粒度和含水率對(duì)秸稈成型燃料生產(chǎn)能耗的影響

左鵬鵬，楊俊紅，黃濤，韓奎，王樸方，鞏啟濤

（1中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2西安市長(zhǎng)安區(qū)新區(qū)熱力有限公司，陜西 西安 710100）

?

粒度和含水率對(duì)秸稈成型燃料生產(chǎn)能耗的影響

左鵬鵬1，楊俊紅1，黃濤2，韓奎2，王樸方1，鞏啟濤1

（1中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072；2西安市長(zhǎng)安區(qū)新區(qū)熱力有限公司，陜西 西安 710100）

摘要：針對(duì)成型燃料規(guī)?；a(chǎn)中原料參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，以陜西某年產(chǎn)2萬(wàn)噸的秸稈成型燃料加工生產(chǎn)線為例，采用離散系統(tǒng)仿真軟件ExtendSim對(duì)成型燃料生產(chǎn)線進(jìn)行仿真。研究了粉碎粒度和干燥后的含水率對(duì)成型燃料的生產(chǎn)率及整體比能耗的影響，得出理論能耗的最優(yōu)參數(shù)組合并與調(diào)研的生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。敏感性分析發(fā)現(xiàn)，壓塊燃料的整體比能耗對(duì)參數(shù)變化更敏感，而顆粒燃料的生產(chǎn)率對(duì)參數(shù)變化更敏感。因此，按對(duì)參數(shù)變化敏感性更高的性能指標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)化參數(shù)選擇。結(jié)果表明：與原經(jīng)驗(yàn)參數(shù)相比，壓塊燃料按參數(shù)（15%，20～30mm）優(yōu)化后理論節(jié)能11.64%，相關(guān)生產(chǎn)性試驗(yàn)節(jié)能10.36%；顆粒燃料按參數(shù)（10%，10mm）優(yōu)化后理論節(jié)能5.58%，相關(guān)生產(chǎn)性試驗(yàn)節(jié)能6.36%。本文提出的按對(duì)參數(shù)變化更敏感的性能指標(biāo)選擇最優(yōu)參數(shù)組合的方法使生產(chǎn)能耗更低，為成型燃料原料參數(shù)選擇提供理論依據(jù)，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：生物燃料；生產(chǎn)；粒度；含水率；整體比能耗；模擬

第一作者及聯(lián)系人：左鵬鵬（1989—），男，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)成型燃料研究。E-mail 13820058072@163.com。

我國(guó)具有豐富的農(nóng)作物秸稈資源，秸稈通過(guò)壓縮成型可生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料。生物質(zhì)成型燃料一定程度上可以替代燃煤[1-3]，與天然氣相比也有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。我國(guó)現(xiàn)階段生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)正向著規(guī)?；较虬l(fā)展，應(yīng)用較多的壓塊和顆粒兩種形態(tài)燃料的工藝環(huán)節(jié)大體相同，主要包括原料粉碎、篩分、干燥、輸送、成型、冷卻、質(zhì)檢八道工序。

目前，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多針對(duì)原料參數(shù)對(duì)生產(chǎn)中某個(gè)環(huán)節(jié)能耗或生產(chǎn)率的影響[4-9]進(jìn)行研究，且實(shí)際生產(chǎn)中由于成型環(huán)節(jié)能耗較大，常按成型環(huán)節(jié)節(jié)能兼顧生產(chǎn)率的經(jīng)驗(yàn)值選取系統(tǒng)生產(chǎn)的原料參數(shù)[5-7]。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，原料粒度較大時(shí)粉碎能耗較低，但成型能耗高[6]；含水率在一定范圍降低時(shí)干燥能耗升高[7]，粉碎能耗降低，成型能耗先降后升[8-9]；不同工藝對(duì)原料參數(shù)有不同要求。對(duì)于從系統(tǒng)生產(chǎn)角度考慮原料粉碎、干燥、成型、輸送等環(huán)節(jié)的整體比能耗及生產(chǎn)率最優(yōu)時(shí)原料參數(shù)優(yōu)化選擇的研究還很少見(jiàn)。

