久性，保证其贮存和使用性能，则需要较高的成型压力。
四、秸秆压缩成型影响因素
1．原料粉碎粒度
原料粒度及其分布对秸秆的成型效果有很大影响，也影响成型机效率及压块成型质量。在常温高压情况下，压缩成型主要是靠原料颗粒逐渐填充物料间的空隙完成的。原料的粒度大，其充填特性变差，因此粒子间彼此的嵌入不好，导致成型效果变差。原料粒度过大时，成型机将不能有效工作，能耗大，产量低。但采用冲压成型方式时，要求原料有较大的尺寸，过小则容易产生脱落。原料粒度越小，流动性越好，在相同的压力下原料的变形越大，成型物结合越紧密，成型后的密度越大。但原料粒度过小，黏性变大，流动性会下降，致使成型燃料的强度降低。
原料粒度大小不均匀时，形态差异较大，成型物表面将产生裂纹，密度、强度会降低。一些研究表明，较大的颗粒很难保证得到较好的成型效果，这是由于原料本身的组织结构性质不同而造成的。一般来说，40毫米以下粒度都是适于成型的，但压缩成型较理想的原料粒度在20～30毫米。
2．原料含水率
原料含水率对秸秆的成型过程及产品质量影响较大。在湿压成型过程中，纤维素需要在水中成团和腐化，因而要求原料的含水率较高。在热压成型过程中，含水率过高会引起喂料堵塞现象，成型过程中影响热量传递，并增大物料与模具间的摩擦，严重时会产生爆鸣；加热过程中产生的蒸汽不能顺利排出，还会造成成型燃料表面开裂。但含水率太低，则影响木质素的软化、液化，原料颗粒之间的摩擦和抗压强度增大，成型也困难，还会造成成型机能量消耗增加。
因此，原料的含水率过高或过低都不能很好成型。虽然不同种类秸秆原料的木质素含量有较大差异，但成型所需适宜含水率范围都在15%～20%。一般地，对于颗粒成型燃料，要求原料含水率在15%～20%；对于棒状、块状成型燃料，要求原料含水率小于15%；对于高密度棒状成型燃料，要求原料含水率小于10%。此种状态下燃料的成型率、成型效率、密度、表面光洁度等指标均较为理想。
3．原料种类
不同种类的秸秆原料，其固体成型特性有一定的差异。如灌木、芝麻秆与其他种类原料相比成型相对困难一些，会出现表面不平整、粒子间结合不紧密、强度低等现象，这与原料本身的组织结构、纤维含量等有很大关系。即使同一种秸秆原料，由于其生长条件、成熟度、生长部位等因素的不同，固体成型特性也有所差异。
一般地，棉秆、桑枝等木质素含量高的硬茎秆在压力作用下变形较小，难于压缩成型；而纤维状玉米秸秆、麦秆等软茎秆在压力作用下变形较大，易于压缩成型。在不加热条件下进行压缩时，较难压缩的生物质原料不易成型，容易压缩的生物质原料则容易成型。但是，在加热的条件下进行压缩成型时，较难压缩的棉秆原料却容易成型，而玉米秸秆等原料不易成型。其主要原因是棉秆中的木质素含量高，在高温下能够软化、液化，起到黏结作用。但大多数的木质类原料和秸秆类原料在合适的条件下都可成型。
因此，原料的种类直接影响固体成型机的动力消耗和产量，也会影响到成型燃料的密度、强度、热值等特性。
4．加热温度
对于热压成型工艺而言，加热温度也是一个重要的工艺参数。秸秆原料加热的主要作用有三个方面：一是使秸秆中的木质素软化，起到黏结剂的作用；二是使秸秆原料在成型机内迅速形成表面炭化层，便于成型体在模具内自由滑动；三是为秸秆原料的分子结构改变提供足够的能量。
在成型过程中，合理的加热温度能够提高成型效率，改善燃料品质。如果温度过高，对于原料来说，由于水分的存在，易产生高压蒸汽和挥发分，导致气堵和爆鸣现象。而且干馏所形成的炭化层过厚，摩擦阻力减小，成型燃料挤压不实，密度变小，易破碎断裂。对于设备而言，易使成型套筒发生退火，工作表面耐磨性降低，缩短使用寿命。温度过低，传热慢，秸秆原料中的木质素不能软化，无法成型，功耗增加。一般地，成型温度低于200℃，则不足以使原料中的木质素塑化，加大原料与出料筒之间的摩擦，造成出料筒堵塞，无法成型；如果温度高于280℃，则原料分解严重，输送过快，不能形成有效的压力，也无法成型。不同物料所需成型温度相差不大，一般应控制在240～260℃。
5．成型压力
成型压力是秸秆固体成型的关键工艺参数之一，也是压缩成型的基本条件和要求。对原料在成型机内施加压力的主要作用有三个方面：一是对原料的物相结构进行破坏，并重新组合；二是增强原料分子间的作用力，使秸秆原料致密均实，提高成型燃料的强度和刚度；三是为压缩成型提供动力。
然而，成型压力与成型机模具的形状尺寸有着密切关系。因多数成型机采用挤压和冲压的成型方式，即把原料从成型模具的一端压入，从另一端挤出，此时原料所需成型压力与模具内壁表面的摩擦力相平衡，即成型机只能产生与摩擦力相同大小的成型压力。而对于同一种原料而言，这种摩擦力的大小与模具的形状尺寸有直接的关系。
6．模具形状与尺寸
模具形状与尺寸对成型过程有着重要的影响。以螺旋挤压成型工艺为例，在成型机内螺杆与成型套筒配合。试验表明，当螺杆第一个螺纹进入套筒深度为50～60毫米时，成型过程可以顺利进行，而且成型燃料密度也较好。
成型速度也是由螺杆与套筒之间的尺寸配合所决定的。研究结果显示，当二者配合间隙为5～6毫米时，成型速度是最快的，超出这个范围，原料就难以成型或成型燃料的质量较差。
7．添加黏结剂
在秸秆原料中添加黏结剂主要有两方面的作用：一是提高成型燃料的热值、强度和抗潮解性，并且还可保证燃料燃烧时不产生烟尘和异味。二是增加黏结力，减少动力消耗。常用的黏结剂有无机黏结剂、有机黏结剂和纤维类黏结剂三类。无机黏结剂包括水泥、黏土和水玻璃等，具有一定的黏结能力，但使用这类黏结剂存在的主要问题是会增大燃料的灰分含量，降低燃料的热值，而且在燃烧过程中燃料会产生开裂现象。有机类黏结剂包括焦油、沥青、树脂和淀粉等，具有较强的黏结能力，淀粉类黏结剂使用量一般控制在质量百分含量的4%左右，燃烧时不产生烟气，但使用这类黏结剂的不足之处是抗潮解能力差。焦油、沥青的使用量可以达到30%，抗潮解能力强，但易产生烟气。纤维类黏结剂包括废纸浆和木纤维等，价格便宜，且具有较好的黏结能力。
五、发展前景
近年来，国家高度重视秸秆能源化利用工作，相继出台了一系列政策法规，鼓励和支持相关产业的发展。财政部出台了《秸秆能源化利用补助资金管理暂行办法》，拟采取综合性补助方式，支持从事秸秆成型燃料、秸秆气化、秸秆干馏等秸秆能源化生产的企业收集秸秆、生产秸秆能源产品并向市场推广。我国《可再生能源中长期发展规划》提出，力争到2020年生物质固体成型燃料年利用量达到5000万吨。生物质固体成型燃料技术生产工艺、设备简单，易于操作，成本较低，加工生产的成型燃料热效率高，燃烧性能好，便于贮运，易于实现产业化生产和大规模使用，未来发展潜力巨大。发展秸秆成型燃料产业，有利于保障国家能源安全，增加农民收入，改善农民生活条件，为减少温室气体排放和控制雾霾气候形成做出贡献。
第一章　秸秆生物学特性
第一节　组织结构
一、稻秸
水稻属于禾本科单子叶植物，稻秸的茎中空，茎腔大。茎的表皮在茎的最外围，由一层活的细胞所组成，有一定的分裂能力，表皮组织以内是基本组织，维管束则贯穿于基本组织之中（图1-1）。
图1-1　稻秸的横切面组织结构
茎的表皮只有初生结构，一般为一层细胞，常常角质化或硅质化，以防止水分的过度蒸发和病菌侵入，并对内部其他组织起着保护作用。各种器官中数量最多的组织是薄壁组织，也叫基本组织，是光合作用和呼吸作用、贮藏、分化等主要生命活动的场所，是作物组成的基础。维管组织（也称维管束）都埋藏在薄壁组织内，在韧皮部、木质部等复合组织中，薄壁组织起着联系的作用。在维管组织中，主要有木质部和韧皮部，二者是相互结合的，在整个维管束中也是彼此结合的。维管束排列成二圈，较小的一圈靠近外围，较大的一圈插入茎中。木质部的功能是把根部吸收的水和无机盐，经茎输送到叶和植株的其他部分，韧皮部则把叶中合成的有机物质如碳水化合物和氨化物等输送到植株的其他部分。
二、棉秆
棉花属于禾本科双子叶植物，其茎秆的组织结构按成熟程度的不同可分为初生结构和次生结构。横向截面分为皮、木质部和髓三部分。按重量比，皮占总量的30%，木质部分占65%，髓占4.5%；按体积比，皮占总体积的20.75%，木质部占63.3%，髓占15.95%。
棉秆的横切面由外向内主要可分为皮质、初生木质部和髓芯三部分（图1-2）。皮质部分又可分为表皮、表皮角质层、皮层薄壁细胞和初生韧皮部。在初生韧皮部含有韧皮纤维，纤维细而长，最短的0.7毫米长，最长的可达20毫米以上，它使棉秆具有极强的韧性，给棉秆切割和成型带来一定的困难。
图1-2　棉秆的横切面组织结构
棉秆的初生木质部由导管、管胞、木薄壁细胞和木纤维组成。老茎和次生木质部由网纹导管和孔纹导管组成，这些细胞中的胞间层较木质材料薄，细胞腔大，细胞之间的纹孔数量多。
棉秆的髓芯部分都是由较大的薄壁细胞组成，呈多面体或椭圆形，细胞排列疏松，有明显胞间隙，有较大的可塑性。细胞壁由纤维素和果胶质组成。细胞内液胞大，主要含有水分、气体和碳水化合物，干燥分离后形成粉末，遇水则能成几倍的蓄积水分。从体积上分，髓芯部分从主干部分的1/3以下已基本木质化，1/3向上部分随着高度的增加和分枝的增多而增加，到分枝梢部约占1/2。
综上所述，稻秸、棉秆的组织结构明显不同，稻秸、麦秸等软茎秆中空细软，切碎时易缠绕；而棉秆、玉米秆、豆秆等硬茎秆结构致密，木质化程度高，皮质部分又具有极强的韧性，切碎过程中将对割刀产生较大的切割反力，在秸秆切碎时应考虑到这一点。
第二节　化学成分
一、纤维素
纤维素赋予植物茎秆弹性和机械强度，构成了植物支撑组织的基础。纤维素的化学组成十分简单，是由β-D-葡萄糖通过β-1，4-糖苷键连接而成的线型结晶高聚物，聚合度很大（通常由4000～8000个葡萄糖分子串联起来，分子量达200～2000）。葡萄糖的β-1，4-糖苷键连接方式使纤维素几乎所有的羟基及其他含氧基团，都同其分子内或相邻分子上的含氧基团之间形成分子内和分子链之间的的氢键。这些氢键使很多纤维素分子共同组成结晶结构，并进而组成复杂的基元纤维、微纤维、结晶区和无定型区等纤维素聚合物的超分子结构。纤维素的特殊结构使纤维素酶分子很难靠近纤维素分子内部的糖苷键进行有效的反应。
纤维素在常温下比较稳定，不溶于水及一般的有机溶剂。它在加热到270℃时开始分解，纤维素热降解的程度与温度高低、作用时间长短及介质中的水分和氧气含量均有密切关系，受热时间愈长降解愈严重。纤维素对热的传导作用轴向比横向大，其值大小与纤维的孔隙度有关。纤维素及其衍生物具有吸湿性，如将纤维置于含有水蒸气或其他有机液体蒸汽的大气中，它将吸取或放出蒸汽直至平衡。
二、半纤维素
半纤维素是植物体内的支架和骨干，起贮存碳水化合物的作用。半纤维素在结构和组成上变化很大，一般由较短（聚合度小于200）、高度分枝的杂多糖链组成。常见的有木聚糖、阿拉伯木聚糖、葡萄甘露聚糖、半乳葡萄甘露聚糖等，多通过β-1，4-糖苷键连接，含有五碳糖（通常是D-木糖和L-阿拉伯糖）、六碳糖（D-半乳糖、D-葡萄糖和D-甘露糖）和糖醛酸。各种植物纤维原料的半纤维素链上连接着数量不等的甲酰基和乙酰基，其分支结构使半纤维素无定形化，比较容易被水解为糖类。
半纤维素因由多聚糖组成，在贮存过程中易水解，转变成木质素。多聚戊糖水解时生成五碳糖，多聚戊糖和多聚己糖是胶体物质，在水中加热具有胶合剂作用。半纤维素在100℃以上时单糖开始分解，170℃时熔解。半纤维素吸水性好，当温度和相对湿度一样时，吸湿率主要取决于半纤维素的含量，含量高，吸湿率就高。
三、木质素
木质素赋予植物体高的硬度和刚度，很难与纤维素分离。木质素是以苯丙基为基本结构单元连接而成的高分枝多分散性高聚物，具有三度空间结构的天然高分子化合物，从化学结构上看，既具有酚的特征，又具有糖的特征，形成的聚合物结构十分复杂，非常难以降解。
目前认为木质素以苯丙烷为主体结构，共有三种基本结构，即愈创木基结构、紫丁香基结构和对羧苯基结构。木质素属于非晶体，在70～110℃时开始软化，200～300℃时可以熔融，转变为胶体物质，具有黏结剂的功能。
第三节　物理特性
一、含水率
水分是秸秆原料一个易变的因素，新鲜秸秆的含水量高达50%～60%，自然风干后为8%～20%。水分是农作物秸秆中不可燃的部分，秸秆中所含的水分可分为两部分：一部分存在于细胞腔内和细胞之间，称为自由水，可用自然干燥的方法去除，与运输和贮存条件有关，在50%～60%变化；另一部分为细胞壁的物理化学结合水，称为生物质结合水，一般比较固定，约占5%。
含水率影响燃烧性能、燃烧温度和单位能量所产生的烟气体积。含水率高的秸秆在燃烧时水分的蒸发要消耗大量的热，热值有所下降，点火困难、燃烧温度低，产生的烟气体积较大。因此，在直接燃烧过程中要限制原料的含水量，预先对秸秆进行干燥处理。
含水率对秸秆成型过程也有重要影响。秸秆体内的水分也是一种必不可少的自由基，在压力作用下，与果胶质或糖类混合形成胶体，起黏结剂的作用，因此过于干燥的秸秆原料在通常情况下是很难压缩成型的。秸秆体内的水分还有降低木质素的玻璃化转变温度或熔融温度的作用，使秸秆在较低温度下成型。但是，含水率太高将影响热量传递，并增大物料与模具的摩擦力。秸秆在热压成型时，环（平）模颗粒燃料含水率控制在15%～20%，其他含水率一般为8%～15%。
