我國生物質(zhì)燃料固化成型設(shè)備研究現(xiàn)狀

摘要:隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，生物質(zhì)能顯得越來越重要。為此，闡述了秸稈固化燃料的優(yōu)點，詳細(xì)論述了生物質(zhì)固化燃料致密成型原理及其工藝流程;在明確秸稈固化工藝前提下，分析了當(dāng)前秸稈固化成型設(shè)備及常見機(jī)型，最后針對我國生物質(zhì)固化成型燃料存在問題提出了解決途徑。 　　0引言 　　生物質(zhì)能是蘊(yùn)藏在生物質(zhì)中的能量，是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存在生物質(zhì)內(nèi)部的能量。生物質(zhì)能僅次于煤炭、石油和天然氣，居于世界能源消費(fèi)總量第4位。 　　據(jù)專家預(yù)測，生物質(zhì)能極有可能成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的重要組成部分，到21世紀(jì)中葉，采用新技術(shù)生產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料將占全球總?cè)剂舷牡?0%以上。由于生物質(zhì)替代燃料具有無污染、可再生等顯著特點，因此日益受到各國的重視。隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源短缺問題顯得日益突出，為了解決能源危機(jī)、減輕環(huán)境污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境，開發(fā)利用生物質(zhì)能顯得尤為重要。 　　目前，世界農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量超過20億t。我國作為農(nóng)業(yè)大國，秸稈資源十分豐富，而且逐年遞增。目前，我國的秸稈產(chǎn)出量已超過7億t，折合成標(biāo)煤約為3．5億t，相當(dāng)于7個神東煤田，全部利用可以減排8．5億t二氧化碳，相當(dāng)于2007年全國二氧化碳排放量的1/8。隨著國家明確提出到2015年秸稈綜合利用率在80%的行動目標(biāo)，我國秸稈資源化駛?cè)肟燔嚨馈Ｒ?ldquo;秸稈能源”為代表的生物質(zhì)能利用，在大力發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的背景下，進(jìn)入人們的視野。 　　生物質(zhì)固化成型燃料是將作物秸稈、稻殼、木屑等農(nóng)林廢棄物粉碎后，送入成型器械中，在外力作用下，壓縮成需要的形狀;然后，作為燃料直接燃燒，也可進(jìn)一步加工，形成生物炭。 　　在國外，該生產(chǎn)方法已經(jīng)成熟，如丹麥、德國、比利時、美國、日本等國家已實現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)，其產(chǎn)品主要用于取暖爐、鍋爐發(fā)電等。目前，我國研究和開發(fā)出的生物質(zhì)固化成型機(jī)也已應(yīng)用于生產(chǎn)，生產(chǎn)的致密成型燃料，也已應(yīng)用于取暖和小型鍋爐。經(jīng)測定，該種燃料排放的污染物低于煤的排放，是一種高效、潔凈的可再生能源。 　　1秸稈固化燃料優(yōu)點 　　1．1應(yīng)用便利，易于貯運(yùn) 　　固化成型法與其它方法生產(chǎn)生物質(zhì)能相比較，具有生產(chǎn)工藝、設(shè)備簡單，易于操作，生產(chǎn)設(shè)備對各種原料的適應(yīng)性強(qiáng)以及固化成型的燃料便于貯運(yùn)(可長時間存貯和長途運(yùn)輸)和易于實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)和大規(guī)模使用等特點。另外，對現(xiàn)有燃燒設(shè)備，包括鍋爐、爐灶等，經(jīng)簡單改造即可使用。成型燃料使用起來方便，特別對我國北方高寒地區(qū)，炕灶是冬季主要的取暖形式，在廣大農(nóng)村有傳統(tǒng)的使用習(xí)慣，成型燃料也易于被老百姓所接受。 　　1．2替代煤炭，保護(hù)生態(tài)環(huán)境 　　預(yù)計到2020年，中國的GDP可能達(dá)到5萬億美元，能源需求25～30億t標(biāo)煤。其中，僅石油缺口達(dá)1．6～2．2億t。大量燃燒一次性能源，排放大量的SO和CO2等，對環(huán)境造成污染，加劇了地球溫室效應(yīng)。我國目前農(nóng)作物秸稈年產(chǎn)量約為6億t，折合標(biāo)煤3億t，其中53%作為燃料使用，約折合1．59億t標(biāo)煤。如果這些原料都能固化成型有效開發(fā)利用，替代原煤，對于有效緩解能源緊張，治理有機(jī)廢棄物污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人與自然和諧發(fā)展等均具有重要的意義。 　　