本文以陜西某生物質(zhì)區(qū)域供熱企業(yè)擬建的年產(chǎn)2萬(wàn)噸生物質(zhì)成型燃料加工生產(chǎn)線為例，以降低成型燃料系統(tǒng)能耗為目標(biāo)，利用離散系統(tǒng)仿真軟件ExtendSim對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真。

1 案例分析

以陜西某年產(chǎn)2萬(wàn)噸的生物質(zhì)成型燃料加工生產(chǎn)線為例，生物質(zhì)原料可以考慮周邊的林間剩余物、農(nóng)作物秸稈等，成型燃料主要針對(duì)應(yīng)用較多的壓塊與顆粒兩種形態(tài)。本文具體參數(shù)分析，以玉米秸稈為例，有壓塊、顆粒兩條生產(chǎn)線，工藝流程如圖1。

通常，壓塊燃料一般截面為方形且邊長(zhǎng)大于25mm，原料粉碎粒度低于50mm時(shí)都可成型；顆粒燃料直徑通常在5～10mm之間，粉碎粒度低于10mm時(shí)都可成型；原料含水率一般要求在10%～25%[2-3]。

文獻(xiàn)調(diào)研報(bào)道，現(xiàn)有生產(chǎn)線在保證顆粒、壓塊燃料生產(chǎn)率前提下[10-12]按成型環(huán)節(jié)節(jié)能的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)[5-7]選擇秸稈原料參數(shù)。顆粒燃料選取含水率10%、粒度6mm，壓塊燃料選取含水率15%，粒度20～30mm作為現(xiàn)行生產(chǎn)參數(shù);其顆粒燃料單噸平均能耗為127.3kWh[5]，壓塊燃料單噸平均能耗為72.4 kWh[9]。

實(shí)際規(guī)?；a(chǎn)中，成型設(shè)備常在室溫下保持恒定壓輥間隙，并于額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在原料確定的情況下，含水率和粉碎粒度成為影響成型燃料生產(chǎn)率和整體比能耗的主要因素。兩條生產(chǎn)線擬選主要設(shè)備型號(hào)及參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)工藝流程1—粉碎；2—篩分；3—干燥；4—攪拌；5—輸送；6—成型；7—冷卻；8—質(zhì)檢

表1 主要設(shè)備型號(hào)及參數(shù)

圖2 秸稈成型燃料生產(chǎn)工藝流程模型

2 模型綜述

2.1 模型組成

生物質(zhì)秸稈成型燃料生產(chǎn)線模型由原料的粉碎、干燥、成型3個(gè)模塊組成，如圖2所示。

對(duì)于兩種形態(tài)燃料，篩分、干燥、攪拌等環(huán)節(jié)所需設(shè)備相同，建模時(shí)予以合并。原料含水率（MC）要求在30%[10]以下。如圖2，N表示不符合要求的產(chǎn)品，Y表示符合要求的產(chǎn)品。干燥環(huán)節(jié)能耗包括電耗和熱耗，燃料小部分來(lái)自顆粒、壓塊的不合格產(chǎn)品，其余由壓塊成型燃料成品提供。壓塊和顆粒燃料粉碎粒度量級(jí)不同，成型前分別采用傳送帶和氣力輸送方式。

2.2 模型參數(shù)及能耗計(jì)算

模型參數(shù)包括各設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和系統(tǒng)綜合性能參數(shù)，其中運(yùn)行參數(shù)包括定值參數(shù)和可變參數(shù)。

2.2.1 定值參數(shù)

設(shè)定系統(tǒng)生產(chǎn)線產(chǎn)能為定值，設(shè)備都處于額定工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，原料進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)的初始含水率恒為30%，且除干燥外各環(huán)節(jié)的理論生產(chǎn)時(shí)間為定值。

2.2.2 可變參數(shù)

粉碎環(huán)節(jié)通過(guò)調(diào)節(jié)粉碎機(jī)篩孔直徑將含水率30%的秸稈原料分別粉碎成粒度10～20mm、20～30mm、30～40mm[9]的壓塊原料；粒度為6mm、8mm、10mm[5]的顆粒原料。干燥環(huán)節(jié)按照生產(chǎn)中常用的含水率范圍設(shè)置干燥后含水率為5%、10%、15%、20%、25%共5個(gè)水平，通過(guò)調(diào)節(jié)原料干燥時(shí)間來(lái)達(dá)到要求的含水率。