二、堆积密度
堆积密度是指单位容积中物料的质量，一般在自然堆积的情况下进行测量。根据堆积密度不同可将秸秆分为两类，一类为玉米秆（芯）、棉秆等硬茎秆原料，它们的堆积密度在200～350千克／米3；另一类为稻秸、麦秸等软茎秆原料，它们的堆积密度低于硬茎秆原料。与煤相比，秸秆普遍具有密度小、体积大、含氧量高的特点。例如，已切碎软茎秆的堆积密度为50～120千克／米3，木屑的堆积密度为320千克／米3，褐煤的堆积密度为560～600千克／米3，烟煤的堆积密度为800～900千克／米3。
秸秆内部分子间距大，堆积密度低，这些特点决定了秸秆具有较大的可压缩性。但是较低的堆积密度需要占用的堆放场地更大，对秸秆的存储和运输非常不利，尤其是稻秸、麦秸等软茎秆原料，秸秆的堆放体积庞大，搬运、运输、码垛需要消耗较多的人力财力，运输有一定的困难，直接制约了秸秆燃烧技术的推广和应用。
堆积密度对秸秆的热化学利用也有重要的影响。当生物质受热时，挥发分从空隙处析出后，剩余的木炭力学强度较高，可以保持原来的形状，从而形成孔隙率高、均匀的优良反应层，但秸秆炭的力学强度很低，不能保持原有的形状，细而散的颗粒降低了反应层的活性和透气性。
第四节　燃料特性
一、元素分析
（1）碳
碳主要来自植物通过光合作用吸收的二氧化碳。碳是秸秆中主要的可燃元素，在燃烧期间与氧发生氧化反应，1千克的碳完全燃烧时，可以释放出34045千焦的热量。生物质中的碳一部分与氢、氧等化合为各种可燃的有机化合物，一部分以结晶状态碳的形式存在。碳含量基本上决定了秸秆的发热量大小，含碳越高，燃点越高，因此秸秆比煤炭易点燃。
（2）氢
氢是秸秆中仅次于碳的可燃元素，1千克的氢完全燃烧时，可以释放出142256千焦的热量。生物质中所含的氢一部分与碳、硫等化合为各种可燃的有机化合物，燃烧时以挥发分析出，易点火燃烧，这部分氢称为自由氢。另有一部分氢与氧化合形成结晶水，这部分氢称为化合氢，显然它不可能参与氧化反应并释放出热量。
（3）氧和氮
氧和氮均是不可燃元素。氧在热解期间被释放出来以部分满足燃烧过程中对氧的需求。在一般情况下，氮不会发生氧化反应，而是以自由状态排入大气中；但是，在满足一定条件的情况（如高温状态）下，部分氮可与氧生成NO，污染大气环境。
（4）硫
硫是燃料中的一种有害可燃元素，它在燃烧过程中可生成SO2和SO3气体，既有可能腐蚀燃烧设备的金属表面，又有可能污染环境。秸秆中硫含量极低，如果替代煤等化石能源，可以减轻对环境的污染。
燃料的组成成分可用各组成元素的重量百分比来表示，称为燃料的元素分析成分，几种常见农作物秸秆的元素成分分析见表1-2。
表1-2　几种秸秆的元素成分分析（干燥无灰基）
生物质中大量的含氧官能团对无机物质的包容能力比较强，因此秸秆中内在固有无机物如钾、钠、氯、硅等元素的含量一般较高。在秸秆燃烧过程中，会对燃烧设备产生飞灰沉积和高温腐蚀等不利影响。
二、工业分析
秸秆的工业成分分析是参照煤的工业分析方法，主要测定原料中挥发分、固定碳、灰分和水分的含量。在隔绝空气的条件下对秸秆原料进行加热，首先是水分蒸发逸出，然后秸秆中的有机物开始热分解并逐渐析出各种气态产物，称为挥发分（V），主要含有CO、H2、CH4等可燃气体和少量的O2、N2、CO2等不可燃气体。余下的固体残余物为固定碳和灰分，所谓固定碳，并非纯碳，其中残留少量的H、O、N和S等成分。
用挥发分、固定碳、灰分和水分表示燃料的成分被称为燃料的工业分析成分，几种常见农作物秸秆的工业分析成分见表1-3。
表1-3　几种秸秆的工业分析成分
水分是燃料中的不可燃成分，秸秆水分的变化较大，将会影响燃烧的状况。含水率较高，秸秆的热值有所下降，导致起燃困难，燃烧温度偏低，阻碍燃烧反应的顺利进行。
秸秆挥发分含量一般在65%～86%，远高于固定碳的含量，因此挥发分的热解与燃烧是秸秆燃烧的主要过程。一般在350℃时，就会有80%的挥发分析出。
灰分是燃料在燃烧后所形成的固体残渣，是原有的不可燃矿物杂质经高温分解和氧化形成的，对秸秆燃烧过程有着一定的影响。如果秸秆的灰分含量高，将减少燃料的热值，降低燃烧温度。例如，稻秸的灰分含量可达14%，导致其燃烧比较困难。在农作物收获后，将秸秆在农田中放置一段时间，利用雨水进行清洗，可以减少其中氯和钾的含量，并且除去部分灰分，减少灰渣处置量。
三、热值
热值（又称发热量）是指在一定温度下，单位质量的燃料完全燃烧后，在冷却至原有温度时所释放的热量。它是衡量燃料品质的重要指标，固体燃料的热值通常采用氧弹仪直接测定。
考虑到在实际燃烧状况下，燃烧产物具有相当高的温度（一般都超过100℃），而水蒸气在燃烧产物中的分压力远低于大气压，不能凝结为水，以燃料中水蒸气是否释放汽化潜热，将热值分为高位热值和低位热值，两者之间的差别在于水蒸气（水分蒸发和氢燃烧生成）的汽化潜热是否释放出来，换算关系式为：
Qdw=Qgw-25（9H+W）
式中：Qgw——燃料的高位热值，千焦／千克；
Qdw——燃料的低位热值，千焦／千克；
H、W——氢元素、水分的质量分数，%。
由于低位热值接近于燃料在大气压下完全燃烧时释放的热量，在实际应用中一般采用低位热值。表1-4为几种常见农作物秸秆的高位和低位热值，生物质燃料的发热量与劣质煤相当。实际上各种原料的发热量差别主要是由灰分多少引起的，除去灰分后（无水无灰），各种秸秆原料的发热量不会有太大的差别。
表1-4　几种秸秆的高位和低位热值（干基）
四、灰分熔点
（1）变形温度（DT）
灰锥尖端或棱开始变圆或弯曲时的温度。
（2）软化温度（ST）
灰锥弯曲至锥尖触及托板或灰锥变成球形时的温度。
（3）半球温度（HT）
灰锥形变至近似半球形，即高约等于底长的一半时的温度。
（4）熔化温度（FT）
灰锥熔化展开成高度在1.5毫米以下的薄层时的温度。
秸秆灰的熔点与秸秆的种类和成分有关。Ca元素和Mg元素通常可以提高灰分点，K元素可以降低灰分点，Si元素在燃烧过程中与K元素形成低熔点的化合物。而秸秆中通常Ca元素含量低，K元素含量较高，导致灰分的软化温度较低。由表1-5可知秸秆灰的熔点比较低，一般为800～1400℃。
表1-5　几种秸秆灰的熔融温度
较高的碱金属及碱土金属含量使秸秆灰易于熔化、结渣。在秸秆燃烧过程中，当碱金属和碱土金属以气体的形态挥发出来，然后以硫酸盐或氯化物的形式凝结在飞灰颗粒上，降低了飞灰的熔点，增加了飞灰表面的黏性，在炉膛气流的作用下，黏贴在受热面的表面上，形成沉积，甚至结垢。受热面上沉积的形成影响热量传输，使得设备堵塞，严重时造成锅炉熄灭，甚至爆炸。
五、燃烧特性
1．秸秆燃烧的基本过程
（1）干燥阶段
在秸秆的燃烧过程中，当温度达到100℃时，秸秆进入干燥阶段，水分开始蒸发。水分蒸发时需要吸收燃烧过程中释放的热量，会降低燃烧室的温度，减缓燃烧进程。
（2）挥发分析出与燃烧阶段
随着温度的不断升高，挥发分开始析出，研究表明秸秆在150～800℃都有挥发分析出，挥发分的析出可以分成3个明显的阶段。在低于280℃的温度范围内有一个明显的失重过程，它完成了生物质的半纤维素（羧基、羰基）等低分子质量物质的分解，放出大量的H2O、CO2与CO，到达着火温度后，气态的挥发分和周围高温空气掺混首先被引燃而燃烧。在280～500℃，纤维素快速热解，出现第一个反应速率的峰值，生成了大量气体，在此温度区域内出现了一个迅速失重过程。木质素的热解速率在400℃以后出现峰值，因此在此温度段所发生的热解是以上几种组成成分热解叠加的结果。在热解温度高于500℃时，半纤维素及纤维素的热分解基本结束，而木质素较难热解，其热解几乎跨越整个热解过程，因此温度超过500℃时以木质素的热解为主，生成了H2、CH4与较多的炭。
一般情况下，此阶段主要是挥发分在燃烧，其发热量占到生物质热值的70%，焦炭被挥发分包围着，燃烧室中氧气不易渗透到焦炭表面，但是气流运动会将一部分炭粒裹入烟道，形成黑絮，所以通风过强会降低燃烧效率。这提示我们，设计生物质燃炉的核心技术应是挥发分充分析出的时间和空间设计，使其在低温时析出，在高温段燃烧。这是解决沉积和结渣问题的理论基础。
（3）过渡阶段
随后，秸秆的温度进一步增高，纤维素的热分解速率急速下降，此时挥发分物质仍能保持燃烧火焰。木质素由于高温炭化，并通过氧化作用表面开始着火，生成炙热火焰，以较慢的速率燃烧，此时出现气相和固相两种燃烧状态并存的现象，直到秸秆中的挥发分物质分解完毕，气相火焰熄灭。
（4）固定炭燃烧阶段
在挥发分燃烧阶段，消耗了大量的O2，减少了扩散到炭表面的氧含量，抑制了固定炭的燃烧；但是，挥发分的燃烧在炭粒周围形成火焰，提供炭燃烧所需的热量，随着挥发分的燃尽，固定炭开始发生氧化反应，且逐渐燃烬，形成灰分。生物质固定炭含量较低，在燃烧中不起主要作用。
以上各个阶段虽然是依次串联，但也有一部分是重叠进行的，各个阶段所经历的时间与秸秆种类、成分和燃烧方式等因素有关。
从上述燃烧过程可知，要使秸秆充分地燃烧，必须具备3个条件：一定的温度、合适的空气量及与燃料良好的混合、足够的反应时间和空间，即燃烧“三要素”。
（1）一定的温度
这是良好燃烧的首要条件。温度的高低对秸秆的干燥、挥发分析出和点火燃烧有着直接影响。温度高，干燥和挥发分析出顺利，达到点火燃烧的时间也较短，点火容易。
（2）合适的空气量及与燃料良好的混合
当一定数量的秸秆完全燃烧时，需要一定的空气量（理论空气量）；考虑到混合不完全等因素，实际空气量一般都大于理论空气量，实际空气量与理论空气量的比值称为过量空气系数。在合适空气量的情况下，影响燃烧的主要因素取决于空气与秸秆的良好混合，它一般由空气流速所决定。气流扩散大时，空气与秸秆混合得好，燃烧速度快。但是，如果过量空气系数过大，进入燃烧室的冷空气多，就会降低燃烧室温度，影响燃烧进程，而且排烟量增多，导致排烟损失增加。
各种元素完全燃烧时，所需的理论空气量与烟气量见表1-6。
表1-6　1千克元素完全燃烧所需的理论空气量与烟气量
（3）足够的反应时间和空间
燃烧反应一般都发生在一定的时间和空间内。如果燃烧空间较小，秸秆的滞留时间就较短，秸秆还没有充分燃烧时，就有可能进入低温区，从而使气体和固体不完全燃烧热损失增加。因此，为了保证充分的燃烧时间，就需要有足够的燃烧空间。此外，还存在燃烧空间是否充分利用的问题。如果燃烧空间有死角，即使空间再大，燃烧时间仍有可能不够，需要适当地设置挡墙或炉拱，改变气流方向，使之更好地充满燃烧空间，延长停留时间，并加强气流扰动。
2．影响秸秆燃烧速度的因素
（1）温度对燃烧速度的影响
温度是通过对化学反应速度而起作用的。温度越高，反应速度越快。试验表明，温度每增加100℃，化学反应速度可增加1～2倍，两者之间的关系符合以下规律：
k=k0e-
式中：k——表征化学反应速度的常量；
k0——频率因子；
E——化学反应活化能，焦／摩尔；
R——通用气体常数，为8.314千焦／（千摩尔·开）；
T——绝对温度，开。
（2）气流扩散速度对燃烧速度的影响
气流扩散速度由氧氮浓度所决定，遵循如下关系式。
M=Ck（Cgl-Cjt）
式中：M——表征气流扩散速度的量；
Ck——扩散速度常数，主要取决于气流速度，与温度基本无关；
Cgl，Cjt——气流和木炭表面的氧气浓度。
根据温度和气流扩散速度对燃烧影响程度的不同，可将燃烧划分为3种不同的区域。
一是动力燃烧区。当燃烧温度较低时，化学反应速度缓慢，气流扩散速度不起关键作用，燃烧速度主要由温度决定。在这一区域中，提高温度是强化燃烧唯一的方式。
二是扩散燃烧区。当燃烧温度较高时，化学反应迅速，扩散到燃烧表面的O2的浓度接于零，气流的扩散远远低于燃烧反应的需求。因此，燃烧速度取决于扩散速度。通过增加气流扩散速度，可达到强化燃烧的目的。
三是过渡燃烧区。动力燃烧区与扩散燃烧区之间的区域，燃烧速度既与温度有关，又与气流扩散速度有关。提高温度和增加气流扩散速度都可以强化燃烧。
第二章　秸秆切碎／粉碎机
第一节　锤片式粉碎机
一、结构组成与工作过程
锤片式粉碎机主要由喂料斗、转子、锤片、筛片、齿板、吸料管、集料筒、风机、机架等部分组成，转子、锤片、筛片和齿板形成粉碎室，风机、吸料管和集料筒形成粉碎后颗粒的输送和收集，其结构如图2-1所示。
图2-1　锤片式粉碎机结构示意
锤片式粉碎机的工作过程是：工作时，电动机带动粉碎机转子主轴作高速转动，秸秆原料从喂料斗进入粉碎室，受高速旋转锤片的打击、剪切后飞向齿板和筛片，在风机气流的作用下，剪碎形成的小颗粒从筛孔排出，大于筛孔的颗粒再反复受到锤片的击打劈碎，直到从筛孔排出或受到锤片与筛片的摩擦强制从筛孔挤出。从筛孔排出的颗粒通过风机、吸料管送入集料筒完成粉碎物料的收集。
二、粉碎机的类型