1．3提高能源利用率 　　直接燃燒生物質(zhì)的熱效率僅為10%～30%，而生物質(zhì)制成顆粒以后經(jīng)燃燒器(包括爐、灶等)燃燒，其熱效率為87%～89%，熱效率提高57～79個百分點，節(jié)約了大量能源。不同類型的生物質(zhì)固體成型燃料如圖1所示。 圖1不同類型的生物質(zhì)固體成型燃料 　　2生物質(zhì)固化燃料致密成型原理 　　植物質(zhì)原料中含有纖維素、半纖維素、木素、樹脂和蠟等物質(zhì)。一般在闊葉木、針葉木中，木素含量為27%～32%(絕干原料)、禾草類中含量為14%～25%。現(xiàn)在知道木質(zhì)素是具有芳香族特性的結(jié)構(gòu)，單體為苯基丙烷型的立體結(jié)構(gòu)高分子化合物，不同種類的植物質(zhì)都含有木質(zhì)素，而其組成、結(jié)構(gòu)不完全一樣。在常溫下木質(zhì)素主要部分不溶于有機(jī)溶劑，它屬于非晶體，沒有熔點但有軟化點，當(dāng)溫度為70～110℃時軟化具有粘性。 　　當(dāng)溫度到達(dá)200～300℃時成熔融狀，粘性高，此時加以一定的壓力使植物質(zhì)各部分粘結(jié)在模具內(nèi)成型。對植物質(zhì)原料加熱軟化，也利于減少成型的擠壓力。燃料可按用戶要求，使用不同規(guī)格的模具，制成多種規(guī)格尺寸的成型燃料品。因此，現(xiàn)代的壓縮成型設(shè)備尤其是生物質(zhì)成型塊較大的機(jī)械，多在成型模的末端，用電阻絲加熱，達(dá)到既成型又減少阻力的目的。 　　3生物質(zhì)壓縮成型原理 　　生物質(zhì)的基本組織是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，它們有一個共同的特點，是在適當(dāng)?shù)臏囟?通常為200～300℃)下會軟化，此時如施加一定的壓力，使其緊密粘結(jié)，冷卻后即固化成型。 　　生物質(zhì)固體成型燃料就是利用生物質(zhì)的這種特性，用壓縮成型機(jī)械，將經(jīng)過干燥和粉碎過的松散的生物質(zhì)廢料在超高壓(0．5～1t/cm2)的條件下，靠機(jī)械與生物質(zhì)廢料之間及其生物質(zhì)廢料相互之間摩擦產(chǎn)生的熱量或外部加熱，使纖維素、木質(zhì)素軟化，經(jīng)擠壓成型后而得到的具有一定形狀和規(guī)格的新型燃料。其生產(chǎn)工藝流程如下:原料—(粉碎)—過篩—干燥—(混料)—成型—(冷卻)—包裝。 　　4秸稈固化成型工藝 　　4．1熱成型工藝 　　熱成型工藝是目前普遍采用的生物質(zhì)固化成型工藝。其工藝流程為: 　　原料粉碎→干燥混合→加壓成型→冷卻包裝 　　熱成型技術(shù)發(fā)展到今天，已有各種各樣的成型工藝問世，總的看來可以根據(jù)原料被加熱的部位不同，將其劃分為兩類:一是原料只在成型部位加熱，成為非預(yù)熱熱壓成型工藝;二是原料在進(jìn)入壓縮結(jié)構(gòu)之前和在成型部位分別加熱，成為預(yù)熱熱壓成型工藝。兩種不同之處在于預(yù)熱熱壓工藝在原料進(jìn)入成型機(jī)之前對其進(jìn)行了預(yù)熱處理;但是從實際應(yīng)用情況看，非預(yù)熱熱壓成型工藝占主導(dǎo)地位。 　　4．2常溫成型工藝 　　此工藝為在常溫先將生物質(zhì)燃料顆粒高壓擠壓成型的過程。常溫成型工藝一般需要很大的成型壓力，可在成型過程中加入一定的黏結(jié)劑。如果黏結(jié)劑選擇不合理，會對成型燃料的特性有所影響。從環(huán)保角度，不加任何添加劑的常溫成型是現(xiàn)代的主流。 　　4．3其他成型工藝 　　除了上述主要成型工藝外，還有碳化成型工藝。該工藝可以分為兩類:一類是先成型后炭化;一類是先炭化后成型。先成型后炭化工藝流程為:原料→粉碎干燥→成型→炭化→冷卻包裝。 　　先用壓縮成型的機(jī)將松散碎細(xì)的植物廢料壓縮成具有一定密度和形狀的燃料棒，然后用炭化爐將燃料棒炭化成木炭。這種工藝具有實用價值。先炭化后成型工藝的工藝流程為:原料粉碎→粉碎除雜→炭化→混合粘結(jié)劑→擠壓成型→干燥→包裝。 　　5秸稈固化成型設(shè)備及常見機(jī)型 　　根據(jù)秸稈壓縮成型機(jī)工作原理的不同，可將秸稈固化成型技術(shù)分為3大類，即螺旋擠壓成型、活塞沖壓成型和環(huán)模滾壓技術(shù)。 　　螺旋擠壓成型是將已粉碎的秸稈，通過螺旋推進(jìn)器，連續(xù)不斷地推向錐形成型筒的前端，從而使秸稈成型。活塞沖壓成型時靠活塞的往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)的，在壓縮工程中，通過摩擦作用或外部加熱的方式，使秸稈黏結(jié)成型，成型溫度為140～200℃。環(huán)模滾壓成型的模具直徑較小，通常小于30mm，并且每一個壓膜盤片上有很多成型孔，主要用于生產(chǎn)顆粒成型燃料。 　　5．1螺旋擠壓式成型機(jī) 　　螺旋擠壓式成型機(jī)是最早研制生產(chǎn)的生物質(zhì)熱壓成型機(jī)。