2.2.3 系統(tǒng)的綜合性能參數(shù)

（1）生產(chǎn)率 生產(chǎn)率指一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)制造系統(tǒng)（生產(chǎn)線、車(chē)間或工廠）單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品或零部件的數(shù)量。定義生產(chǎn)率＝系統(tǒng)總產(chǎn)量／(系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間?設(shè)計(jì)產(chǎn)能)[13]。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間T由各環(huán)節(jié)的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間之和得到，實(shí)際總產(chǎn)量為Q'，由仿真系統(tǒng)自帶的history模塊統(tǒng)計(jì)得出，生產(chǎn)線設(shè)計(jì)產(chǎn)能為Q，因此生產(chǎn)率公式如式(1)。

（2）設(shè)備利用率[14]設(shè)備處于忙態(tài)的時(shí)間占工作時(shí)長(zhǎng)的比例，它是時(shí)間的持續(xù)統(tǒng)計(jì)量（由仿真系統(tǒng)的Item模塊得到）。其隨時(shí)間變化的“忙態(tài)”函數(shù)為u(t)，某設(shè)備利用率η即為曲線u(t)下面積除以各環(huán)節(jié)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間ti，如式(2)。

（3）比能耗 比能耗定義為單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)單位質(zhì)量的成型燃料所消耗的能量與成品質(zhì)量間的比值[14]，如式(3)。

式中，W為比能耗，kWh/t；E為單位時(shí)間內(nèi)總能耗，kWh；M為成型燃料總重，t。

2.2.4 比能耗計(jì)算方法

（1）能耗計(jì)算公式 除干燥、成型環(huán)節(jié)外，其余五環(huán)節(jié)在不同參數(shù)組合下的能耗都可按式(4)進(jìn)行計(jì)算，機(jī)器設(shè)備生產(chǎn)1t燃料所消耗的電量，計(jì)算公式如式(4)[14]。

式中，W為比能耗，kWh/t；P為設(shè)備功率，kW；q為每小時(shí)的產(chǎn)量，kg/h；η為設(shè)備利用率。

（2）干燥能耗 干燥能耗b包含熱風(fēng)干燥電機(jī)的電耗和燃料的熱耗。干燥環(huán)節(jié)熱量小部分由質(zhì)檢后不合格的成型燃料提供，其余大部分由壓塊成品燃料提供。計(jì)算公式如式(5)。

式中，P為熱風(fēng)干燥機(jī)功率；q為干燥系統(tǒng)生產(chǎn)率；η為由仿真得到的干燥設(shè)備利用率；Xi（i=1、2、3、4、5）為5個(gè)不同含水率水平；熱風(fēng)干燥條件下，單位質(zhì)量水分揮發(fā)所需能耗q0= 3364.57kJ/kg[10]。

（3）成型能耗 考慮不同參數(shù)組合下的系統(tǒng)綜合性能，如圖1所示，顆粒、壓塊成型機(jī)設(shè)備分別與文獻(xiàn)[5]和[9]中的設(shè)備相同，因此成型環(huán)節(jié)能耗及成型生產(chǎn)率數(shù)據(jù)分別來(lái)源于參考文獻(xiàn)[5]和[9]，見(jiàn)表2。

表2 不同參數(shù)組合下成型環(huán)節(jié)能耗及生產(chǎn)率[5，9]

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化

2.3.1 優(yōu)化方法

通過(guò)降維優(yōu)化得到各環(huán)節(jié)設(shè)備利用率。確定各工藝環(huán)節(jié)設(shè)備額定功率和理論生產(chǎn)時(shí)間，通過(guò)降維優(yōu)化法依次給定含水率為某一值，變化粉碎粒度水平得到這兩個(gè)原料參數(shù)不同組合下的生產(chǎn)率，并對(duì)各工藝設(shè)備Item模塊中的設(shè)備利用率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；按照對(duì)原料參數(shù)變化更為敏感的系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)確定壓塊、顆粒成型生產(chǎn)的含水率和粉碎粒度最優(yōu)化組合，并與調(diào)研的生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