按进料方向不同，锤片式粉碎机可以分为切向、轴向和径向进料3类，如图2-2所示。切向进料粉碎机的主要特点是：进料口和粉碎室比较宽，其适应性广，通用性大，容易操作；但结构比较复杂，体积比较庞大，工作时噪声和粉尘比较大；耗能比较多，只能单向转动，可用于生物质秸秆颗粒的粉碎。轴向进料粉碎机的转子高速转动时宛如一台轴流风机，物料沿轴向的吸入性好，其特点是：粉碎室宽度小，结构简单，筛片包角比较大，可达360°，能自动吸料，生产效率比较高，能正、反两个方向转动，常用于生物质秸秆颗粒的粉碎。径向进料粉碎机的特点是粉碎室宽度大，筛片包角一般大于300°，生产效率较高，也可正、反两个方向转动，常用于粒料的粉碎。
图2-2　锤片式粉碎机进料方式
按粉碎室的形状不同，锤片式粉碎机又可以分为圆形、椭圆形、蜗壳形、水滴形和花键形5种，如图2-3所示。圆形、蜗壳
图2-3　锤片式粉碎机粉碎室形状
形和水滴形粉碎室由于锤片末端与筛片之间的间隙有所变化，故对粉碎性能和排粉效率都有一定的改善；花键形粉碎室的粉碎机，由于粉碎室内安装了4块断续齿板，工作中使物料经齿板端部撞击后，被迫改变了运动方向，运动速度有所减慢，从而提高了锤片打击物料的相对速度，也增加了锤片打击物料的机会。此型粉碎室一般用于无筛粉碎机上。
三、主要工作部件
1．锤片
锤片是粉碎机的最主要工作部件，用以打击、劈碎物料。它是粉碎机的易损件，要求具有良好的耐磨性和较高的硬度，一般用高碳钢锻造或铸造、65Mn或10号、20号钢渗碳淬火处理等材料，热处理后硬度HRC50～57，非淬火区硬度最大不超过HRC28。常用的锤片种类如图2-4所示，矩形锤片形状简单，容易制造，通用性好，可调头使用，应用最广。阶梯形和尖角形锤片，尖角多，粉碎效果好，但耐磨性差。堆焊合金的矩形锤片，使用寿命比一般锤片延长2～3倍，但制造成本较高。锯齿环形锤片磨损均匀，不需调头，击碎效果好，但磨损后恢复困难。带刃口的锤片适合粉碎秸秆纤维状物料。采用哪种形状的锤片由粉碎物料而定，锤片长度一般不超过200毫米。
图2-4　锤片的种类
2．筛片
筛片的作用是配合锤片起磨碎作用，使粉碎的物料粒度均匀一致。筛片在转子周边所占的角度称为筛片包角。按安装方式可分为底筛、环筛和侧筛，如图2-5所示。切向、径向进料采用底筛，筛片包角小于360°，为了提高粉碎机的排料能力，尽可能使筛片占整个粉碎室内周面积的3/4以上。轴向进料采用环筛，筛片包角等于360°。大型带气力输送的粉碎机为了排料顺利大都采用侧筛。筛片的材料一般用1～1.5毫米厚的优质碳素结构钢钢板冲孔制成。
图2-5　筛片的类型
筛孔的形状和尺寸是决定粉料粒度的主要因素，对排料能力有很大影响。筛孔的形状一般是圆孔或长孔，直径分4个等级：小孔1～2毫米，中孔3～4毫米，粗孔5～6毫米，大孔8毫米以上。使用时可根据要求的颗粒大小选择筛片的孔径。
3．齿板
齿板的作用是改变物料的运动方向，提高锤片打击物料的相对速度，增强对物料的撞击和摩擦作用，从而增进粉碎效果。齿板可制成“人”字形、直齿形和高齿槽形3种，其截面有许多方形齿或尖角齿，齿高一般为3～6毫米，如图2-6所示，齿板通常安装在进料口的两侧，分光板和齿板，小型颗粒粉碎机上配用光板，大型颗粒粉碎机上安装齿板。
图2-6　齿板的形状
四、选型与使用
1．规格
锤片式粉碎机的规格主要以转子直径D和粉碎室宽度B来表示。锤片转子直径应在GB321-80优先数基本系列R5、R10和R20系列中选取，必要时也可按R40选取。表2-1转子直径是从R20优先数系中选取的，考虑了满足基本要求的前提下便于粉碎机与异步电机直联。粉碎室宽度则是从R40中选取的。
表2-1　锤片式粉碎机系列规格
系列的选取还应考虑到实际生产的需要。目前的系列，通过粉碎室宽度及配套功率的改变，基本上可满足2.5吨／小时、5吨／小时、10吨／小时粉碎规模的需要。当产量更大时，可配备两台粉碎机。
2．生产率
粉碎机作为秸秆成型生产厂的主要设备，其生产率应与成套设备的生产率配套或稍有富余。可采用下式计算：
Q=3.6KrD2Bn/60
式中：Q——生产率，吨／小时；
K——经验系数（K=0.4～0.76，取决于筛片类型和筛孔尺寸）；
r——物料容重，吨／米3；
D——转子直径，米；
B——粉碎室宽度，米；
n——主轴转速，转／分。
3．选择合适排料方式
秸秆粉碎机粉碎后成品通过排料装置输出有3种方式：自重落料、负压吸送和机械输送。小型秸秆粉碎机单机多采用自重下料方式以简化结构。中型秸秆粉碎机大多带有负压吸送装置，其优点是可以吸走成品的水分，降低成品中的湿度以利于贮存，提高粉碎效率10%～15%，降低粉碎室的扬尘度。需要根据日产量以及粉碎需求等多方面加以考虑。
4．合理使用与维护
（1）安装
锤片式粉碎机应安装在地下室或一楼单独的隔声房间里，并打好混凝土基础，大中型粉碎机应安有匹配的减震器，以减少振动和噪声，保证粉碎机工作平稳。
（2）使用
注意粉碎机的负荷。因粉碎机对供料量很敏感，所以要经常注意粉碎机的负荷电流，及时调节喂入量，最好采用调频自动供料量。
（3）及时调头或更换锤片和筛片
锤片磨损后应及时调头或更换，不可过度磨损后才调换，否则由于磨损不均易引起粉碎机转子不平衡而产生较大的振动；筛片也易磨损，也应及时更换。应使有毛刺的一面朝里，光滑的一面朝外，并将筛道贴严，防止漏料。
选择秸秆粉碎机时还要注意加工中的粉尘和噪声，如果选用了噪声和粉尘高的粉碎机应采取消音及防尘措施，以改善工作环境，保证操作人员的身体健康。
第二节　轮刀式切碎机
一、结构组成与工作过程
轮刀式切碎机主要由喂入输送装置、上喂入辊、下喂入辊、定刀片、动刀片、刀盘、传动装置、抛送叶片、机架等部分组成，动刀片固定在刀盘上，组成切碎圆盘，其结构如图2-7所示。
图2-7　轮刀式切碎机结构示意
其工作过程：电动机带动切碎圆盘转动，放在喂入输送装置上的秸秆原料由输送器送入喂入辊，通过上、下喂入辊将秸秆压紧并卷入，由切碎圆盘上的动刀片配合定刀片将秸秆切成碎段，切碎后的物料由抛送叶片抛送到机外或指定地点。
二、主要工作部件
1．喂入辊
喂入辊的形状有很多，常见的有锯齿型、星齿型、沟齿型和圆辊型4种，如图2-8所示。锯齿型和星齿型喂入辊抓取能力强，应用较多，都可以用作上、下喂入辊。但锯齿型喂入辊工作中容易缠草，需配置梳状板，用作下喂入辊时，锯齿齿尖的指向与运动方向相反可减少缠草现象。沟齿型工作中不易缠草，但沟槽易堵塞、打滑，使喂入辊的抓取能力变差。圆辊型结构简单，工作中不缠草，多用作下喂入辊，但抓取能力差。工作时，上、下喂入辊转速相同，旋转方向相反，在摩擦力作用下将物料卷入。
图2-8　喂入辊的形状
2．圆盘式切碎器
动刀片固定在刀盘上，组成切碎圆盘，圆盘式切碎器的结构如图2-9所示。一般在圆盘上安装2～4把动刀片，4～6个风扇叶片，也有采用双翼形刀片，对称安装2把动刀片的。动刀片的刃线有直线形、折刃形、圆弧形、阿基米德螺线型、凹曲线形等几种形式，如图2-10所示。
图2-9　圆盘式切碎器
图2-10　圆盘式切碎器动刀片形状
三、切碎长度和生产率
1．切碎长度
切碎长度是切碎机主要性能指标之一，其大小与喂入辊直径及转速、切碎器动刀片数等因素相关，另外，考虑喂入辊的打滑因素。
切碎长度为：
式中：L——切碎长度，米；
k——动刀片数；
i——切碎器主轴n1与喂入辊转速n之传动比；
D——喂入辊直径，米；
ε——秸秆与喂入辊打滑系数，一般取0.05～0.07。
2．生产率
切碎机生产率的大小取决于上、下喂入辊间喂入口面积、切碎器刀片数和转速、切碎长度和秸秆种类等因素，生产率可按下式计算：
Q=60kabLn1r
式中：Q——生产率，吨／小时；
k——动刀片数；
a、b——喂入口高度和宽度，米；
L——切碎长度，米；
n1——切碎器转速，转／分；
r——秸秆容重，吨／米3。
四、性能特点
轮刀式切碎机特点是动刀片刃口线的运动轨迹是一个垂直于回转轴的圆形平面，切割时省力，配套功率要求小；切碎质量好；适于加工切割成不同几何形状和大小的秸秆生物质原料，如段、条等形状；切碎主要工作部件动刀片应具有足够的强度和刚度，结构简单，便于安装、制造、磨修；工作中刀盘产生的气流量较大，切碎后物料能实现远距离的抛送，省工省时，应用广泛。主要缺点是喂入辊传动复杂，结构不紧凑。
图2-11所示是由浙江大学农业工程与食品科学学院研制的一种轮刀式切碎机，喂入机构能自动调节喂入高度，特别适合于棉秆、桑枝等农作物硬茎秆的切碎。
图2-11　直刃刀硬茎秆切碎机
五、使用与维护
1．使用前的检查和调整
检查调整切割间隙。一般小型切碎机要求间隙为0.2～0.4毫米，相当于刀片刃线轻轻从底刃上划过，又不相碰刮为准。中型切碎机为0.5～1.0毫米，大型切碎机为0.5～2.0毫米，茎秆粗者可用其大值。
根据成型要求调整切碎段长度，更换齿轮啮合齿数，改变喂入辊转速。检查并磨锐刀片，一般要求刃线厚度保持在0.2～0.3毫米。
2．启动和工作
先用手试转，再将离合器切离，开动电动机，空转3～5分钟，待运转正常后，接合离合器，使喂入部分正转，如机器正常，即可投料。喂料要均匀，避免铁杂物质进入机内。如喂入量过多而使切碎器转速降低时，应暂停喂入片刻，使其转为正常。如堵塞严重，应使喂入部分反转，并停机打开清理。
工作结束时，在停机前停止进料片刻，以清出内部秸秆，然后再停机进行清理。
3．维护和保养
动刀片每切割10000千克秸秆，应磨刀一次，可在机器上用磨石或油石进行磨锐。底刃也可磨锐，有的定刀4个棱刃线可替换使用。
第三节　滚刀式切碎机
一、结构组成与工作过程
滚刀式切碎机主要由喂入输送装置、滚筒体、动刀片、齿板、定刀片、传动装置、抛送筒、机座等部分组成，动刀片固定在滚筒体上，组成切碎滚筒，其结构见图2-12。
图2-12　滚刀式切碎机原理
其工作过程：电动机带动切碎机运行，放在喂入输送装置上的秸秆原料通过上、下喂入辊，匀速进入切碎滚筒，在定刀片支撑下，由高速旋转的切碎滚筒上的动刀片切成碎段，切碎后的物料经过齿板向机具后部运动，在气流的作用下沿抛送筒抛送到机外或指定地点。
二、主要工作部件
滚刀式切碎机主要工作部件为喂入辊与切碎滚筒，喂入辊样式与轮刀式切碎机相同，不再赘述。
动刀片固定在滚筒体上，组成切碎滚筒，切碎滚筒的结构如图2-13所示，切碎滚筒上安装有4～6把动刀片，动刀片形状有螺旋形、平板椭圆刃线形、平板直刃线形3种（图2-14）。为使切割时具有滑切作用，刀片倾斜地安装在滚筒上，需要保证动、定刀片刃口之间有一定的夹角。一般采用圆锥滚筒配装直刀片，
图2-13　切碎滚筒
图2-14　切碎滚筒动刀片形状
定刀片安装在圆锥滚筒中心线以下，可保证动、定刀片之间的夹角，切割时产生滑切作用；也可以采用圆柱滚筒配用螺旋动刀片，同样产生滑切效果，使滚筒负荷均匀。
三、性能特点
滚刀式切碎机（图2-15）传动比较简单，结构合理、紧凑；滚筒上可安装较多的滚刀，滚筒在较低的转速下工作时，仍可获得较短的切碎长度；滚筒上的动刀速度一致，切碎质量较好；当切碎滚筒宽度尺寸较大并采用螺旋动刀片时，其制造、磨修都不方便。因此，主要应用在小型切碎机上。
图2-15　滚刀式切碎机外形
第三章　秸秆挤压成型机
第一节　螺杆挤压成型机
一、构造与工作原理
螺杆挤压成型机主要由电动机、传动部件、喂料机构、电加热器、螺杆、成型套筒、切割台和电气控制箱等几部分组成，如图3-1和图3-2所示。
图3-1　螺杆挤压成型机
图3-2　螺杆挤压成型原理
螺杆挤压成型机的原理是利用螺旋输送推进和挤压生物质。工作时，将粉碎的原料经喂料机构连续喂入，经料斗进入螺杆套筒压缩腔内，原料在机体内壁和转动螺杆表面的摩擦作用下，不断向前输送，由于强烈的剪切、混合搅拌和摩擦产生大量热量而使物料温度逐渐升高。在到达压缩区（套筒前端的锥形区）前，物料被部分压缩，密度增加，被消耗的能量用于克服微粒的摩擦。在压缩区，用电热元件加热成型套筒，温度由控制箱自动控制。秸秆中的木质素受热塑化后具有黏性，使物料热压成型。中空的成型棒挤出成型套筒后由切割机构切成设定尺寸的短棒。
二、主要工作部件
1．螺杆
螺杆（图3-3）是挤压成型的关键部件。由于受高温高压的摩擦作用，螺杆极易磨损。在设备加工生产中，一般采用中碳钢、合金钢材料制造，热处理工艺大多采用表面硬化方法，对螺杆成型部位进行处理，如采用局部渗硼处理，采用喷焊钨钴合金或碳化钨焊条堆焊等方法。因螺杆工作时主要是最前端的一个螺距起压缩作用，因而前端磨损严重，可将螺杆拆分成主动螺杆和从动螺杆两部分，磨损主要发生在从动螺杆段，维修时只需更换从动螺杆。
图3-3　螺杆的结构
螺杆的结构尺寸和工作参数直接影响到成型机的工作性能和成型燃料的质量。螺杆主要结构参数包括：螺距s，螺槽深度h，螺旋角α，螺棱宽度e。螺槽深度h是影响成型机产量和成型燃料质量的一个重要因素。螺槽深度h大，推动的物料量多，产量就大，但若h过大，螺槽受机头压力很大，对螺杆制造材料和工艺要求过高。螺旋角一般选择α<20°，因为螺旋角过大，螺杆受到的力越大，螺杆很容易磨损。过小则推动的物料少，产量就小。
2．成型套筒