該機(jī)以運(yùn)行平穩(wěn)、生產(chǎn)連續(xù)等特性在市場中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。但主要有兩個問題制約其發(fā)展:一是成型部件，尤其是螺桿磨損嚴(yán)重，使用壽命短;二是單位產(chǎn)品能耗高，并且生產(chǎn)率相對較低，成型過程對物料含水率，顆粒大小等有嚴(yán)格要求，因此成型工藝不好掌握。 　　5．2柱塞沖壓式成型機(jī) 　　柱塞沖壓式成型機(jī)通常不用加熱，原料的成型是靠柱塞的往復(fù)運(yùn)動實現(xiàn)的，通常用于生產(chǎn)燃料棒或燃料塊，允許原料含水率高達(dá)20%左右，粒度范圍也相對較廣。與螺旋擠壓式成型機(jī)相比，其明顯改善了成型部件磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，使其使用壽命有所提高，單位產(chǎn)品能耗也有所下降，但由于存在較大的振動負(fù)荷，所以一方面造成機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定性差，另一方面導(dǎo)致噪音較大，另外還存在潤滑油污染較嚴(yán)重等問題。 　　5．3輥壓式顆粒成型機(jī) 　　輥壓式顆粒成型機(jī)主要用于生產(chǎn)顆粒狀成型燃料，不用電加熱，這種機(jī)型具有構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)緊湊和使用方便等特點。 　　壓輥式成型機(jī)的基本工作部件由壓輥和壓模組成。其中，壓輥可以繞自己的軸轉(zhuǎn)動，壓模上加工有成型孔，原料進(jìn)入壓輥和壓模之間，在壓輥的作用下被壓入成型孔內(nèi)。從成型孔內(nèi)壓出的原料就變成圓柱形或棱柱形，最后用切刀切成顆粒狀成型燃料。根據(jù)壓模形狀的不同，此類成型機(jī)可分為平模成型機(jī)和環(huán)模成型機(jī)。生物質(zhì)顆粒燃料體積較小，燃燒速率均勻，燃料補(bǔ)給和連續(xù)進(jìn)料容易實現(xiàn)和控制。 　　6存在問題及解決途徑 　　目前，我國采用的生物質(zhì)固化成型燃料的形狀主要有棒狀、塊狀和顆粒狀。這幾種形狀燃料的加工方法均為傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，普遍存在著設(shè)備能耗過高、磨損嚴(yán)重和使用壽命短等問題。 　　以生產(chǎn)顆粒狀燃料方法為例，它與現(xiàn)有的生產(chǎn)顆粒狀飼料的方法相似，即原料從設(shè)備環(huán)模內(nèi)部加入，經(jīng)壓輥碾壓擠出環(huán)模而成顆粒狀。該工藝流程需要消耗大量能量，首先是顆粒壓制成型過程中，壓強(qiáng)達(dá)到50～100MPa，原料在高壓下發(fā)生變形、升溫，溫度可達(dá)100～120℃，電動機(jī)的驅(qū)動需要消耗大量的電能;其次是原料的含水率要求在12%左右，為了達(dá)到這個含水率，很多原料要烘干以后才能用于制粒;再者是壓制出來的熱顆粒需要冷卻，然后才能進(jìn)行包裝，這些工藝流程均需消耗大量能量。 　　要解決上述問題，可通過下列途徑:一是加大科研投入，積極研發(fā)新工藝和新設(shè)備，降低能耗，減少生產(chǎn)成本;二是引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備，消化吸收，形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn);三是政府扶持，對研制開發(fā)單位和用新型生物質(zhì)能用戶進(jìn)行補(bǔ)貼，降低產(chǎn)品使用成本。 　　7結(jié)論 　　生物質(zhì)能作為一種可再生能源，具有取之不盡、用之不竭的特點。在當(dāng)今國際能源競爭日益激烈，傳統(tǒng)能源面臨枯竭的情況下，對于其有效開發(fā)利用，尋找一條見效快、方便可行、易于被廣大用戶接受的利用途徑，固化成型法是可行的;但還需進(jìn)一步研究生物質(zhì)致密成型設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)與不同生物質(zhì)原料的致密成型工藝與燃料品質(zhì)特性。 　　目前，生物質(zhì)致密成型機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定性差，存在較大的振動負(fù)荷，噪音較大，另外還存在潤滑油污染較嚴(yán)重等問題。因此，應(yīng)進(jìn)一步提高生物質(zhì)成型燃料關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)計、制造以及成型模具的耐磨性的水平。(王慶和　東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030;孫勇　黑龍江農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯154007)