2.3.2 優(yōu)化函數(shù)

生物質(zhì)成型燃料連續(xù)生產(chǎn)，在保證生產(chǎn)率的條件下盡可能降低整體比能耗，以使成型燃料生產(chǎn)系統(tǒng)能耗達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)式(6)、式(7)。

式中，φ1為不同參數(shù)組合下的顆粒燃料生產(chǎn)率；φ2為不同參數(shù)組合下的壓塊燃料生產(chǎn)率；W1為壓塊燃料的比能耗；W2為顆粒燃料的比能耗；a～g分別對(duì)應(yīng)生產(chǎn)線的7個(gè)環(huán)節(jié)。

3 結(jié)果和討論

3.1 不同參數(shù)組合下的生產(chǎn)率

壓塊燃料生產(chǎn)率整體高于顆粒燃料，文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)趨勢(shì)基本吻合。由圖3可見(jiàn)，壓塊燃料隨著含水率增大生產(chǎn)率變化并不顯著，都處于90%±5%范圍內(nèi)，且明顯高于顆粒燃料。這主要是由于壓塊燃料生產(chǎn)工藝要求低于顆粒燃料，各環(huán)節(jié)產(chǎn)品不合格率也相對(duì)低，單噸生產(chǎn)時(shí)間縮短。

如圖3，顆粒燃料在含水率10%時(shí)不同粒度的生產(chǎn)率都出現(xiàn)了最大值，這與大多數(shù)生物質(zhì)顆粒燃料加工廠所選的含水率取值相一致。ISHII等[10]報(bào)道以秸稈為原料的萬(wàn)噸級(jí)生產(chǎn)線生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，粒度為10mm的顆粒燃料在不同含水率下生產(chǎn)率的變化趨勢(shì)與本文模型結(jié)果基本一致，且都在含水率10%時(shí)取得生產(chǎn)率的最大值。本文模擬參數(shù)范圍內(nèi)，壓塊燃料含水率10%、粒度30～40mm時(shí)達(dá)到生產(chǎn)率最高，顆粒燃料含水率10%、粒度10mm時(shí)達(dá)到生產(chǎn)率最高。

3.2 不同參數(shù)組合下各環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率

設(shè)備利用率是反映生產(chǎn)線性能的重要指標(biāo)[15]，是指工作時(shí)間占總時(shí)間的百分比，各環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率見(jiàn)圖4。

圖3 不同參數(shù)組合下成型燃料的系統(tǒng)生產(chǎn)率

圖4 不同參數(shù)組合下各環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率30%—粉碎前的初始含水率；5%、10%、15%、20%、25%—分別為5個(gè)含水率水平，環(huán)狀多邊形代表設(shè)備利用率百分比

粉碎粒度越大，生產(chǎn)一噸合格品時(shí)間越短，設(shè)備利用率越高，反之亦然。如圖4(a1)，粒度30～40mm時(shí)，粉碎設(shè)備利用率只有60%左右，粉碎成為整個(gè)壓塊燃料生產(chǎn)的瓶頸環(huán)節(jié)。實(shí)際設(shè)備選型時(shí)建議選擇略低于生產(chǎn)線產(chǎn)能的粉碎設(shè)備，既不影響整體生產(chǎn)率，又可以降低設(shè)備的空轉(zhuǎn)能耗。

對(duì)于干燥環(huán)節(jié)，粒度和干燥程度對(duì)設(shè)備利用率都有影響。由圖4(b)知，顆粒燃料干燥環(huán)節(jié)的設(shè)備利用率隨秸稈含水率的增大而降低。說(shuō)明粉碎粒度越細(xì)，原料干燥不均勻度越小，對(duì)顆粒燃料干燥環(huán)節(jié)設(shè)備利用率影響越不明顯。

3.3 含水率和粒度對(duì)成型燃料生產(chǎn)能耗的影響3.3.1 含水率變化對(duì)壓塊燃料生產(chǎn)能耗的影響

如圖5，對(duì)于壓塊燃料，各工藝主要能耗環(huán)節(jié)由高到低依次是成型、干燥、粉碎，總能耗在60～90kWh，這與HU[16]、WANG[17]等對(duì)額定產(chǎn)能1.5t/h的秸稈壓塊燃料生產(chǎn)線單噸能耗在60～80kWh的實(shí)驗(yàn)值基本吻合。