成型套筒与螺杆配合，形成压缩腔。在套筒内壁的根部设有锥形压缩区段，压缩区段内需要有一定的粗糙度，使物料流经套筒时，在轴向和圆周方向具有足够的摩擦力，以保证物料固体成型。通常压缩区段沿轴向开有沟槽以防止物料跟随螺旋转动（图3-4）。套筒内孔直径比螺杆外径大1～1.5毫米。套筒长度L应保证物料在筒内压缩到设计密度值，它根据压缩腔内力的平衡条件来计算。
图3-4　成型套筒断面结构
成型套筒的材料采用较多的是45号钢、球墨铸铁和各种耐磨合金材料。为延长成型套筒的使用寿命，可采取以下措施：①在成型套筒内壁压缩段进行局部耐磨材料喷涂，提高耐磨性能，延长使用寿命；②加垫圈调节（图3-5），成型套筒与进料套筒连接时，在压紧圈内加若干个A型和B型薄垫圈，待成型套筒压缩段磨损到不能正常工作时，取下一个A型垫圈，增添一个B型垫圈，相当于成型套筒压缩区前移了一个垫圈厚度的距离，继续保持与螺杆的间隙，相应延长了成型套筒的使用时间；③成型套筒磨损最快的锥形筒部分采用拆分方法进行加工，做成的活动耐磨衬套镶嵌在成型套筒压缩段，锥形筒磨损后可单独拆换，套筒中后段作保型筒使用。
图3-5　成型套筒内垫圈调节示意
三、性能特点及典型设备
生产出的成型燃料为具有中心孔的方形、六边形或八边形燃料棒，密度介于1000～1300千克／米3。燃料棒不仅可以直接燃烧利用，还可以进行深加工制成生物质炭（俗称机制木炭），用于烧烤、炊事、取暖以及以木炭为原料的化工行业。此外，成型产品还可以加工成活性炭，用于污水处理等。
螺杆挤压成型机成型工艺要求较高，仅适合于加工稻壳、棉秆等木质类秸秆原料，其原料粒度一般要求为小于10毫米，其中粒度在4～6毫米以上原料的比例不超过10%，否则不易成型，含水率不得超过10%，否则挤压时容易产生“放炮”现象。另外，成型关键部件螺杆和套筒磨损严重，使用寿命短，单位产品能耗高，生产率相对较低，严重制约了成型机的推广和应用。
图3-6所示为浙江大学与嘉兴市新角机械制造有限公司研制的农林生物质高密度制棒机，其主要技术指标如下：
图3-6　农林生物质高密度制棒机
（1）单机生产能力：250～300千克／小时。
（2）内套使用时间：1～2年。
（3）制棒密度：1000～1300千克／米3。
（4）电机功率：18.5千瓦。
（5）加热圈功率：2.2千瓦×2。
（6）加温范围：280～350℃。
（7）制棒尺寸：50毫米×50毫米×500毫米。
（8）原料含水率：8%～10%。
（9）机器外形尺寸：2.0米×0.6米×1.7米。
四、使用和维护
1．正常使用前试运转
（1）成型机使用前仔细检查螺杆、成型套筒的装配状况，保证螺杆旋转灵活自如。
（2）启动机器时，应保证处于空载状态下运行。工作初始，投料宜少，均匀喂入，待工作一段时间后，螺杆工作温度上升，电机负荷平稳地下降，方可适当增加喂入量直至饱和喂料。
（3）由于压缩螺杆和成型套筒在200～340℃高温和80兆帕左右高压下处于干摩擦状态，工作环境很差，往往造成压缩螺杆和成型套筒磨损严重。螺旋前部和成型筒的根部，尤其是螺旋前部磨损极快。因此，试运转工作应保证螺杆与成型套筒良好磨合，以延长部件使用寿命。
2．原料含水率和成型压力的控制
为避免成型过程“放炮”现象发生和成型燃料的开裂，要求控制原料的含水率，一般在8%～12%，这样成品的含水率在7%以下。成型压力的选取应随原料和所要求成型燃料密度而确定，压力一般应在49～127兆帕。
3．主要工作部件的维护
主要工作部件成型螺杆和套筒使用磨损后，应及时修复。应交由专门培训过的机修工对螺杆前端磨损部位进行喷涂铁粉、堆焊等处理，更换成型套筒压缩段的耐磨衬套或调整垫圈。
第二节　压辊式成型机
一、构造与工作原理
1．平模式
平模压辊式成型机是采用水平圆盘压模及与其相配的圆柱形压辊为主要工作部件的成型机，主要由喂料斗、进料机构、压辊、平模盘、切刀、减速与传动机构、电动机及机架等部分组成，参见图3-7。
图3-7　平模压辊式成型机结构示意
其工作原理：经切碎或粉碎后的秸秆原料通过进料机构进入成型机的喂料室，电动机通过减速机构驱动成型机主轴转动，主轴上方的压辊轴也随之低速转动，由于压辊与平模盘之间有0.8～1.5毫米的模辊间隙，通过轴承固定在压辊轴上的压辊先绕主轴公转。被送入喂料室中的秸秆原料，在分料器和刮板的共同作用下被均匀地铺在平模上，进入压辊与平模盘之间的间隙中。在压辊绕主轴公转过程中，秸秆原料对压辊产生反作用力，其水平分力迫使压辊轮绕压辊轴自转，垂直分力使压辊把秸秆原料压进平模孔中，在压辊的不断循环挤压下，已进入平模孔中的原料不断受到上层新进原料层的推压，进入成型段，在多种力的作用下温度升高，密度增大，几种黏结剂将被压紧的原料黏结在一起，然后进入保型段，由于该段的断面比成型段略大，因此被强力压缩产生的内应力得到松弛，温度逐步下降，黏结剂逐步凝固，合乎要求的成型燃料从模孔中被排出，达到一定长度和重量时自行脱离模孔或用切刀切断（图3-8）。
图3-8　平模压辊式成型原理
2．环模式
环模压辊式成型机是采用环形压模和与其相配的圆柱形压辊为主要工作部件的成型机，如图3-9所示的是立式环模压辊式成型机的结构示意，主要由喂料斗、进料机构、压辊、环模、调节器、传动机构、电动机及机架等部分组成。
图3-9　环模压辊式成型机结构示意
其工作原理：秸秆原料从进料机构输送到成型机的喂料斗，经调节器调湿处理后进入预压室，在拨料盘的作用下均匀地散布在环模上。环模由电机带动回转，安装于环模内的压辊（一般2～3只）由压模通过模辊间的物料及其间的摩擦力使压辊自转不公转，由于模、辊的旋转，将模、辊间的物料钳入、挤压，最后成条柱状从模孔中被连续挤出来，再由安装在压模外面的固定切刀切成一定长度的颗粒燃料（图3-10）。
图3-10　环模压辊式成型原理
二、主要工作部件
1．压模
常用的压模结构形式有整体式和套筒式两种。整体式压模是在加工好的压模上钻孔而成（图3-11），孔的截面多为圆形。整体式压模磨损后需要整体更换，因此压模材料一般选用优质合金钢、铬钢（含铬12%～14%）和渗碳不锈钢等耐磨材料。套筒式压模是在整体式压模的基础上进行改进设计的，即在模孔内套装一个套筒，当成型腔磨损后，只换套筒不换母盘，大大延长维修周期，提高压模的使用寿命。国外压模使用寿命达到5000～10000吨；国内厂家采用合金制造，使用寿命较低，仅100～1000吨，较好的达到5000吨左右。
图3-11　整体式压模的结构
压模模孔的形状有直形孔、阶梯孔、外锥孔和内锥孔4种，见图3-12。直形孔和阶梯孔适于粉粒状物料的制粒，但阶梯形不常用，外锥孔适用于脱脂糠等高纤维物料，内锥孔适用于牧草粉类体积大的物料。由于直形圆孔加工简单，用得最为广泛。进料孔口应比模孔径大，以利物料压入模孔内。进料孔口有3种形式：直孔、锥孔和曲线孔。研究表明，以曲线孔口最佳，锥孔口次之，直孔口最差。试验表明，用曲线孔口比直孔口可降低电耗26%，提高生产率11.2%，但曲线孔口加工困难，故常采用锥孔口或直孔口。
图3-12　压模模孔的形状
压模工作面的开孔率大小，对成型机的生产率有很大影响，根据孔径大小不同，开孔率可选取在20%～30%。在考虑压模有足够强度的条件下，尽量提高开孔率，一般按等腰三角形布孔，也有按等边三角形布孔的。
压模的主要结构参数有：压模直径、压模厚度、压模有效宽度、模孔形状、模孔直径、模孔有效深度、模孔间壁厚以及压缩比、粗糙度等。压模模孔的长度与模孔直径的比值习惯上称为压模的压缩比，它是反映燃料挤压强度的一个重要指标。压缩比越大，挤出的燃料密度越大，对于秸秆类生物质压缩比一般为10左右。
2．压辊
压辊用于向压模挤压物料并从模孔挤出成型。由于辊、模线速度基本相等，辊的直径仅为压模内径的0.4，故压辊磨损率比压模高2.5倍。若模、辊同时更换，则压辊硬度应高于压模HRC5～6，所以压辊一般用高碳合金钢或用与压模同样的材料制造。为增强攫取能力，压辊表面采取增加摩擦力和耐磨措施，通常在辊面沿轴向拉丝或开凹坑（图3-13），国外也有在辊面堆焊碳化钨，既增加了摩擦面，又增加了耐磨性。
图3-13　压辊外缘的结构形式
压辊的宽度和直径，除受压模内径限制之外，还要考虑在其内部安装轴承的尺寸，压辊的宽度与其半径的比值可按1.0～1.6来确定。
压模与压辊间隙的调整极为重要。间隙过小，会加剧模辊的机械磨损；间隙过大，易造成物料在模辊间打滑，影响对物料的挤压，使产品质量恶化。模辊间隙一般为0.1～0.4毫米，在环模粒成型机压制一般物料时，间隙为0.1～0.3毫米，压制草粉时，间隙为0.5毫米；对平模成型机一般取0.05～0.3毫米。
三、性能特点及典型设备
压辊式成型机不需要外部加热，可根据原料状况添加少量黏结剂。平模式成型机结构简单，制造容易，成本较低，对原料的含水率要求较宽，一般在10%～40%下均能很好成型，适于压制纤维性物料，但生产率偏低，适宜小规模生产。环模压辊式成型机一般要求原料的含水率在15%～20%，压制出来的颗粒温度可达95～110℃，需要经过冷却才能包装，生产率较高，适宜大规模生产。
图3-14所示为上海申德机械有限公司研发的SDPMB650型颗粒燃料环模成型机，配有调质器、喂料器等，确保原料含水率稳定、喂料均匀，原料容易成型，表面光滑。
图3-14　SDPMB650型颗粒燃料环模成型机
其主要技术指标如下：
（1）原料：玉米秸、麦秸、木屑等多种生物质。
（2）生产率：2.5～3.5吨／时。
（3）主机功率：110千瓦×2。
（4）吨料电耗：≤100千瓦时／吨。
（5）成型率：≥95%。
（6）颗粒密度：>1.0克／厘米3。
四、使用和维护
1．新压模模孔的光洁处理
新压模使用前应检查模孔是否光滑、垂直，模孔入口是否光滑。压模在制造厂热处理后，模孔未进行抛光处理，模孔光洁度不够，有的孔甚至带有加工留下来的螺旋纹或热处理时烧结的杂质。故在使用前要进行光洁处理：①用带有磨料的物料对模孔进行抛光处理；②装上新模，调好模辊间隙，在模的进料面抹一层润滑脂；③用直径小于模孔的钻头清理有杂质堵塞的模孔。
抛光材料配方为10%左右的磨料（水泥粉或细研磨砂）、10%左右润滑油（豆油、机油等）、10%豆饼粉和70%粉碎稻糠。磨料备好后，启动颗粒成型机，从颗粒成型机给料口缓慢投入备好的磨料，经颗粒成型机压出的颗粒收集后投入颗粒成型机，这样反复运转20～40分钟后停机。清理机内抛光物料，再启动颗粒成型机投入含油麸质物料将抛光物料压出。未压出的抛光物料，即为被堵塞模孔。这部分不出料的模孔，用电钻钻出磨料后进行人工抛光处理，也可用含油质物料磨合48～72小时，使颗粒成型机逐渐达到正常工作状态。
正常工作时，在即将停工前压入含油质物料，以便下次能顺利工作。若模孔内物料结硬，可将压模放入加热的食油内浸泡数小时或几天，一般可将孔内物料挤出；如仍挤不出，可用圆冲将孔内物料冲出；再不行则用电钻将孔内阻塞物料钻掉。
2．正常使用前试运转
启动机器应在空载的状态下进行。开始工作时，在粉料通过压模之前投料宜少，待电流表指针表明电流下降后，方可逐渐加大喂入量，然后缓慢地添加蒸汽。加料和蒸汽添加同步进行。颗粒成型机工作一段时间后，压模工作温度上升，电机负荷平稳下降，此时可适当地增加喂入量，直到被压出颗粒温度达到80℃左右时，才可将喂入量调至最大。当压出的颗粒有一定硬度、表面光泽时，颗粒成型机便可投入正常工作。这一过程需5～10分钟，否则会造成孔模堵塞。
正常工作时应满负荷作业以达到最佳生产效率，必须保证连续均匀进料，严格控制进料流量。
停车前，应先关闭供汽开关，减少喂入量继续运转一段时间，等到流出松软的颗粒或粉料即可停车。此时模孔内残存的为干粉料，对下次开车有利。也可如前述在最后压入用植物油拌粉料，使全部模孔均挤出油质粉料时停车。
3．原料水分的控制
原料含水率过低，物料难以成形，很难压出颗粒；物料含水率过高，压辊容易“打滑”，同样压不出颗粒。物料含水量适当，可提高颗粒成型机产量和质量。为了颗粒料安全贮运，要很好地控制其含水率。
4．模辊使用调整和维修
（1）模辊间隙检查
简单检查方法是用手旋转压模，使其表面最凸出点刚好轻微接触到压辊为准。一般用塞规测量，也可用一张薄纸塞进模辊间隙中，以用手轻拉拉不出为准。
（2）及时修复压模
环模内表面磨损，则其模孔进料口斜面将磨掉，将影响颗粒成型机的产量和质量，需及时修复。修复时以切掉其坍塌部分为准，一般为2～3毫米。
（3）合理及时更换模辊
压模磨损变薄时，成型质量降低，甚至压不成颗粒，要及时更换。最好是模辊同时更换。
第三节　秸秆压块机
一、构造与工作原理
1．机械活塞冲压式
机械活塞冲压式成型机主要由喂料斗、柱塞、柱塞套、成型套筒（成型锥筒、保型筒）、夹紧套、电控加热系统、曲轴连杆机构、润滑系统、飞轮、曲轴箱、机座、电动机等组成，见图3-16。
图3-16　机械活塞冲压式成型机结构示意
