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摘 要： 论述了以木质为原料制取颗粒成型燃料的工艺过程和内压滚动式成型机的结构以及成型条件。研究开发的成型机以木屑为原料生产能力达250
kg/h，当颗粒成型燃料作为家庭取暖炉用时，具有较好的经济效益和明显的社会效益。
中图分类号：S 789 文献标识码：A 文章编号：0253-2417(1999)03-0025-06
STUDY
ON TECHNOLOGY OF PELLETIZATION OF FUEL
FROM FOREST RESIDUES
JIANG Jian-chun1，
LIU Shi-cai1， DAI
Wei-di1， TAO Yuan-bo1，LIU Han-cao,
XU jian-hua2， PANG Jia-liang2，
SHEN Wei2， JIANG
Wei-zhong2
(1.Research Institute of Chemical Processing and Utilization of Forest
Products, CAF,
Nanjing 210042, China；2.Jiangsu Zhengchang
Group, Liyang, Jiangsu 213300， China)
Abstract:
The paper discussed the technological process of pelletization of woody
fuel, along with moulding condition and structure of moulding machine.
The production capacity of moulding machine with sawdust as raw material
arrives to 250 kg/h.Used as house heating-fuel, the pelleted fuels can
make good economical benefits and obvious social benefits.
木质压缩成型燃料，是以木屑、树皮等林业剩余物为原料，在高压(49～196 MPa)、加热条件下，压缩成棒状、颗粒状且质地坚实的成型物，可作为工业锅炉、民用炉灶和工厂、家庭取暖炉以及农业暖房的燃料，也可进一步加工成木炭或活性炭。在作为工业锅炉燃料时，可直接用链条炉等炉型，而不必进行锅炉改造等。由于成型燃料除具有比重大(通常＞1.0)、便于贮存和运输、着火易、燃烧性能好、热效率高的优点外，还具有灰分小，燃烧时几乎不产生SO2，不会造成环境污染等优点，在世界上堪称为一种理想燃料，有着广阔的市场前景。
国外木质压缩成型燃料的开发工作始于40年代，1948年日本申报了利用木屑为原料生产棒状成型燃料的第一个专利，50年代初生产了商品化棒状成型机，60年代成立了木质成型燃料行业协会。70年代初，美国研究开发了内压滚筒式颗粒成型机，并在国内形成大量生产，年生产颗粒成型燃料能力达80万t以上，1985年生产成型燃料达200万t以上
；日本1982年棒状成型燃料生产能力达20万t，1985年平均每户消耗成型燃料达750 kg，1988年仅家用成型燃料就达25万t。瑞士、瑞典、西欧等发达国家也先后开发研究了压缩成型燃料。
我国木质压缩成型燃料开发研究工作起步较晚，1990年中国林科院林产化学工业研究所与东海粮食机械厂合作，完成了国家“七五”攻关项目――木质棒状成型机的开发研究工作，并建立了1000
t/a棒状成型燃料生产线，随后，全套机械出口马来西亚、埃塞俄比亚、印度尼西亚等国。同年，东南大学和江苏省科技情报所也开发研究了棒状成型机。至于木质颗粒成型燃料生产技术，在本研究之前，尚未见报道。
生产成型燃料是有效地利用木质废料(木块、木粉、刨花、木屑等)，以提高燃料品位和燃烧热效率、减少对化石能源的使用。颗粒成型燃料与棒状成型燃料相比，具有生产时原料含水率可扩大(至24
%)，燃烧的适应面更广(可直接用于大型锅炉)等特点。
1 成型机基本结构和模孔尺寸
成型机是生产颗粒成型燃料的关键设备。美国、日本生产颗粒成型燃料的主要设备是内压滚筒式成型机，成型原理示意图如图1。该设备主要由环模、压辊、进料刮板、切刀等组成。操作时，主轴传动环模(1)带动压辊(2)旋转，原料经进料刮板(3)被卷入环模和压辊之间，两者相对旋转对原料逐渐挤压，并挤入环模孔，在模孔(5)中成型，并不断向孔外挤出，再由切刀(4)按所需长度切断成型颗粒。
图1 成型原理示意图
Fig.1 Illustrated moulding
principle
(1)环模annulus
mould;(2)压辊nip
roll;(3)进料刮板feed