壓塊生產(chǎn)中粉碎粒度都在10mm以上，對(duì)粉碎能耗的影響可忽略。干燥環(huán)節(jié)占總能耗的23%以上，是除成型外能耗最高的環(huán)節(jié)。成型能耗占總能耗的50%以上，這也是經(jīng)驗(yàn)值常按成型環(huán)節(jié)能耗最低選擇原料參數(shù)的重要原因。含水率大于20%時(shí)，壓塊燃料內(nèi)部水分無(wú)法快速溢出會(huì)出現(xiàn)放炮現(xiàn)象。因此，整體比能耗隨含水率增高呈現(xiàn)先降后升趨勢(shì)。

圖5 壓塊燃料能耗隨含水率變化趨勢(shì)

3.3.2 含水率變化對(duì)顆粒燃料生產(chǎn)能耗的影響

如圖6，顆粒燃料生產(chǎn)中主要耗能環(huán)節(jié)由高到低依次是成型、粉碎、干燥。干燥環(huán)節(jié)能耗隨著含水率增大（干燥程度的降低）而減小；粉碎粒度的大小決定了粉碎能耗的高低，且粒度越小越會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，使含水率在粉碎過(guò)程中發(fā)生變化，出現(xiàn)了粉碎能耗隨含水率增加而增大的變化趨勢(shì)。按照成型環(huán)節(jié)能耗最低原則，發(fā)現(xiàn)粒度為6mm時(shí)不同含水率下成型能耗最低[9]。從整體比能耗來(lái)看，最優(yōu)含水率取值雖然也在15%，但最優(yōu)的粉碎粒度隨含水率的變化規(guī)律與只考慮成型環(huán)節(jié)時(shí)明顯不同。

3.3.3 粒度變化對(duì)主要工藝環(huán)節(jié)能耗的影響

根據(jù)圖5、圖6，選擇含水率15%（可以較好反應(yīng)平均含水率水平下粒度變化對(duì)系統(tǒng)能耗的影響）分析6種粒度下各環(huán)節(jié)能耗占總能耗的比例。

由圖7知，粒度對(duì)壓塊燃料能耗的影響并不顯著。壓塊燃料成型、干燥環(huán)節(jié)占總能耗的80%左右，而這兩個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)粒度變化并不敏感，這與HU等[16]以2萬(wàn)噸秸稈壓塊燃料生產(chǎn)線所得各主要耗能環(huán)節(jié)占總能耗的比例相當(dāng)。顆粒燃料隨粒度的增大成型能耗增加，粉碎能耗減少，但兩環(huán)節(jié)之和占總能耗百分比不變，恒定在75%左右，如圖7所示。由于WANG等[17]在規(guī)?；a(chǎn)中粒度為10mm的顆粒燃料能耗構(gòu)成分析中，沒(méi)有算入干燥環(huán)節(jié)的熱耗，其結(jié)果與本文略有不同。

圖6 顆粒燃料能耗隨含水率變化趨勢(shì)

圖7 15%含水率下粒度對(duì)主要工藝環(huán)節(jié)能耗的影響壓塊30mm數(shù)據(jù)源來(lái)源于文獻(xiàn)[16]；顆粒10mm數(shù)據(jù)源來(lái)源于文獻(xiàn)[17]

3.4 敏感性分析及最優(yōu)化參數(shù)選擇

通過(guò)比較壓塊和顆粒燃料的生產(chǎn)率和整體比能耗分別對(duì)含水率、粉碎粒度兩參數(shù)的敏感程度，用以確定最優(yōu)的原料參數(shù)組合，定義相對(duì)線性敏感性系數(shù)[18]，見(jiàn)式(8)。