工作时，先将成型套筒温度预热到140℃以上，电动机驱动飞轮使曲轴转动，曲轴回转带动连杆、活塞使柱塞做往复运动。粉碎后的原料加入喂料斗，通过原料预压机构或靠原料自重以及柱塞下行运动时与柱塞套筒之间产生的真空吸力，将原料吸入柱塞套筒内的预压室中。当柱塞上行运动时就可将原料压入成型腔的锥筒内，在成型锥筒内壁直径逐渐缩小的变化下，秸秆被挤压成棒状从保型筒中挤出成为实心棒状燃料产品。
2．液压活塞冲压式
液压活塞冲压式成型机是在机械活塞冲压式成型机的基础上研究开发的成型设备，主要由上料输送机构、预压机构、成型部件、冷却系统、液压系统、控制系统和加热装置等几大部分组成（图3-17）。
图3-17　液压活塞冲压式成型机结构示意
工作时，先将成型套筒温度预热到160℃，成型机利用液压预压，驱动双出头油缸对物料双向成型。油泵在电机的带动下，将油通过换向阀泵入油缸的一腔，驱动活塞和柱塞把送入料仓的原料利用搅龙装置均匀喂入预压仓内，由侧面预压装置预压后送入成型筒内，物料在机械压力作用下发生塑性变形，秸秆被挤压成棒状或块状，经过保型后挤出，在换向阀的作用下，油泵入油缸的另一腔，活塞、柱塞向另一端成型。整个工艺流程如图3-18所示。
图3-18　液压驱动双向活塞挤压成型工艺流程
二、主要工作部件
1．柱塞
柱塞和活塞通过螺栓联结起来，并随活塞一起做往复运动。其作用是直接用来冲压原料，使其成型。柱塞头又是柱塞的关键部位，在压力作用下直接冲压原料，它与原料主要是端面接触。曲轴或凸轮轴转一周，带动活塞往复运动一次，对原料冲压一次，柱塞相邻两次冲压后，原料结合面之间的结合力取决于柱塞头部端面的形状。为了提高冲压后原料结合面之间的结合力，使成型后的燃料产品呈连续棒状，根据柱塞的直径大小在柱塞头部端面安装一个或多个锥状突起物，即可保证成型后的燃料产品呈连续棒状。
柱塞与原料以端面接触，产生的机械磨损很小，材料选用45号优质碳素钢即可；为保证成型棒连续，柱塞头可以加工成活动部分，以适应不同原料的成型和磨损后的更换。
2．成型套筒
成型套筒包括成型锥筒外套、成型锥筒以及保型筒，如图3-19所示。成型锥筒和保型筒安装在成型锥筒外套里面，保型筒前端径向开有长槽，末端装有夹紧套，通过调节夹紧套上的螺栓来微调保型筒末端内径的大小，因而可满足不同原料对成型压力的要求。
图3-19　柱塞套筒与成型套筒结构示意
在机械活塞冲压式成型机上，由于曲柄或凸轮的转速较高，成型物料与成型套筒孔壁的相对运动速度更快，成型锥筒的磨损速度比液压活塞冲压式成型机上的快一些，成型锥筒的材料可选用40Cr或50Cr合金结构钢，保型筒的材料可选用30Cr加工。
三、性能特点及典型设备
机械活塞冲压式成型机的生产能力较大，由于存在较大的振动负荷，噪声较大，机器运行稳定性较差，润滑油污染也较严重。当原料含水率太高时有可能出现“放炮”现象。机械驱动活塞式成型机典型的机型有河南农业大学的PB-I型，中国农业机械化科学研究院的CYJ-35型，瑞典Bogma公司生产的M75型等。
液压活塞冲压式成型机在工作中运行较平稳，油温便于控制，工作连续性较好，驱动力较大，对原料的含水率要求不高，允许原料含水率高达20%左右。但由于采用了液压系统作为驱动动力，活塞的运动速度较机械驱动时低很多，生产效率较低，加工出的成型燃料棒块直径大，利用范围小。典型的机型有河南农业大学的HPB系列，HOLZMAG公司生产的Elan100型等。
如图3-20所示为HPB-V型液压活塞冲压式成型机，由于主油缸采用了两个双出头油缸串联工作，使液压系统的工作油压基本降低了50%。其主要技术指标如下：
图3-20　HPB-V型液压活塞冲压式成型机结构示意
（1）成型棒直径：105～110毫米。
（2）电机功率：37千瓦。
（3）加热功率：10千瓦。
（4）生产率：400～600千克／时。
（5）成型温度：<200℃。
（6）燃料密度：1000～1300千克／米3。
（7）原料粒度：≤50毫米。
四、使用和维护
（1）成型机使用前仔细检查活塞、成型套筒的装配状况，保证活塞往复运动灵活自如。液压式成型机还要保证管路密封通畅，机械式应保证飞轮转向正确，无卡紧现象。
（2）启动机器时，应保证处于空载状态下运行。工作初始，投料宜少，均匀喂入，待工作一段时间后，电机负荷平稳地下降，方可适当增加喂入量直至饱和喂料。
（3）在工作时，应保证活塞冲压动力平衡，机械式活塞冲压机还应确保冲头与曲柄连杆机构配合良好，以免引起机器振动和噪声过大。
各种固体成型设备综合评价分析见表3-1。
表3-1　各种固体成型设备综合评价分析
第四章　秸秆成型燃料生产线
第一节　生产工艺流程
一、生产流程
1．原料收集
农作物秸秆原料收集储运的特点为：①堆积密度小，要求贮藏空间大；②收获期短，尤其是在一年两熟地区，小麦、玉米收获后需要及时收集秸秆，以便翻耕整地，一般仅有15～20天的时间；③分布广散，由于我国的耕作制度，农作物秸秆分布广且分散，难以收集；④易霉变和引起火灾。
因此，在工厂化加工的条件下要考虑3个问题：一是加工厂的服务半径；二是农户供给加工厂原料的形式，是整体式还是初加工包装式；三是秸秆等原料在田间经风吹、日晒、自然风干的程度。另外，要特别注意原料收集过程中尽可能少夹带泥土，因夹带泥土容易加速压缩成型时模具的磨损。一般来看，农作物秸秆的机械化收割、打捆，可避免这一问题。
目前，我国的秸秆收集储运模式主要有2种，即分散型收贮运模式和集中型收贮运模式：①分散型收贮运模式主要以农户或秸秆经纪人等为主体，与企业达成长期供货协议，把分散的秸秆收集起来，分阶段定期提供给企业。这种模式的优点是减少了企业对原料堆积场地的投资，但原料的供应受制于农户或秸秆经纪人，适用于秸秆资源丰富、竞争性用途少的地区。②集中型秸秆收集模式主要是以专业秸秆收贮运公司或农场为主体，专门负责原料的收集、晾晒、贮存、保管、运输等任务。一般是以乡镇为中心，按照一定储量规模，在一定区域范围内，分散设立一个或若干个秸秆收贮点，形成一个收贮网络系统，并按照能源化企业的要求，对农户或秸秆经纪人交售秸秆的质量把关，然后统一打捆、堆垛，进行存贮，及时、保质、保量地运送秸秆到厂，可保证原料的长期有效供应。
2．原料粉碎
由于农作物秸秆原料尺寸较大，不能直接用于成型加工，一般需经2～3次粉碎作业，并且在粉碎工序中间插入干燥工序，以增加粉碎效果。原料粉碎的粒度大小由成型工艺和设备决定，螺杆挤压成型机和压辊式成型机一般需要将原料粒度控制在10毫米以下，活塞冲压式成型机则可适当放宽，原料粒度小于40毫米。
3．原料干燥
干燥的主要目的是调节原料的含水率，使其稳定均一。在秸秆固化成型过程中，合适的水分一方面能够传递压辊的压力，另一方面能起到润滑剂的作用，辅助粒子互相填充，从而促进原料成型。但是含水率过大时，水分容易在颗粒之间形成隔离层，使得层间无法紧密结合，挤出的颗粒容易膨胀散开，不能成型。对于热压成型，若原料含水率过大，则容易在模具套筒内产生“放炮”现象，挤出的燃料棒或者成型块表面容易开裂。因此，控制合适的原料含水率在加工过程中尤为重要。
农作物秸秆具有如下干燥特性：①秸秆的收获时间比较集中，不能久存，且数量比较大。粉碎后的原料易产生大量的粉尘，为了减少废气中的粉尘含量，干燥所用的热气流流速不能太大。②秸秆挥发分含量较高，易分解，干燥过程中自身温度不能超过150℃，且干品易燃。在正常大气条件下，玉米秸秆的平衡含水率低于10%，可满足一般成型工艺的要求，因此干燥后的最终含水率可略高于所要利用的含水率。
通过自然风干或干燥作业，使原料的含水率调整到成型所要求的范围内。一般来看，螺杆挤压成型机含水率需控制在10%以内；环模压辊式成型机和活塞冲压成型机含水率控制在15%～20%，含水率过低的原料反而不利于成型，需进行调湿处理；平模压辊式成型机含水率高达30%也能成型。
4．压缩成型
秸秆压缩成型是整个工艺流程的关键环节。为了提高生产率，松散的物料需先预压缩，然后推进到成型模中压缩成型。预压多采用螺旋推进器或液压推进器。
对于螺杆和活塞挤压成型机，一般采用电阻丝对模具内压缩成型过程中的物料进行加热。压辊式颗粒燃料成型可以不外加热源加热，因在成型过程中，原料和机器工作部件之间的摩擦作用可以将原料加热到100℃左右，同样可使原料所含的木质素软化，起到黏结作用。
5．成型燃料切断
为了将棒状成型燃料切割成所需要的长度，有2个技术方案。一是设计一个旋转刀片切断机，将运到冷却传送带上的棒状燃料切割成整齐匀称的长度，其切断面是很平整光滑的。如果燃料棒按小捆包装（一捆6～10个）出售，这样的切断方法是必要的。这样包装好的成型燃料通过超市和零售渠道销售在欧洲已经实行多年了。
另一种技术方案是让挤出的棒状燃料触碰到平滑而且倾斜的阻碍物，靠弯曲应力来使其断裂。这种方法切断的燃料，虽然长度是匀称的，但一般在断裂面处是不光滑的。如需要光滑的边缘，一捆大约8～10个的燃料棒可用2个锯刀将2个端面同时切割平整，但会产生废料，这些小块状的燃料可用于锅炉中的燃料。当棒状燃料是用作锅炉燃料时，上述任何一种采用切割机平整燃料断面的方法都是不必要的。
在压辊式颗粒燃料成型机内装有可调节间隙的切刀，可根据用户需求将挤压出的长颗粒燃料按照设计的尺寸切断，便于包装贮运。
6．冷却
从螺杆挤压成型机中挤出的成型燃料表面温度相当高，有的超过200℃。从压辊式颗粒燃料成型机挤出的燃料温度也有大约100℃。它们必须经过冷却然后传送到贮存区域，以提高燃料的耐久性。直接将挤出后高温的成型燃料堆放在成型机边上是很危险的，因为有可能发生自燃现象。
对于螺杆挤压成型机，需要一个长度合适的开放式钢辊轴输送带。输送带的长度应至少有5米，如条件许可，应尽量在成型机与燃料包装和贮存区的间距采用更长的输送带。对于规模化生产的颗粒燃料的冷却，可采用逆流式空气冷却器，使燃料出机温度与周围环境温度一致。
7．计量包装
对成品进行计量打包，便于贮运。
二、典型生产工艺流程
1．颗粒成型工艺流程
颗粒成型工艺流程如图4-1所示，原料→除杂→粗粉碎→干燥→添加辅料→混合→细粉碎→颗粒成型→冷却→筛分→包装。
图4-1　颗粒成型工艺流程
2．棒料成型工艺流程
（1）原料粉碎
根据物料成型粒度要求的不同，采用的粉碎方式也不同。一般木本植物采用锤片粉碎方式，禾本科植物采用铡切方式。颗粒成型一般需要粉碎物料的粒度较小，需要安排粗粉碎和细粉碎二次粉碎工序。但棉秆这样的秸秆，因为混杂的棉絮难以粉碎，容易在模孔板上架空物料，难以制备出小孔径的颗粒，因此适合制备颗粒燃料的模具孔径应在10毫米以上。棒料或压块成型所需要的原料粒度分布较宽，即秸秆细小粒度与粗大粒度掺杂的原料容易成型，秸秆粉碎呈均匀粉末状的物料反而不宜成型。
（2）输送方式
粒度不同影响物料的流动性特性，在原料输送和喂料的方式上也有所不同，采用的输送和喂料设备也相应地改变。因粒度较大的物料容易形成搭桥现象，喂料时需要有强制喂料装置，输送粒度30～50毫米的物料时应用螺旋输送、皮带输送、刮板输送；5毫米以下的物料可以采用气力输送的方式。
（3）干燥方式
制备颗粒的环模压辊式成型机所需原料含水率宜控制在15%～20%，含水率过低的原料反而不利于成型，需进行调湿调质处理。平模压辊式成型机含水率高达30%也能成型。但对于用螺杆式成型机制备高密度的棒料，原料含水率应控制在10%以内，因此，配置烘干机是必不可少的。一般采用回转窑气流输送式干燥设备。当农林生物质废弃物混配（如木屑与稻秆混配）制备棒料或压块时，由于不同生物质物料脱水干燥与气流输送存在较大差异，两种不同原料宜在不同烘干设备中分别干燥之后再进行混配。对于粒度较大的农作物秸秆，采用回转窑气流输送式干燥成本高、难度大，因此可采用烘干木屑然后加配秸秆碎料的方式，这种方式尤其适合活塞式压块成型。
（4）杂质嵌入
颗粒成型工艺中的成型产品直径一般是6毫米、8毫米、10毫米等几种规格，而棒料或压块成型产品外形尺寸一般大于35毫米。不同规格的成型产品吸收杂质嵌入的能力不同。颗粒成型、螺杆式棒料成型相对于压块成型产品，对原料杂质含量及粒度要求更为严格，特别是对于砂石和金属杂质的去除要求，应设置不同除杂系统。
（5）冷却方式
颗粒燃料在压制出模后因温度较高，需要采用风冷方式冷却以提高其力学强度，否则在后续输送包装环节容易破碎，因此，需要安装冷却设备进行冷却。棒料或压块燃料一般体积较大，强度也较大，自然冷却干燥即可。
第二节　生产线配套设备
一、输送设备
1．气流输送装置
（1）吸送式
吸送式气流输送装置由吸嘴、输料管、分离器、关风器、风机等组成，如图4-3（a）所示。风机工作时，从整个系统中抽气，使输料管内的空气压低于大气压，在压力差的作用下，气流和物料形成的混合物经吸嘴被吸入输料管，经输料管送至分离器中，物气分离。物料由底部的关风器卸出，而空气流（含有微尘）通过风机（或再经过除尘器净化）排向大气中。
吸送式气流输送装置处于负压状态（真空度不能超过0.5～0.6帕）工作，不易外逸物料和灰尘，供料装置简单方便，但对分离器、除尘器的密封性要求高。适宜于物料从几处向一处集中输料，也可用于存放在深处、低处物料的输送，由于真空度不能过高，否则会因空气稀薄而降低携带物料的能力，因此输送距离（可达30～50米）和输送量均受到限制。
