生物质燃料破碎机的开发

2018-10-19谢鸿微李金亮王显锋李浩浩龚从宏涂海珠张鲁刚

能源研究与信息 2018年3期

谢鸿微，江林，曾鑫，李金亮，韩旭，王显锋，李浩浩，龚从宏，涂海珠，张鲁刚

（1. 格薪源生物质燃料有限公司，武汉 430223；2. 山东鲁钢机械有限公司，邹平 256200）

为应对全球气候变化，越来越多的国家将发展生物质能作为替代化石能源、保障能源安全的重要战略措施。生物质发电技术成熟，生物质消耗量大。截至2016年底，我国农林生物质发电累计并网装机容量约646.3万kW，每年消耗农林生物质约0.6亿t。绝大多数农林废弃生物质物料需要经过破碎处理后方可进入下一工序。由于生物质燃料形态、质地、堆积密度和纯净度各异，造成其破碎效率低、磨损快和危险性高等问题；同时受我国国情限制，生物质电厂基本上都不能依靠单一燃料满足电厂满负荷运行需求，需燃烧各种农林废弃物，那么配套的破碎机必须能够破碎多种生物质，而国内尚无这种破碎能力大且能够破碎多种生物质的破碎机［1］。因此，开发一种用于农林废弃物等生物质物料破碎加工的设备，从而有效降低破碎设备购置成本和生物质破碎作业综合成本，具有重要的现实意义。

1 生物质破碎机发展状况

国外生物质破碎设备发展较早，专业设备厂家较多，著名品牌有Vermeer、Bandit、CBI、Morbark等。单机产品依据型号大小，售价从250万元到600万元不等，部分大型号产品甚至需投资千万，购置成本较高，导致物料破碎作业成本增加。若在国内使用时出现故障后售后人员不能及时赶到现场排除故障。国外设备零部件一般为英制标准，国标零件无法与其互换，需到国外订购，导致零配件供货周期较长，影响正常生产。并且国外品牌的生物质破碎机能够处理的生物质品种单一。

国内生物质破碎设备的类型主要是削片机。该机型是从人造板行业引入，其破碎效率较低且能耗高，需要操作人员数量多，且可破碎的物料品种单一，不能满足生物质发电用物料的破碎加工需求。削片机生产效率一般在3～20 t·h-1左右，主要用来破碎小径材、树枝桠、树皮、板皮、边角料等林业废弃物。当树皮、边角料、山林杂灌等生物质燃料中有石块、铁质工具等混入时，这些硬质物体进入削片机内，会使削片机发生飞刀事故，往往给设备及操作人员造成严重的伤害［2］。削片机加工生物质燃料的另一个缺点是刀片磨损快，一般1个班次需磨刀1次，减少了破碎设备有效工作时间，降低了生物质燃料的破碎效率。

2 生物质燃料破碎机的开发

生物质的破碎按粉破后的粒径分为粗破碎和粉磨。破碎后物料的粒径大于30 mm小于200 mm的称为粗碎。经过粗碎后的生物质可以作为生物质发电的燃料输送到锅炉内燃烧，或者作为成型燃料等其他生物质利用工艺的第一阶段破碎［3］。本文所研究的就是生物质的粗碎设备，该类设备应用范围最广。

生物质燃料破碎机如图1所示。喂料装置由链板式进料槽、解包装置和强制喂料辊组成，实现物料均匀地送入破碎机腔；工作装置由破碎刀辊、筛网、底刀等构成，破碎辊是破碎机的关键部件，它具有较好的刚性和较大的惯性矩，破碎辊上装有合金刀头；出料装置采取两级皮带输送，保障成品破碎料的顺畅排出；动力装置一般配置电动机，在没有电力的条件下可以配柴油机；辅助装置包括液压系统、润滑系统以及控制系统，保障整机正常运转。

图1 生物质燃料破碎机Fig.1 Biomass fuel crusher

2.1 喂料装置的设计

物料输送一般采用胶带输送机。但由于生物质燃料自然堆放时较蓬松，堆积密度小，物料与胶带之间的摩擦力小，造成胶带运动而物料不动，达不到输送物料的目的。另外，模板、废旧家具板常带有钉子等尖锐物体，会把胶带撕破。为此，该破碎机喂料装置采用专门设计的由耐磨钢制作的输送链板（如图2所示），其粗糙度高、抗冲击、耐磨，可满足生物质的复杂工况。输送链板承重能力远大于皮带输送机，可给破碎机喂入大量物料，使提高破碎机破碎效率成为可能。组成链板的各块钢板之间留有适当的缝隙，使掺在物料中的泥土在输送过程中从缝隙中漏掉。

图2 输送链板和解包装置Fig.2 Conveyor chain plate and unpacking device

大圆捆打捆机的广泛使用使秸秆的收集效率更高效，也使大量利用秸秆成为可能。但在秸秆利用环节，这种层层卷的圆包却难以解散，国内尚无解散此圆包的装备。通过多次试验，设计了解包装置，如图2所示。该装置可与破碎机喂料装置配合，秸秆包解包后直接进入破碎腔，减少了中间环节，有效地解决了圆包秸秆破碎问题。

树枝桠等生物质燃料非常蓬松，且流动性差，不能顺利地进入破碎腔。为本破碎机设计的强制喂料辊（如图3所示）既可绕公转轴公转，又可绕自转轴自转。逆时针公转时进料口扩大，物料进来后顺时针公转，进料口缩小，将蓬松的物料压实，同时自转，辊上的齿板将物料强制送入破碎腔，从而解决了蓬松物料喂料效率低下的问题。