式中，ΔPi為性能參數(shù)的變化量；Δxi為設(shè)備數(shù)量的變化量；Pi和xi為基準(zhǔn)參數(shù)。

由圖8知，顆粒燃料的生產(chǎn)率對(duì)粒度和含水率的變化最為敏感，粒度對(duì)生產(chǎn)率的影響呈正相關(guān)。即從整體上看，粒度越大生產(chǎn)率越高；含水率呈負(fù)相關(guān)，即含水率越大，生產(chǎn)率越低。壓塊燃料的整體比能耗對(duì)粒度和含水率的變化較生產(chǎn)率更為敏感，且都呈負(fù)相關(guān)，即在一定范圍內(nèi)含水率和粒度越大，整體比能耗越低。

實(shí)際生產(chǎn)中，根據(jù)壓塊燃料生產(chǎn)率對(duì)原料參數(shù)

圖8 性能指標(biāo)對(duì)參數(shù)變化的相對(duì)線性敏感性

變化敏感性較弱，建議以整體比能耗最低為原則確定最優(yōu)參數(shù)，即粉碎粒度30～40mm、含水率20%；顆粒燃料整體比能耗在不同參數(shù)組合下波動(dòng)不大，但生產(chǎn)率波動(dòng)較大，建議以生產(chǎn)率最高為原則確定最優(yōu)參數(shù)組合，即原料粒度10mm、含水率10%。

3.5 最優(yōu)化參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的節(jié)能比較

對(duì)比優(yōu)化后參數(shù)組合與工程案例擬采用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)組合，并與調(diào)研的生產(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果相比較，分析各環(huán)節(jié)能耗、生產(chǎn)率，見(jiàn)表3。

表3 最優(yōu)化參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的節(jié)能比較

由表3可見(jiàn)，壓塊燃料按照整體比能耗最優(yōu)參數(shù)組合比經(jīng)驗(yàn)參數(shù)理論節(jié)能11.64%，生產(chǎn)率下降2.76%，相關(guān)生產(chǎn)性試驗(yàn)節(jié)能10.36%；顆粒燃料按照生產(chǎn)率最優(yōu)參數(shù)組合比設(shè)計(jì)參數(shù)理論節(jié)能5.58%，生產(chǎn)率提高約10.07%，相關(guān)生產(chǎn)性試驗(yàn)節(jié)能6.36%。

4 結(jié) 論

通過(guò)ExtendSim軟件對(duì)秸稈壓塊和顆粒燃料的生產(chǎn)線進(jìn)行仿真，得出以下結(jié)論。

（1）壓塊燃料生產(chǎn)率整體高于顆粒燃料，且兩者都在含水率10%時(shí)達(dá)到最高；顆粒燃料各環(huán)節(jié)設(shè)備利用率較為均衡，壓塊燃料生產(chǎn)瓶頸在粉碎環(huán)節(jié)。建議選擇略低于生產(chǎn)線產(chǎn)能的粉碎設(shè)備，可在不影響生產(chǎn)率的同時(shí)降低生產(chǎn)能耗。

（2）壓塊和顆粒燃料整體比能耗隨含水率增高都呈先降后升趨勢(shì)；粒度對(duì)壓塊燃料能耗的影響并不明顯，但對(duì)顆粒燃料粉碎、成型兩環(huán)節(jié)的能耗有著此消彼長(zhǎng)的影響。

（3）通過(guò)比較壓塊和顆粒燃料整體比能耗和生產(chǎn)率分別對(duì)兩參數(shù)變化的敏感程度，得到各自最優(yōu)的參數(shù)組合。原料參數(shù)優(yōu)化后總體能耗都明顯降低，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉飛，周嶺. 農(nóng)林剩余物綜合利用的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015（2）：236-241.

[2] KURSUN B，BAKSHI B R，MAHATA M，et al. Life cycle and emergy based design of energy systems in developing countries：centralized and localized options[J]. Ecological Modelling，2015，305：40-53.

[3] 張霞，蔡宗壽，陳穎，等. 世界生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015（2）：1-5.

[4] 車(chē)戰(zhàn)斌，王亦良，劉功傳. 生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)的配套粉碎設(shè)備試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015（11）：254-259.

[5] 李在峰，雷廷宙，何曉峰，等. 玉米秸稈顆粒燃料致密成型電耗測(cè)試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006（s1）：117-119.