（2）压送式
压送式气流输送装置是在正压（高于1个大气压）状态下工作的。风机把具有一定压力的空气压入输料管中，由供料器向输料管供料，空气携带物料沿着输料管运至分离器将物料卸出，空气经除尘器净化后排入大气中，如图4-3（b）所示。
压送式适合于大流量长距离（可达30～1000米）输送，可同时将物料输送到几处卸料点，可方便地发现漏气的位置，但容易造成粉尘外扬，由于管内压力较高（2～7帕），使进料较困难，因此需配用结构较复杂的供料装置方能将物料加入输料管中。
（3）混合式
混合式气流输送装置由吸送式和压送式两部分组成，兼具两者的特点，可以数点吸取物料和压送至较远处多点卸料，输送距离及输送适应范围较广，如图4-3（c）所示。但其结构复杂，一般多制成移动式机组，用于既要集料又要分配的场合。
气流输送装置的特点有：结构简单，设备费用较低，工艺布置灵活，易于实现自动化，输送生产率高，输送距离较长，最长可达2～3千米。另外，可在输送的同时进行干燥、加热、冷却、分选、粉碎、混合和除尘等工艺过程，整个系统具有密封性，能有效地控制粉尘飞扬，避免粉尘爆炸。但与机械输送设备相比，动力消耗较大，一般要高出几倍，不宜输送湿度较大及黏性大的物料，风机产生的噪声较大。
2．螺旋输送机
螺旋输送机又称“搅龙”，是利用随轴旋转的螺旋叶片的推动作用来输送物料的，其构造如图4-4所示。它由驱动装置、螺旋轴、螺旋叶片、机壳、端轴承、中间轴承和端板等部件组成。螺旋输送机端轴承用以支承螺旋轴，不仅承受螺旋轴本身的径向载荷，而且还承受因输送物料而产生的轴向载荷，中间轴承间隔一般为2.5～3.5米，可防止因螺旋轴过长而产生弯曲。机壳是螺旋输送机的输送槽，由槽身、端板、上盖板、进料口及出料口组成。
图4-4　水平螺旋输送机示意
螺旋输送机的工作原理是：螺旋叶片在槽内旋转，使加入料槽的物料由于自身重力及其对料槽摩擦力的作用，沿着料槽向前移动，完成水平、倾斜和垂直的输送任务。对高倾角和垂直螺旋输送，采用垂直螺旋输送机，物料靠离心力和对槽壁所产生的摩擦力而向上运移，完成垂直输送任务。为产生足够的离心力，必须具有较高的螺旋转速。
螺旋输送机主要用于短距离的水平输送、倾斜输送及垂直输送，水平输送距离一般不超过30米。螺旋输送机对物料的适应性较强，结构简单紧凑，机动性好，可以在机体任何一处装卸物料，有搅拌混合物料的作用，密封性良好，灰尘较少。缺点是叶片和机壳较易磨损，动力消耗较大，对物料有破碎作用，不宜输送含纤维多、表面过分粗糙、颗粒大及磨损性强的物料。对过载反应敏感，进料要求均匀。
3．胶带输送机
胶带输送机的构造组成部分除输送胶带外，主要部件是张紧筒、主动滚筒、托辊、加料和卸料机构等，如图4-5所示。胶带输送机按其使用特点可分为固定式和移动式两大类。移动式主要用来完成物料装卸工作；固定式主要用来完成固定输送线的物料输送任务，需根据具体条件和输送要求进行专门设计和选配。
图4-5　胶带输送机示意
根据被输送的物料性质和胶带输送机的工作条件，可选用轻型、普通型、强力型、花纹型等多种型号。对于秸秆等生物质成型燃料，由于原料和成品的容重一般小于1吨／米3，因此可采用轻型橡胶带；在倾斜输送时，也可采用花纹型的橡胶带。其宽度一般为300毫米、400毫米、500毫米、650毫米、800毫米和1000毫米等。与其配套的滚筒宽度应比橡胶带的宽度大100～120毫米。橡胶带层数一般以3～5层为宜，传动效率为0.94～0.98。
4．刮板输送机
刮板输送机的主要部件由张紧装置、隔板、驱动装置、直形刮板和链条组成（图4-6）。工作时，刮板输送设备利用装于牵引构件（链条或橡胶带）的刮板沿着固定的料槽拖带物料前进并在开口处卸出。由于在输送物料时牵引构件和刮板总是沉埋在物料底部，被刮运的物料只同刮板和链条接触一部分，而很大一部分是被刮运的物料带动着输送的，因此刮板输送设备又常被称作“埋刮板输送机”。
图4-6　刮板输送机示意
刮板输送机适用于高速和长距离输送颗粒均匀的块状、粒状和粉状的物料。除水平输送外，还可以进行倾斜输送，其倾角不超过35°。刮板输送机的型号有MS、MC、MZ之分。MS型适用于水平输送（成型燃料工厂常用），输送距离不大于80米；MC型适用于倾斜或垂直输送，其输送高度不大于30米；MZ型适用于垂直—水平输送，输送高度不大于20米，水平段总长不大于30米。
5．斗式提升机
斗式提升机是用于垂直提升松散的粉粒状或块状物料的直立式输送设备。其主要特点是：提升高度大，提升物料稳定，占地面积小，有良好的密闭性。提升高度可据需要而定，通常为7～10米。
斗式提升机由牵引带、张紧装置、传动轮、机壳、装料口、卸料口等主要部件组成，如图4-7所示。其工作原理为：工作时，料斗由下方舀取物料，垂直上升，当料斗运至顶部反转时将物料倾倒出来。由于运送时要将物料盛在斗内，然后靠离心力和重力使物料倾倒，因此对于混杂物多的或湿度大的物料，因不能倾倒干净而不宜使用。
图4-7　斗式提升机示意
二、除杂设备
在秸秆收获和贮运过程中，易混入石块、泥土、绳头、金属等杂物，如不加以清除，会影响成型燃料的品质和损坏机械设备。石块、泥土、绳头等杂物常用各类初清筛筛选除杂，金属类杂质采用永磁滚筒和永磁筒等磁选除杂。
图4-8所示为圆筒初清筛，它由冲孔圆形筛筒、给料器、导向螺旋、清理筛、传动装置和吸风部分组成。原料由进料口经过料管进入筛筒中部，整个筛筒分前后两段，靠近轴端的半段多用20毫米×20毫米方形筛孔，可使粒料较快地过筛。而靠近出杂口的半段常用13毫米×13毫米的较小方形筛孔，以防止较大杂质穿过这段筛孔混入原料中去，而且在该段筛筒上装有导向螺旋片，以便将杂质排向出杂口。为避免筛孔堵塞，在顶部装有吸风口，及时吸走灰尘。
图4-8　圆筒初清筛示意
图4-9所示为永磁滚筒，它由进料口、喂料闸门、滚筒、磁铁组等组成，工作时，固定安装的磁铁组将铁质吸在滚筒表面上，滚筒作顺时针方向回转，当转向左半部时失去磁力，铁质杂物卸落排出。永磁滚筒构造简单，磁铁与物料不直接接触，使用寿命长，不需人工经常清理，磁选效率高。
图4-9　永磁滚筒示意
三、干燥设备
1．回转圆筒式干燥机
如图4-10所示，回转圆筒干燥机由热风发生炉、干燥筒、进料装置、出料装置和回转驱动机构等组成。原料从进料口进入干燥筒，干燥筒在驱动机构作用下做低速回转运动。干燥筒向出口方向下倾2°～10°，并在筒内安装有搅动物料的抄板。物料在随干燥筒回转时被抄起后落下，由热风发生炉产生的热风对物料进行加热干燥，同时由于干燥筒的倾斜及回转作用，原料被移送到出料口然后排出机外。
图4-10　回转圆筒式干燥机示意
回转圆筒干燥机按干燥筒内物料与气流的流动方向可分为逆流操作和顺流操作。根据被干燥物料的特性和最终要求的含水率，选择物料的流向和设备的组装。逆流操作时，物料和加热气流相向流动，干燥器内传热与传质推动力比较均匀，适用于不允许快速干燥的热敏性物料，逆流操作被干燥物料的含水率较低。顺流操作适用于原料含水率较高、允许干燥速度快、在干燥过程中不分解、能耐高温的非热敏性物料。对于压缩成型的植物材料，一般采用顺流操作。
回转圆筒干燥机具有生产能力大，运行可靠，操作容易，适应性强，流体阻力小，动力消耗小等一系列优点。其缺点是设备复杂，体积庞大，一次性投资多，占地面积大。
2．立式气流干燥机
如图4-11所示，立式气流干燥机由热风发生炉、进料装置、干燥输送管道、离心分离器及风机等组成。由热风发生炉产生的热风在抽风机的作用下，被吸入干燥管道内。同时，被干燥的原料也由加料口加入与热风汇合，在干燥管内，热风和原料充分混合并向前运动。在热风的作用下原料很快被加热，原料的水分散发，最后完成干燥。干燥以后的原料被吸入离心分离器分离，湿空气被风机抽出排放，原料经出料口排出。
图4-11　立式气流干燥机示意
气流干燥机由于原料在气流中的分散性好，干燥的有效面积大，干燥强度大，生产能力大，所以干燥时间可以大大减少。在干燥过程中，采用顺流操作，入口处气温高，但原料的湿度大，能充分利用气体的热能，所以热效率高。另外，气流干燥还具有设备简单、占地面积小、一次性投资少等优点，并且可以同时完成输送作业，能够简化工艺流程，便于实现自动作业。
3．流化床干燥装置
流化床干燥装置又名沸腾床干燥器。流体与固体颗粒充分混合，表面更新机会多，大大强化了两相间的传热与传质，因而床层内温度比较均匀。同时，具有很高的热容量系数，设备简单，便于制造，维修方便，且易于放大。在同一设备内，既可连续生产，又可进行间歇操作。
流化床干燥装置的使用条件：对于被干燥的原料，在颗粒度上有一定的限制，力度太小易被气流夹带，粒度太大不易流化。含水量高且易黏结成团的原料，一般不适用。床层内的原料纵向反混激烈，因原料在设备内停留的时间不均匀，会使产品干湿不均匀而被排出。
4．厢式干燥器
厢式干燥器指外形像箱子一类的干燥器，外部是绝热层，内部结构则种类繁多。有内部带支架、上放浅盘，可适用于少量原料干燥的厢式干燥器；有把支架改为小车，可适用于生产能力较大的厢式干燥器；有适用于批量大、干燥时间长的干燥器；有把外壳做成狭长的洞道，洞道内铺设导轨，用一系列的小车承载原料的洞道式干燥器；有内部用连续的链式翻板或链网组成的输送机传送原料的带式干燥器；热风垂直穿过原料的称为穿流气流厢式干燥器。厢式干燥器不适合不允许采用高温干燥和易生产粉尘的原料。
5．板式高效射流烘干机
板式高效射流烘干机综合了气流干燥器、流化床干燥器与穿流气流厢式干燥器的干燥原理，其内部温度场、速度场更加均匀（图4-12）。工作时，刮板拖动粉碎后的原料沿射流板一端向另一端移动，原料不仅直接受到射流板面的传导加热，而且还受到来自上层射流板通过小孔下射的高温射流强迫对流传热及辐射传热，同时带走干燥机内的湿分，这样的过程由上至下连续4次，致使原料在高温传导、对流、辐射作用下完成传热与传质过程，最终达到干燥的目的。
图4-12　板式高效射流烘干机工作原理
四、料仓
为满足成型燃料生产线连续稳定工作，需要对预处理过的秸秆原料进行缓存，通常在成型加工前段配制缓存料仓。
料仓结构包括仓体和料斗。仓体可分圆形、矩形和多边形，料斗与卸料口形状及位置的合理确定，对防止结拱，促进料流排空十分重要。为了获得畅通的整体流动，避免结拱，有各种形式的料斗可供选择，如图4-13所示。另外，为防止料仓发生结拱、抽心，常在料斗壁外安装振动防拱装置。
图4-13　料斗的形式
五、混合设备
由于秸秆经粉碎、输送等处理后，原料颗粒大小不等，有的工艺流程里还需要添加其他原料如木屑、煤粉或抗结渣剂等，原料需要进行混配，以保证原料组分均匀。
常用的混合机有卧式环带式混合机、犁刀式混合机、双轴桨叶式混合机等，卧式环带式混合机如图4-14所示，主要由机体、螺旋轴、传动部分和控制部分组成，其特点为内外螺旋分别为左、右螺旋，使物料在混合机内按逆流原理进行充分混合。
图4-14　卧式环带式混合机示意
六、冷却设备
逆流冷却器主要由旋转闭风喂料器、出风顶盖、菱锥形散料器、冷却箱体、上下料位器、减速刹车电机、偏心传动滑阀式排料机构、固定框调整装置、集料斗、机架及吸风系统等组成。采用逆流式冷却原理，物料从上向下移动，而气流由冷却箱体底部进入，从顶部出风口排出后通过风机排出。冷却后的颗粒温度不高于室温3～5℃。
其工作原理（图4-15）：从制粒机中出来的高温高湿度颗粒料，通过旋转闭风喂料器，经菱锥形散料器均匀地堆放在冷却箱体中，冷风从冷却箱体下面滑阀式排料机构底部与集料斗上部空隙中全方位进入冷却器，并垂直穿过料层与湿热颗粒进行热交换，后经吸风系统吸出，从而使颗粒料得以冷却。滑阀式排料机构安装在箱体底部，由减速刹车电机通过偏心机构使活动框做往复运动，改变活动框与固定框之间的相对位置，使颗粒料排出箱体，最后由集料斗集中排出机外。
图4-15　逆流冷却器冷却原理示意
七、除烟尘设备
1．旋风除尘器
旋风除尘器（图4-16）是常用的结构简单、本身无运动部件的除尘设备，它利用离心力将高速混合气流中粉粒与空气分离，捕集或分离5～10毫米的粉尘效率较高，但处理1毫米以下粉尘的除尘效率低。通常在除尘效率要求高的除尘系统中用作第一级除尘设备。
图4-16　旋风除尘器除尘原理示意
工作时，如图3-24所示，含尘气流以10～25米／秒的流速进入分离筒，气流将由直接运动变为圆周旋转运动，旋转气流将绕着假想圆筒呈螺旋向下，含尘气流在旋转过程中产生离心力，粉尘在离心力的作用下，被甩向筒壁，粉粒便失去惯性力，由于重力作用将沿筒壁面下落到锥体底部，经叶轮排出。
2．除烟装置
秸秆在成型设备中成型时，螺杆挤压的成型燃料棒的表面部分裂解了，从而具有疏水特性以提高其耐久性。但加热过程中也会释放烟气，也会产生刺激性气味。为了让工人拥有适宜的工作环境，一个烟气收集罩被放置在燃料出口附近和部分冷却输送机上，使这些烟雾通过排气管并通过湿壁旋风分离器排到大气中。这些气体的量很小，但由于温度较高，其体积仍然很大。可通过水循环系统吸收掉烟雾中的有害物质（图4-17）。