图3 强制喂料装置Fig.3 Forced-feeding device

2.2 刀具的设计

刀具是生物质破碎机的核心零件，刀具的设计决定破碎机的整体结构和破碎能力。破碎非金属一般采用锤头撞击或压板挤压，破碎金属则一般采用尖锐的切削刀。生物质的特性介于两者之间，其刀具既要有撞击功能，又要有切削功能。

另外，考虑到生物质中有石块、铁块等硬物，该破碎机的刀具设计为短刀头，并将整体的大刀片分解成若干个小刀头。这些小刀头按螺旋线分布在整个刀辊上，即使碰到石块、铁块等硬物，也只有部分刀头受损。由于刀头与物料的接触面积相比于整个刀片与物料的接触面积要小很多，所以刀辊转速可设计成高速，从而解决了高破碎效率的难题。本文所研究的破碎机刀辊转速为 1 000 rad·min-1，而削片机转速一般为560 rad·min-1，因此，其破碎效率大大提高。

根据物料的性质选用不同形式的刀头：当需要破碎偏韧性的秸秆类物料时，使用切削刃相对尖锐的切削刀头（见图4）；当需要破碎脆性大、硬质的木质材料时，使用撞击刀头（见图4）。由于单个刀头重量轻，惯性小，所带来的伤害就小。

图4 切削刀头和撞击刀头Fig.4 Cutting knife and impacting knife

2.3 筛网的设计

为了增加破碎机的破碎能力，进料槽和刀辊需足够大。以进料有效宽度为1 200 mm的破碎机为例，其筛网宽度为1 200 mm，重量为120 kg，因此更换筛网较困难。为此设计了整体筛网。样机投运后发现，当筛网下部三分之一磨损至不能使用时，上部三分之二仍可使用。筛网材料是较昂贵的耐冲击、耐磨钢材，更换筛网造成了较大的浪费，为此设计了组合式筛网。该筛网整体框架不同，根据磨损频率将筛网分成三部分，仅需更换需要更换的部分即可，降低了使用维护成本。

2.4 安全性设计

为了保障设备及操作人员的安全，该破碎机不仅将长刀片改为短刀头，而且设计了过载保护装置。当刀头遇到石块、铁块等硬物使冲击力达到设计值时，筛网下方的保护装置会因过载而断裂，从而扩大筛网与刀头的距离，让石块等杂物通过，避免造成更大的损失；同时，启动电机过载保护，立即停机清理，保障了设备及操作人员安全。该破碎机的启动、停止及工作中的进料链板的前进、后退、强制喂料辊的公转都可采用遥控器操作，操作人员在安全距离内操作，从而避免发生人身伤害事故。

2.5 防火设计

由于生物质易燃，防火工作在生物质加工场所非常重要。多数市售破碎设备在破碎物料时，物料容易夹在刀辊两侧与壳体的间隙内，高速旋转的刀辊与物料摩擦，温度达到燃点后会产生火花，引燃物料。本破碎机设计了三重防护措施，消除火灾隐患，预防火灾：在进料槽两侧设置物料导向板，阻止物料进入刀辊两侧缝隙；在刀辊两侧安装侧刀，侧刀随刀辊旋转，物料一旦进入缝隙，高速旋转的侧刀将缝隙中的物料粉碎后抛出；在刀辊两侧板上安装喷嘴和温度传感器，当传感器检测到侧板温度达到设定的温度后，喷嘴喷水，对刀辊两侧物料进行冷却。

2.6 辅助设计及仿真软件的使用

采用Pro/Engineer软件对拟开发的破碎机进行三维建模，通过模拟运行避免在实际生产时零部件发生互相干涉。应用ANSYS软件建立破碎机的整体设计方法，开发了具有自主知识产权的生物质综合破碎机工艺包和控制技术。这些软件的应用，不仅缩短了设备开发的时间，而且降低了设备开发的成本。

3 主要技术经济指标与国内外同类设备的比较

根据湖北省农机推广鉴定中心测试及用户的使用数据，将所开发的破碎机与国外同类生物质破碎机、国产BX2113B削片机设备的性能参数进行比较，结果如表1所示，表中：综合效率指麦秸秆、破碎薪柴、建筑模板和树根的平均破碎效率；综合耗电指破碎薪柴、建筑模板和树根时的耗电量平均值。因BX2113B不能破碎多种物料，所以这两个参数均未计入。

表1 破碎机性能参数对比Tab.1 Comparison of main parameters among different crushers

从表1可以看出：①本文开发的破碎机综合破碎效率比国外某品牌破碎机提高了72%，薪柴破碎效率比国内BX2113B削片机的提高了136%；②本文开发的破碎机综合耗电量比国外某品牌破碎机下降了36.8%；③BX2113B削片机没有防火功能，而国外某品牌破碎机防火功能较弱，本文开发的破碎机具有三重防火措施，防火功能强，安全性高。④BX2113B削片机仅能对薪柴、板皮等燃料进行破碎，适应性差；国外某品牌破碎机可以对薪柴、建筑模板和树根等燃料进行破碎，但对打包秸秆不能破碎，燃料适应性一般；本文开发的破碎机对以上所有生物质燃料均可以破碎，所以燃料适应性广。⑤购置国外同类型的进口设备，每台套价格近300万元，而本文开发的破碎机购置费仅为90万元，是国外同类机型的30%。