[6] 謝海江. 生物質(zhì)成型燃料熱風(fēng)干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與干燥動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究[D]. 鄭州：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[7] RUDOLFSSON M，STELTE W，LESTANDER T A. Process optimization of combined biomass torrefaction and pelletization for fuel pellet production——a parametric study[J]. Applied Energy，2015，140：378-384.

[8] MANI S，TABIL L G，SOKHANSANJ S. Specific energy requirement for compacting corn stover[J]. Bioresource Technology，2006，97（12）：1420-1426.

[9] 龐利沙，孟海波，趙立欣，等. 立式環(huán)模秸稈壓塊成型機(jī)作業(yè)參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（23）：166-172.

[10] ISHII K，F(xiàn)URUICHI T. Influence of moisture content，particle size and forming temperature on productivity and quality of rice straw pellets[J]. Waste Management，2014，34（12）：2621-2626.

[11] 郝永俊，宋逍，張曙光，等. 生物質(zhì)燃料固化成型工藝研究[J].天津科技，2011（4）：10-12.

[12] 張靜，郭玉明，贠慧星. 原料含水率對(duì)生物質(zhì)固體燃料成型效果的影響[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（1）：65-67.

[13] 肖燕，賈秋紅，周康渠，等. 某發(fā)動(dòng)機(jī)總裝線看板生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真[J]. 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2012，18（10）：2175-2182.

[14] 江志斌. Petri 網(wǎng)及其在制造系統(tǒng)建模與控制中的應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[15] 聶世濤. 基于仿真技術(shù)的魚(yú)罐頭生產(chǎn)線研究與改進(jìn)[D]. 廣州：華南理工大學(xué)，2011.

[16] HU J，LEI T，WANG Z，et al. Economic，environmental and social assessment of briquette fuel from agricultural residues in China–A study on flat die briquetting using corn stalk[J]. Energy，2014，64：557-566.

[17] WANG Z，LEI T，CHANG X，et al. Optimization of a biomass briquette fuel system based on grey relational analysis and analytic hierarchy process：a study using cornstalks in China[J]. Applied Energy，2015，157：523-532.

[18] SCHUSTER G，L?FFLER G，WEIGL K，et al. Biomass steam gasification——an extensive parametric modeling study[J]. Bioresource Technology，2001，77（1）：71-79.

研究開(kāi)發(fā)

Effects of particle sizes and moisture content on energy consumption of straw briquette fuel processing

ZUO Pengpeng1，YANG Junhong1，HUANG Tao2，HAN Kui2，WANG Pufang1，GONG Qitao1
（1Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy，MOE，School of Mechanical Engineering，
Tianjin University，Tianjin 300072，China;2Xi’an Chang’an District New City Heating Power Co.，Ltd.，Xi’an 710100，Shaanxi，China）

Abstract：In order to select optimal raw material parameters in the straw briquette processing，a straw briquette processing plant in Shaanxi with annual output about 20000 tons was taken as an example. Using the discrete system simulation software ExtendSim，we made a simulation on the straw briquette production and investigated the effects of moisture content and crushing particle size of raw materials on specific energy consumption and productivity of the processing. We obtained the optimal parameters combination of theoretical energy consumption based on the results. Based on the sensitivity analysis，we concluded that energy consumption of briquette fuel was more sensitive to the parameters of raw material than those of its productivity，but the contrary conclusion applied to the pellet fuel. Hence，the optimal parameter selection was based on a performance indicator which was more sensitive to the parameters of raw material. We concluded that as for briquette fuel whose optimal parameters are 15% and 20—30mm，it will save 11.64% energy consumption theoretically and practically saved 10.36%. As for pellet fuel whose optimal parameters are 10% and 10mm，it will save 5.58% theoretically and

6.36% practically. Therefore，the optimal parameter combination chosen by the performance indicator is more energy-saving than the ones from the original parameters optimization experience. It provides a theoretical foundation for the optimal parameter selections in the straw briquette engineering production and helps to guide the engineering practice.

Key words：biofuels；productivity；particle size；moisture content；specific energy consumption；simulation

基金項(xiàng)目：天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（13JCYBJC19000）。

收稿日期：2015-07-27；修改稿日期：2015-08-24。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.03.019

中圖分類(lèi)號(hào)：S 216.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）03–0773–07