图4-17　热压成型烟雾排除系统示意
八、其他设备
成型燃料成型后需要散装或包装后再入库，颗粒燃料包装设备主要由机械自动定量秤、夹袋机构、缝袋装置和输送装置组成。
第三节　成型燃料标准
（1）生物质固体成型燃料技术条件（NY/T 1878-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料的术语和定义、分类、规格、性能指标、检验规则等，适用于以生物质为主要原料生产的生物质固体成型燃料。定义了成型燃料产品按形状分为颗粒状、块状和棒状，按使用原料分为木质类、草本类和其他类。按成型燃料的类别对其几何外形尺寸、密度、含水率、灰分、热值、破碎率等性能指标作出了基本要求，对成型燃料中硫、钾、氯、添加剂含量等辅助性指标也作了规定（表4-1）。
表4-1　成型燃料基本性能要求
表4-1　成型燃料基本性能要求（续）-1
（2）生物质固体成型燃料采样方法（NY/T 1879-2010）
该标准规定了从生产线、运输车辆和堆料场等场所采取生物质固体成型燃料样品所需的工具、原则和方法等。描述了合并样品和实验样品的制备方法，样品的标识、包装和贮存规范等。
（3）生物质固体成型燃料样品制备方法（NY/T 1880-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料合并样品的缩分方法，以及将实验室样品制备为分样和一般分析样品的方法等，适用于生物质固体成型燃料的密度、堆积密度、机械强度、工业分析、灰熔融特性、发热量、元素分析等试验时的样品制备。描述了合并样品破碎、混合和缩分的仪器方法和程序。
（4）生物质固体成型燃料试验方法第1部分：通则（NY/T 1881.1-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料试验的一般规定和要求，适用于生物质固体成型燃料试验。可根据需要，选择以下试验项目测定生物质固体成型燃料：全水分、工业分析（一般分析样品水分、挥发分、灰分和固定碳）、元素分析（碳、氢、氧、氮、硫）、发热量、规格、堆积密度、密度、机械耐久性。
（5）生物质固体成型燃料试验方法第2部分：全水分（NY/T 1881.2-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料全水分的试验方法：在空气中，将生物质固体成型燃料样品置于105℃的温度下干燥至质量恒定，然后根据样品质量损失并修正浮力作用计算出全水分。
（6）生物质固体成型燃料试验方法第3部分：一般分析样品水分（NY/T 1881.3-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料一般分析样品水分的试验方法：一般分析样品在105℃的温度下干燥，根据测试样品损失的质量计算水分百分比。
（7）生物质固体成型燃料试验方法第4部分：挥发分（NY/T 1881.4-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料挥发分的测定方法：一般分析样品的试验子样在（900±10）℃隔绝空气的环境中加热7分钟。扣除水分质量损失后，试验子样质量损失占样品质量的百分数来计算挥发分。
（8）生物质固体成型燃料试验方法第5部分：灰分（NY/T 1881.5-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料灰分的测定方法：在严格控制时间、样品质量、设备规格，温度在（550±10）℃等条件下，通过计算样品在空气中加热后剩余物的质量占样品总质量的百分比来测定灰分。
（9）生物质固体成型燃料试验方法第6部分：堆积密度（NY/T 1881.6-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料堆积密度的测定方法：将试验样品装入已知尺寸和形状的标准容器并称量。根据单位标准体积的净质量来计算堆积密度，并根据测定的全水分报告堆积密度。
（10）生物质固体成型燃料试验方法第7部分：密度（NY/T 1881.7-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料密度的测定方法：称取一定量的生物质固体成型燃料样品，表面用蜡涂封后（防止水渗入样品的孔隙），通过测定样品在空气中重量与在随后液体中测定重量的差值来测定浮力，再计算出蜡颗粒样品的体积，减去蜡的体积后，计算出生物质固体成型燃料的密度。
（11）生物质固体成型燃料试验方法第8部分：机械耐久性（NY/T 1881.8-2010）
该标准规定了生物质固体成型燃料机械耐久性的测定要求和方法：在可控的振动下，通过在试验样品之间、样品与测试器内壁之间发生碰撞，然后将已磨损和细小的颗粒分离出来，根据剩余的样品质量计算机械耐久性。
（12）生物质固体成型燃料成型设备技术条件（NY/T 1882-2010）
该标准规定了生物质固体成型设备的分类、要求、检验规则等，适用于以生物质为原料生产成型燃料的成型设备。定义了成型设备按成型原理分为环模式、平模式、液压冲压式、机械冲压式和螺旋挤压式，按成型燃料的形状分为棒状、块状和颗粒状，描述了成型设备要求（表4-2），规定了设备运行环境的噪音和粉尘浓度要求。
表4-2　成型设备要求
（13）生物质固体成型燃料成型设备试验方法（NY/T 1883-2010）
该标准规定了生物质固体燃料成型设备性能试验的方法，适用于以生物质为原料生产固体成型燃料的成型设备。描述了试验条件与要求、试验步骤，测定设备的成型率、生产率、吨燃料成型能耗，样机工作时的噪声和粉尘浓度，以及成型燃料的规格。
成型燃料加工成为成品后需按标准进行质量检测，检测指标包括规格、全水分、工业分析（一般分析样品水分、挥发分、灰分和固定碳）、元素分析（碳、氢、氧、氮、硫）、发热量、堆积密度、密度、机械耐久性等。成型燃料厂应建设专门的检测实验室，能够实现每批次产品的检测。
第五章　秸秆成型燃料的应用
第一节　秸秆成型燃料的特性
一、物理特性
1．形状和密度
不同形状的成型燃料与加工工艺和设备有关，成型燃料可分为棒状燃料、块状燃料（或饼状燃料）和颗粒燃料。棒状燃料或颗粒燃料，通常用直径和最大长度值反映外形和燃料规格级别。常见不同形状的成型燃料如图5-1所示。
图5-1　常见不同形状的成型燃料
密度是成型燃料的一个重要参数，单位千克／米3或者克／厘米3、吨／米3。成型燃料在出模后，由于弹性变形和应力松弛，其压缩密度逐渐减小，一定时间后密度趋于稳定，此时成型燃料的密度又称为松弛密度。密度越大，能量／体积比就越高。因此，从运输、贮存和携带的角度来看，人们则青睐高密度产品。
按照成型后的密度大小，成型燃料可分为高、中、低3种密度。一般，密度在1100千克／米3以上的为高密度成型燃料，更适于进一步加工成炭化制品；密度在700千克／米3以下的为低密度成型燃料；密度介于700～1100千克／米3的为中密度成型燃料。
成型燃料的密度通常被认为是衡量燃料力学性能的一个参数，密度大则燃料的力学性能高。成型燃料的密度与秸秆的种类及压缩成型的工艺条件有密切关系，不同秸秆品种由于含水率不同、化学成分不同，在相同压缩条件下所达到的密度值存在明显的差异。
2．耐久性
（1）抗变形性
成型燃料的抗变形性，亦称抗压强度（抗碾性或硬度），指成型燃料在破裂之前所能承受的最大断裂载荷，主要反映成型燃料在承受外界压力作用条件下抗破裂的能力，决定了成型燃料的使用及堆放要求。由于在贮藏过程中，上层燃料的重力对底层燃料产生压力，因此必须考虑成型燃料的抗压强度。这一性能的测试通过万能材料试验机上的压缩试验实现。将成型燃料样品置于万能材料试验机的平台上，测定样品在连续加载受压下，变形破裂的最大压力，该压力能反映成型燃料的抗变形性。
（2）抗冲击性
由于成型燃料搬运时从货车倒出或装箱过程中从输送道滑入箱体的途中会遇到冲击力，抗冲击（跌摔）试验就是建立在这种假设上。翻滚试验（Tumbler test）和跌落试验（Drop test）分别用来检验成型燃料的抗跌碎性和抗滚碎性，并用失重率反映成型块的抗碎性能。美国、瑞典等国分别形成了各自的试验技术标准和评估标准，专门用于生物质成型燃料的耐久性评估。其中翻滚试验被美国农业与生物工程师学会（ASABE）认可，作为用来评价颗粒燃料耐久性的一种标准方法，其评价指标为颗粒燃料耐用指数（PDI）。这两种方法的试验装置如图5-2所示。
图5-2　抗冲击性试验装置原理
（3）抗渗水性和抗吸湿性
在运输和贮藏过程中成型燃料难免暴露在雨水中或高湿度的环境中，对成型燃料会造成不利影响，因此对成型燃料的抗渗水性有一定的要求。成型燃料在吸收水分后会发生体积膨胀，抗渗水性、抗吸湿性分别反映成型燃料的渗水能力和吸收空气中水分的能力，决定了成型燃料贮藏的实际环境条件。
在抗渗水性能评价中，在试验方法和量化方式上略有不同，一种是计算成型块一定时间内在水中的吸水率，另一种是记录成型燃料在水中完全剥落分解的时间。对于抗吸湿性，一般都采用成型块在环境湿度和温度条件下的平衡含水量作为评价指标。
二、燃烧特性
1．化学特性
化学特性包括热值、含水率、灰分、灰分熔点以及Cl、N、S、K和重金属含量。秸秆成型燃料特性及其影响见表5-1。
表5-1　秸秆成型燃料特性及其影响
针对生物质成型燃料，部分欧洲国家和美国制定了有关的质量标准，规定了成型燃料的热值、堆积密度、灰分含量、S、Cl、N等元素的含量等技术参数。欧洲标准化委员会也制定生物质燃料质量标准。欧洲木质颗粒燃料综合标准见表5-2。
表5-2　欧洲木质颗粒燃料标准
2．燃烧过程及特征
由于秸秆成型燃料是经过高压而形成的燃料，密度远大于松散秸秆，其结构与组织特征就决定了挥发分的逸出速度与传热速度都大大降低。虽然点火温度有所升高，点火性能变差，但比型煤的点火性能要好。秸秆灰分的软化温度低，碱金属含量高，燃烧过程中易结渣。
秸秆成型燃料的燃烧过程近似于煤的燃烧过程，可分为干燥、挥发分析出及着火燃烧、焦炭着火燃烧等过程（图5-3）。燃烧开始时挥发分缓慢分解，燃烧速度适中，能够使挥发分放出的热量及时传递给受热面，使排烟热损失降低。同时挥发分燃烧
图5-3　秸秆成型燃料燃烧的5个阶段
所需的氧与外界扩散的氧很好地匹配，挥发分逸出后剩余的炭结构也紧密，运动气流不能将其解体，炭的燃烧可充分利用，减少了大量的气体不完全燃烧损失与排烟热损失。挥发分燃烧后，剩余的焦炭骨架结构紧密，像型煤焦炭骨架一样，运动的气流不能使骨架解体悬浮，使骨架炭能保持层状燃烧，能够形成层状燃烧核心。这时炭的燃烧所需要的氧与静态渗透扩散的氧相当，燃烧稳定持续，从而减少了固体与排烟热损失。
第二节　秸秆颗粒燃料燃烧器
一、构造与工作原理
颗粒燃料燃烧器结构如图5-4所示，主要由落料管、高效双层燃烧筒装置、清灰破渣装置、点火装置、自动控制装置、电动机、风机等部分组成，其中高效双层燃烧筒装置由燃烧内筒和外筒组成，清灰破渣装置由燃料推进螺旋、燃烧搅动螺旋和灰渣排出螺旋组成。
图5-4　颗粒燃料燃烧器结构示意
工作时，秸秆颗粒从落料管进入到高效双层燃烧筒装置，在燃料推进螺旋的作用下，快速、平稳地推进到燃烧室，即燃烧内筒中间位置。在颗粒燃料燃烧过程中，燃烧搅动螺旋能够将燃烧的燃料搅动，有效防止燃料结渣。高效双层燃烧筒装置通过风机实现三级配风：一次空气和自动点火所需的热空气由燃烧内筒后端直接进入，二次空气通过双层套筒夹层预热后由燃烧内筒壁上的小孔进入，燃烧室顶端设有配风孔，作为三次风，以确保颗粒燃料完全燃烧。螺旋清灰破渣装置安装在燃烧内筒中，通过电动机带动，转速可调，在颗粒燃料燃烧过程中，颗粒燃料通过螺旋装置向前输送，同时燃烧后的灰分、灰渣由灰渣排出螺旋推出。
二、燃烧器分类
1．上进料式
目前，上进料式燃烧器在世界各国中使用最为广泛，如瑞典、意大利等国，此类燃烧器通常用于锅炉或炉具中。绝大多数上进料式颗粒燃烧设备壁上会设有落料通道，颗粒燃料由此落入燃烧室进行燃烧；一次空气和自动点火所需的热空气由燃烧室底部进入，二次空气由燃烧室壁上的小孔进入。常采用鼓风机提供助燃空气并促进炉具与周围空气的热交换。为简化清灰过程，炉排常设计为手动或自动移动，以便灰分随炉排移动掉落到集灰装置中。
2．底部进料式
底部进料式燃烧器最初设计用于木片的燃烧设备，后来逐渐发展用于颗粒燃料。颗粒燃料在进料装置的作用下，由燃烧器底下的管道中进入燃烧床进行燃烧。一次空气由进料装置或燃烧床上的小孔进入，二次空气由燃烧床上方的气孔进入。此类燃烧器不需要单独的集灰装置，燃烧后的灰分被新进燃烧的颗粒挤落，逐步掉入下方的集灰装置或灰分传送系统中。
3．水平进料式
水平进料式燃烧器的原理与底部进料式基本相同，唯一的区别在于燃烧床的形式不同，水平进料式常需要额外的集灰装置。
三、主要工作部件
1．双层燃烧筒装置