scraper;(4)切刀cutter；(5)模孔mould hole
江苏省溧阳市正昌集团公司，是全国最大、最早生产饲料颗粒成型机的公司，林化所与该公司合作后，对基本型的饲料颗粒成型机的机体及传动等主要部件的强度、速度等计算后，采用了KYW32型饲料颗粒成型机基本结构作为本研究成型机的基本结构。图2为KYW32型成型机的基本结构。它是由进料、搅拌、成型、传动系统等组成。操作时，是将原料从料斗(4)进入进料器(5)，由无级调速电机(3)调速，定量的原料进入搅拌器(7)与从蒸汽进口(6)进入蒸汽混合后，由下料槽(2)进入成型机的成型室(1)压制成成型颗粒。该生产过程所需功率，主电机(9)为37
kW，进料器的调速机(3)为0.55 kW，搅拌器的电机(8)为2.2 kW。
图2 KYW32型成型机基本结构
Fig.2 Basic structure
of KYW32 moulding machine
(1)成型室moulding
chamber;(2)下料槽laying-off
gutter;(3)调速电机speed
adjustable motor;(4)料斗hopper;(5)进料器feeder;(6)蒸汽进口steam inlet;(7)搅拌器agitator;(8)电机motor;(9)主电机main motor;(10)主传动箱main transmission case
由于颗粒成型饲料和颗粒成型燃料所用原料不同，所以成型条件也不一样。从设备结构看，其重要条件是环模的模孔结构和尺寸，成型燃料模孔结构示意图如图3。模孔具有不同的进口，中央直径和出口，入口直径D和中央直径d的平方比，主要决定成型压力。入口角度α和L/D，因不同木质原料而不同
。根据不同原料成型工艺要求，采用了4 种模孔结构和尺寸，入口角度α=30°和60°，中央直径d=? 6 mm，长度L=40 mm和45 mm进行了试验，最后确定了能满意生产颗粒成型燃料时的模孔结构和尺寸如下：
α=60°，d=? 6 mm，d′=? 6.5 mm，L=40 mm
模孔开孔率(环模内径? 320 mm，宽度90 mm上，开孔10排，每排108孔)33%。
图3 模孔结构示意图
Fig.3 The structure
of moulding hole
2 成型工艺条件试验
木屑等木质原料在成型过程中，成型机结构、环模孔结构以及成型工艺是相关的，在确定了成型机结构和环模孔结构后，成型工艺成了技术关键，对不同原料、不同成型工艺试验表明：成型压力、温度、原料粒度和含水率是影响成型燃料生产的主要因素。
成型工艺试验流程如图4。
图4 成型工艺试验流程
Fig.4 The technological
process of moulding experiment
(1)水槽flume;(2)多级离心泵multi-stage centrifugal
pump;(3)电蒸汽发生器electric steam-generator;(4)减压阀reducing valve;(5)进料器feeder;(6)蒸汽入口steam inlet;(7)搅拌器agitator;(8)成型室moulding chamber;(9)疏水器steam trap;(10)缓冲器bumper
水槽(1)的水，经多级离心泵(2)，泵入操作压力296～395 kPa电蒸汽发生器(3)内，由发生器(3)产生的蒸汽经减压阀(4)进入搅拌器(7)的蒸汽入口(6)，与进料器(5)进入的原料混合进行调质，提高原料温度和调整含水率，使原料温度和含水率在进入成型机成型室(8)时，符合工艺要求。少量冷凝水经缓冲器(10)和疏水器(9)排出。按图4流程进行了成型工艺条件的试验。代表性工艺试验数据如表1。
表1 代表性工艺条件试验表
Table 1 Main technological condition of experiments
试验号
number |
原料种类
variety of raw
material |
增湿后原料含水率*(%)
moisture content of raw
material after steaming |
在搅拌器中加入蒸汽量(kg/h)
steam quantity added
in agitator |
进入成型室时原料温度(℃)
temperature of raw material
entering moulding chamber |
| 1 |
木屑sawdust |
16 |
10 |
60 |
| 2 |
木屑sawdust |
18～22 |
18～22 |
70～85 |
| 3 |
木屑+2
%废机油
sawdust+2 % waste oil |
18 |
18 |
75 |
| 4 |
木屑sawdust |
|
|
25 |
| 5 |
木屑sawdust |
13～14 |
6 |
40 |
| 6 |