针对秸秆颗粒燃料挥发分高的特性，燃烧器的燃烧筒采用多级配风原理，设计了双层燃烧筒结构，如图5-6所示，由燃烧内筒和燃烧外筒组成。燃烧外筒套在内筒上，有3～5毫米间隙，但在燃烧外筒最外端有倒角，与内筒紧密连接，也保证配风从燃烧内筒的进风口进入，同时也能预热二次风。其中在燃烧内筒后端、底端和圆筒周围开有不同的进风孔。
图5-6　燃烧器双层燃烧筒
在燃烧内筒的后端开有一排进风孔，截面形状是5毫米×10毫米的方孔，能够提供自动点火时所需要的热空气，同时也提供一次进风，与挥发分发生反应。在燃烧内筒底端开有6列进风孔，间隔为25毫米，其中每列5个进风口，间隔为20毫米，二次空气通过双层套筒夹层预热后由这些小孔进入，与燃料中析出的挥发分、未燃尽的固定炭等发生燃烧反应。在燃烧筒前端设有配风孔，呈圆周排列，作为三次风与挥发分充分混合在燃烧筒外燃烧，从而提高燃烧效率。
2．清灰破渣装置
为解决秸秆颗粒燃料燃烧后灰分多、易结渣等问题，在燃烧室内安装了螺旋清灰破渣装置，如图5-7所示，由燃料推进螺旋、燃烧搅动螺旋和灰渣排出螺旋3部分组成。另外，燃烧搅动螺旋上安装破渣齿，破渣齿上有锋利的锯齿，既防止螺旋上结渣，又防止燃烧内筒上结渣。
图5-7　燃烧器螺旋清灰破渣装置
螺旋清灰破渣装置安装在燃烧内筒中，在整个输送长度的任一对应点都产生相同的轴向推力和离心力，其形式类似于弹簧螺旋输送机。螺旋清灰破渣装置的转速对物料的输送、燃烧、灰渣的排出有较大的影响，速度过大，导致燃烧不充分，过小将导致灰渣堆积在燃烧筒内，影响燃烧性能。
3．点火装置
点火装置主要由点火棒或点火丝等机构组成，它是燃烧器的一个关键部件，直接决定燃烧器能否启动。点火时由于颗粒成型燃料处于一种不完全燃烧状态，会排放出大量污染物，主要包含CO、CH、SO等有害气体，所以点火过程中的污染物放排量是衡量一台颗粒燃烧器综合性能的一项重要指标。
4．控制装置
控制装置一般是由单片机或PLC控制器、火焰探测器等传感器和控制程序组成，它是整个秸秆颗粒燃烧器的大脑。通过采集传感器的实时信号来获知燃烧器的运行情况，根据设定的热输出来精确地控制燃料的进给，通过调整进风量来控制燃烧过程。控制系统的好坏直接决定燃烧器工作效果的优劣。
四、典型应用系统
典型的秸秆颗粒燃烧器系统一般由点火系统、配风系统、燃烧室、清灰排渣系统和自动控制系统等几部分组成，此外，还需配备料仓、进料系统和锅炉才可正常运行，如图5-8所示。
图5-8　秸秆颗粒燃烧器系统
第三节　秸秆压块燃料锅炉
一、双层炉排锅炉
1．结构
双层炉排锅炉由上炉门、中炉门、下炉门、上炉排、辐射受热面、下炉排、风室、炉膛、燃烬室、对流受热面、炉墙、排气管、烟道、烟囱等部分组成，其结构如图5-9所示。
图5-9　双层炉排锅炉结构示意
采用双层炉排结构，即在手烧炉排一定高度另加一道水冷却的钢管式炉排。双层炉排的上炉门常开，作为投燃料与供应空气之用；中炉门用于调整下炉排上燃料的燃烧和清除灰渣，仅在点火及清渣时打开；下炉门用于排灰及供给少量空气，正常运行时微开，开度视下炉排上的燃烧情况而定。上炉排以上的空间相当于风室，上下炉排之间的空间为炉膛，其后墙上设有烟气出口，烟气出口不宜过高，以免烟气短路，影响可燃气体的燃烧和火焰充满炉膛，但也不宜过低，以保证下炉排有必要的灰渣层厚度（100～200毫米）。
2．工作原理
秸秆压块燃料经上炉门加在上炉排，点火后，引风机由此吸入空气与燃料混合开始下吸式燃烧，此时属于低温热解区（低于500℃），同时热解产生大量可燃挥发气体。上炉排漏下的秸秆屑和灰渣到下炉排上继续燃烧和燃烬，上炉排上燃烧后形成的烟气和部分可燃气体透过燃料层、灰渣层进入上、下炉排间的炉膛，遇二次空气进行高温燃烧。燃烧产生的烟气经两炉排间的出烟口流向燃烬室和后面的对流受热面，剩余可燃气在燃烬室再次燃烧。
3．性能特点
双层炉排锅炉采用了分段供风、分室燃烧的结构，实现了秸秆压块燃料的分步燃烧，缓解秸秆燃烧速度，达到燃烧需氧与供氧的匹配，使秸秆成型燃料稳定持续完全燃烧，起到了消烟除尘作用。而且采用双层炉排结构，低温裂解与高温燃烧分开进行，炉排进行低温裂解避免炉排结渣，可燃气在后部燃烧室高温燃烧提高效率；可燃物折返多流程燃烧，可保证较大灰粒以及提早沉降，减轻换热面沉积与腐蚀的程度。
技术参数：燃烧效率高达98.4%，热效率达81.4%，锅炉排烟中CO、NO、SO2、烟尘浓度等环保指标远远低于燃煤锅炉，符合国家工业锅炉大气污染物排放标准要求。
二、双胆反烧锅炉
1．结构
双胆反烧锅炉由环型外胆、环型内胆、上炉门、中炉门、下炉门、观火口、上炉排、下炉排、风室、二次风管、炉膛、辐射受热面、对流受热面、排气管、烟道、烟囱等部分组成，其结构如图5-10所示。
图5-10　双胆反烧锅炉
双胆反烧锅炉的上炉门常开，作为投燃料与供应空气之用，中炉门用于调整下炉排上燃料的燃烧和清除灰渣，下炉门用于排灰，观火口除用于观火外还用于上炉排的清渣，正常运行时中炉门、下炉门、观火口关闭。上炉排以上的空间相当于风室，上炉排下设双排二次风口，使未燃尽的气体在此进一步燃烧。上、下炉排之间的空间为炉膛，环型外胆和环型内胆之间构成烟道，烟气通过烟管进入烟囱。
2．工作原理
秸秆成型燃料经上炉门被送入上炉排上燃烧，一次空气通过上炉门吸入，上炉排漏下的秸秆屑和灰渣到下炉排上继续燃烧和燃烬。秸秆成型燃料燃烧时产生的未完全燃烧的一氧化碳及挥发分穿过炉排，进炉膛内与二次风混合后进行二次燃烧，燃烧后的烟气与下炉排上燃料产生的烟气一起，经环型外胆和环型内胆之间构成烟道进入烟囱。
3．性能特点
采用双胆反烧结构，冷空气和秸秆成型燃料不直接进入燃烧室，使燃料从炉壁到刚投入炉内的新料层温度逐渐降低形成温度梯度，使挥发分的析出速度相对平稳，解决秸秆成型块燃烧的不稳定现象；灰渣在料层的压力和自身的重力作用下自动下落，基本上解决秸秆成型燃料结渣对燃烧产生的不利影响；采用烟道加宽，使烟气流速降低，同时改变烟气流向迫使烟尘下落，有效解决了烟气中飘尘问题。
双胆反烧锅炉燃烧效率高达91%～99%，而且烟气中的烟尘含量、氮氧化物及二氧化硫含量远低于国家锅炉的污染物排放标准要求。
第四节　秸秆成型燃料的抗结渣性能
一、结渣机理
大多数秸秆灰中碱金属氧化物（K2O，Na2O）的含量远高于煤灰中碱金属氧化物含量的平均值，这是造成秸秆灰熔点比煤灰熔点低且易结渣的主要原因。秸秆成型燃料的灰渣组成主要有SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO、TiO2、SO3、K2O、Na2O、P2O5等，其中钾、硫和氯元素在秸秆燃烧过程对形成结渣起到关键作用。不同种类的秸秆和不同种植生长环境的秸秆，秸秆灰的结渣特性也不相同，表5-3列出了几种秸秆灰的组分、碱性指数和发热量。
表5-3　几种秸秆灰分的特性
表5-3　几种秸秆灰分的特性（续）-1
钾元素是影响秸秆成型燃料结渣的主要元素。在秸秆燃料中钾元素以有机物的形式存在，在燃烧过程中汽化和分解，形成氧化物、氯化物和硫酸盐，这些化合物都表现为低熔点。当钾和其化合物凝结在灰粒上时，灰粒表面就会富含钾，这样就会使灰粒更具有黏性和低熔点。
硫元素在燃烧过程中，从燃料颗粒中挥发出来，与气相的碱金属元素发生化学反应，生成碱金属类的硫化物，这些化合物将会凝结在灰粒或炉排上。在沉积物表面，含碱金属元素的凝结物还会继续与气相含硫物质发生反应生成稳定的硫酸盐，多数硫酸盐呈熔融状态，会增加沉积层表面的黏性，加剧结渣的程度。
氯元素在结渣中也起着重要的作用。首先，在秸秆燃烧时氯元素起着传输作用，有助于碱金属元素从燃料内部迁移到表面与其他物质发生化学反应。其次，氯元素有助于碱金属元素的汽化，氯元素能与碱金属硅酸盐反应生成气态碱金属氯化物，这些氯化物蒸气是稳定的可挥发物质，与那些非氯化物的碱金属蒸气相比，它们更趋向于沉积在燃烧设备的下游。同时，氯元素还有助于增加许多无机化合物的流动性，特别是含钾元素的化合物。
碱金属无论作为氧化物、氢氧化物、有机金属化合物都将与二氧化硅结合生成低熔点的共晶体。二氧化硅和碱金属氧化物是秸秆灰的主要组成成分。二氧化硅的熔点为1700℃，当32%的氧化钾和68%的二氧化硅混合时，混合物的熔点仅为769℃。该比例非常接近含有25%～35%碱金属氧化物的生物质灰的成分。
很显然，秸秆成型燃料燃烧过程结渣主要受碱金属和氯、硫元素的影响，碱金属和氯、硫元素的含量越高，越易于形成低熔点的共晶体，越易发生聚团结渣，影响正常燃烧。
二、结渣过程与影响因素
1．结渣过程
秸秆成型燃料在锅炉中燃烧形成结渣的过程包括3个阶段：
（1）燃料燃烧过程中，随着炉温的升高，局部达到了灰的软化温度，这时灰粒就会软化，灰中的钠、钙、钾以及少量硫酸盐就会形成一个黏性表面。
（2）随着炉膛内温度的进一步升高，氧化层和还原层内温度超过了灰的软化温度，特别是在还原层内，燃料中的Fe3+被还原成Fe2+，致使燃料的灰熔点降低，灰粒在还原层大都软化并相互吸附，形成一个个大的流态共熔体。
（3）大的共熔体下落过程中碰到水冷壁就会很快冷却，形成固体，而黏附在炉排或水冷壁上形成结渣。
2．影响因素
秸秆成型燃料燃烧过程中，燃料层燃烧的温度高于灰的软化温度t2是造成结渣的重要原因。在低于灰的变形温度t1时，灰粒一般不会结渣，但燃烧温度高于t1甚至达到软化温度t2时，灰粒熔融的灰渣形成共熔体便黏在炉排或水冷壁上造成结渣。当然，如果锅炉设计的风速不合理，造成炉内火焰向一边偏斜，引起局部温度过高，使部分燃料层的温度升高达到灰熔点，冷却不及时也会造成结渣。另外，燃烧设备超负荷运行，或者炉膛层燃炉内的燃料直径、燃料层厚度较大等都会使层燃中心的局部温度过高，使燃料层的温度达到燃料的灰熔点，同样会造成结渣。
三、结渣性能判别
1．碱性指数AI
碱性指数是根据燃料的单位发热量中的碱金属氧化物（K2O+Na2O）质量含量（千克／吉焦）的高低来判别生物质的结渣特性，碱性指数的计算式为：
式中，Qar，gr——燃料干燥基高位发热量，兆焦／克；
Aad——燃料中灰分含量，%；
K2O，Na2O——为燃料灰中K2O，Na2O成分质量百分数，%。
当碱性指数小于0.17时，秸秆灰发生结渣的可能性极小；当碱性指数为0.17～0.34时，秸秆灰发生结渣的可能性增加；当碱性指数大于0.34时，秸秆灰易结渣。该方法对多种秸秆成型燃料的判别结果与结渣试验结果吻合较好。
2．碱酸比（B/A）
式中，B——灰中碱性成分含量；
A——灰中酸性成分含量；
Fe2O3、SiO2等——分别为干燥基各种灰组分的质量百分数。
碱酸比中分子为碱性氧化物，分母为酸性氧化物。在高温下，灰中的这两种氧化物会互相影响、相互作用形成低熔点的共熔盐。这些共熔盐通常具有较为固定的组合形式。因此，当灰中酸性成分与碱性成分比值过高时，燃料的灰熔点增高。
当碱酸比小于0.2时，有低结渣倾向；当碱酸比为0.2～0.4时，有中等结渣倾向；当碱酸比大于0.4时，有严重结渣倾向。
四、抗结渣方法
1．原料预处理
研究表明，如果将收割后的秸秆放置在农田内，其含有的大部分钾元素就会被雨水冲洗掉。由于碱金属被脱除，使用经过雨水冲洗的秸秆，结渣问题会大大减轻。试验表明，使用60～70℃的水对秸秆进行洗滤，可脱除秸秆中95%的钾和氯元素。另外，在秸秆的收集运输过程中，应避免混入泥沙，防止K和Na等元素的化合物与SiO2发生反应，从而生成低熔点的共晶体。
2．添加剂
秸秆灰熔点低的主要因素是灰的成分中含有大量碱金属氧化物造成的，为了减少结渣，通过混合一些易于与碱金属氧化物反应并把碱金属固定下来的添加剂，可以起到减少和避免结渣的作用。
试验证明，添加剂可以使灰熔融现象基本消除，常用的添加剂有石英砂（SiO2）、氢氧化铝［Al（OH）3］、氧化铝（A12O3）、磷酸氢钙（CaHPO4·2H2O）、石膏（CaSO4·2H2O）、膨润土（A12O3·4SiO2·H2O）、高岭土［A12Si2O5（OH）4］和方解石（CaCO3）、生石灰（CaO）、粉煤灰等。CaSO4可以将钾以K2SO4的形式固定于灰渣中，CaO、CaCO3能够促进系统中熔融态钾的转化析出，使底灰中钾的含量相对减少，底灰变得比较松软而不发生聚团。以上几种添加剂中，用得较多的添加剂是在秸秆燃烧过程中定量添加CaO，这项技术在丹麦等欧洲国家的秸秆锅炉中已经得到普遍应用。
3．合适的燃料颗粒密度
樊峰鸣等研究发现，成型燃料颗粒密度小于1.05克／厘米3时，燃料燃烧结渣率小于1.2%；成型燃料颗粒密度大于1.05克／厘米3时，燃料燃烧持续时间长，造成炉膛中心温度过高，提高了燃料的结渣率。
4．控制燃烧温度和改进锅炉结构
通过供风与燃料量的配合调节，利用自动控制系统，让燃料维持稳定的温度燃烧，保证不超过灰熔点温度，便不会形成结渣。目前秸秆锅炉通常采用水冷或空冷炉排的结构，结合自动控制系统来降低炉排的温度，实现秸秆成型燃料在低于灰熔点温度下燃烧，控制结渣的生成。另外，利用机械外力破除灰渣聚团，或对锅炉内部结构进行精心设计，避免携带低熔点颗粒的热气体与换热面接触等，也是抗结渣的有效措施之一。