刨光粉wood
powder |
18～22 |
18～22 |
70～85 |
| 7 |
刨光粉+5
%碱木质素wood powder+5 % alkali lignin |
18～22 |
18～22 |
70～85 |
| 8 |
刨光粉+3
%木屑wood powder+30 % sawdust |
18～22 |
18～22 |
70～85 |
试验号
number |
成型颗粒情况pellet |
生产能力(kg/h)
production capacity |
主电机运行功率(kW)
power of main motor |
| 强度strength |
表面surface |
长度length(mm) |
| 1 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
200 |
26.3
|
| 2 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
250 |
29.6 |
| 3 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
250 |
26.63 |
| 4 |
|
不成型
not pelleted |
|
200 |
＞37
|
| 5 |
|
不成型
not pelleted |
|
200 |
19.7 |
| 6 |
较大better |
较好better |
～4 |
200 |
26.3
|
| 7 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
200 |
26.3 |
| 8 |
大good |
光滑smooth |
10～15 |
200 |
26.3 |
*：①原料粒度：除刨光粉为150目以外，其余均＜2 mm；
0②增湿前：即原料原始含水率，一般为气干，含水率11 %～12 %，颗粒强度大，指符合产品质量指标一级或特级(另见颗粒成型燃料企业标准)。
增湿后：即原料在搅拌器中与进入蒸汽混和增湿后的含水率，此为进入成型机成型室时的原料含水率。
2.1 成型压力和温度
由木质素、半纤维素、纤维素组成的木屑等木质原料，由于木质素在加热下可塑化，具有粘结性，可将木质原料中的半纤维素、纤维素在压力下压缩粘结成成型燃料。不同种类的原料，由于其木质素、半纤维素、纤维素含量不同、原料形态不同，成型所需的压力和温度也不相同。试验表明，压力过低将不能使原料压紧压实，严重时，不足以克服环模孔的摩擦力，成型将无法进行；温度过低，不足以使木质素塑化，即使有足够压力，也不能将原料成型。当进料速度过低时，原料在压辊和环模间摩擦时间长，产生热量过大，在环模孔中，因摩擦产生过高温度，会造成成型燃料表面严重热分解，出现裂缝，降低了强度，甚至于不成型。为了成型时达到合适的所需温度，必须在搅拌器中通入蒸汽(当生产能力为200
kg/h左右时通入10～22 kg/h蒸汽)，使常温原料(气干，含水率11 %～12 %)升温到60～80 ℃，加上原料在压辊和环模间及环模孔中摩擦产生热量，从测定刚生产的颗粒成型燃料的温度，估计成型温度在100
℃左右，成型压力为49～98 MPa。
2.2 原料粒度和含水率
试验表明，一般要求粒度＜2 mm方可成型，木屑原料可直接成型，粒度＞2 mm稻壳等原料，必须粉碎。不同种类原料，成型难易也有差别，对松木屑和杉木屑试验后发现，松木屑含有非粘结性的易挥发成分较多，成型较困难；而杉木屑由于木质素含量较多，粘结性好，因此成型容易，刨光粉的粒度在150目左右，因其粒度太细，表面不象木屑那样粗糙，虽可成型，但强度低于木屑。从表1试验号6、7、8看出，在刨光粉中掺入30
%左右木屑或掺入5 %左右碱木质素，则可改善成型条件，成型良好。
原料含水率对成型过程和产品质量影响很大。试验表明，对木屑和刨光粉原料，成型时原料含水率控制在16 %～22 %，所以气干的木屑和刨光粉原料，应用蒸汽调质，不仅为了提高原料的温度，同时使原料含水率从11
%～12 %增湿至16 %～22 %。当增湿后的原料含水率＞26 %时，成型条件变坏，颗粒有爆开现象，强度大为下降。当原料含水率为气干或在14
%以下，未用蒸汽调质，直接进入成型机成型室时，由于温度太低和含水率不合适，会造成成型压力大幅度上升，主电机超载，防护成型机安全的安全销断裂，见表1试验号4。另外从表1试验号2、3还可看出，在木质原料中，掺入2
%废机油，可减少成型机的运行功率。
总之对木屑和刨光粉原料，只要控制适宜的工艺条件，采用KYW32型饲料颗粒成型机的基本结构和确定的环模结构，可连续稳定生产符合质量要求(另见颗粒成型燃料企业标准)的颗粒成型燃料，生产能力达到200～250
kg/h。
2.3 成型燃料发热量的测定
按GB 5186-85生物质燃烧发热量测定方法，对木屑、刨光粉为原料的成型燃料进行了发热量测定，发热量分别为20.72和20.16
MJ/kg；用马福炉进行灰分测定，含量分别为1.0 %和1.5 %。
2.4 成型燃料的吸湿
一般木质成型燃料贮存时会吸收空气中水分，产品含水率增加，表面开裂和膨松，产品质量呈下降趋势，本颗粒成型燃料，当暴露于空气贮存半个月左右，有表面开裂和膨松现象。为保证产品质量，产品出厂时应用密封的塑料袋包装。
3 成型机使用寿命
所谓使用寿命，主要指环模使用寿命。环模孔在运行过程中，由于受到高压原料的摩擦，容易损坏，需定时进行更换，对KWY32型成型机，从生产运行功率看，采用木屑、刨光粉原料成型时，其运行电流仅比饲料成型时大5
A左右，相当功率3.3 kW，占运行功率10 %左右，所以木屑、刨光粉成型时成型压力仅稍比饲料偏高一点，通常饲料成型时，按现有的环模材料及热处理方法，环模能运行2000
h以上，这样预计木屑、刨光粉原料成型时，环模约在2000 h需进行更换。
4 经济效益
4.1 锅炉燃料
按一台颗粒成型机建一条生产线，生产能力为250 kg/h，二班制操作，每年生产300天进行核算，年生产颗粒成型燃料能力1200
t；颗粒成型燃料售价280元/t，创年产值33.6万元；生产成本约32.9万元，收支平衡，略有余。
4.2 取暖炉燃料
美国平亚公司在我国已投资建设国际上流行的冬天用的取暖炉生产线(1999年生产500台)，这种炉由于售价便宜(2000～3000元/台)、操作费用低(100
m2房，一冬天需0.5 t颗粒成型燃料，操作费用大大低于空调器取暖费)，预计有较好市场前景。该公司愿意按450元/t成型燃料收购。
综上所述，当成型燃料售价为280元/t，一条成型机生产能力为250 kg/h的生产线收支大体相当，现以450元/t出售，则每吨利润为170元，全年利润20万元。
5 社会效益
成型燃料生产技术是将木屑等低品位的原料，经高压加热制成高品位的燃料，以提高能源利用率，使能源得到充分利用。
每吨成型燃料、刨花木屑和煤能源利用试验情况如表2。表2中列出了以0.5 t锅炉用能时，实际测定的热效率，使用成型燃料的热效率比煤高11
%，比刨花木屑高10.7 %。
表2 每吨成型燃料、刨花木屑、煤能源利用分析
Table 2 Analysis on energy utilization of pelleted
fuel, sawdust and coal (t)
名称
name |
热效率(%)
heat efficiency |
有效能
利用(MJ)
effective energy |
每吨成型燃料扣除生产电耗(120 kW.h)后，提高能量值(MJ)
increased energy of one ton pelleted fuel excluding electricity consumption
(120 kW.h) |
相当所需燃料量(kg)
corresponding to the
fuel quantity needed |
| 成型燃料pelleted fuel |
41.4 |
20.7×41.4 %
×1000=8570 |
|
|
刨花木屑
shavings sawdust |
30.7 |
20.1×30.7 %
×1000=6171 |
8570-6171-432=1967 |
98.1 |
| 煤coal |
30.4 |
21.5×30.4 %
×1000=6536 |
8570-6536-432=1602 |
74.3 |
注：生产每吨成型燃料耗电120 kW.h。
从表2看出，当使用刨花木屑直接燃烧时，产生相当于每吨成型燃料(在扣除生产每吨成型燃料能量后)的有效能量，则要多消耗98 kg刨花木屑，多了近10
%，这是由于使用成型燃料时改变了燃烧性能，提高了热效率之缘故。即是说，为得到刨花木屑同样的有效能量，使用成型燃料，可节省近10 %的燃料。这就意味着，如在我国广大农村或林区逐步推广使用成型燃料，将可减少生物质能源消耗，对改善我国生态平衡起到了积极作用。
此外，成型燃料与煤相比，燃烧时不仅提高了热效率，而且不产生SO2，不污染环境，称其为“清洁燃料”，在使用于大型锅炉或小型锅炉燃料时，均不需要对锅炉改造，可直接使用。也可作气化炉的原料，因而成型燃料的开发，可推动生物质能源的开发，为生物质能源的工业化和商业化开拓了道路，为农林加工工业的能源自给开辟了广阔前景。
作者简介：蒋剑春(1955-)，男，江苏溧阳人，研究员，博士生
作者单位：蒋剑春 刘石彩 戴伟娣 陶渊博 刘汉超 中国林业科学研究院林产化学工业研究所，江苏
南京 210042；
徐建华 潘嘉亮 沈卫 姜伟忠 江苏正昌集团公司，江苏 溧阳 213300
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