生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究進展

煤、石油和天然氣等化石能源在為人類社會發(fā)展提供能源動力的同時，也對人類的生存環(huán)境造成了巨大的危害，如溫室效應、NO，排放、SO：排放和粉塵污染等。與此同時，人類社會也面臨著化石能源枯竭的問題，所以尋求開發(fā)新的能源，實現(xiàn)社會的可持續(xù)發(fā)展也日益受到世界各國的重視。生物質(zhì)能源作為一種可再生的清潔能源，有著良好的發(fā)展前景。美國國家科學院在《1985～2010年的能源轉(zhuǎn)換》中明確指出：“到2010年，大規(guī)模生物質(zhì)轉(zhuǎn)化所獲得的能量將是1985年能源總需求量的20倍”。我國也提出了“到2020年，可再生能源在能源構(gòu)成中的比例要占10％左右”的可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略。但是生物質(zhì)資源也具有能源密度低、可利用半徑小、生產(chǎn)具有季節(jié)性、存儲損耗大和存儲費用高的缺點。而生物質(zhì)壓縮成型，即生物質(zhì)致密成型是克服上述缺點的有效技術(shù)手段之一。 　　1 生物質(zhì)壓縮成型的理論依據(jù) 　　1962年德國的Rumpf針對不同材料的壓縮成型，將成型物內(nèi)部的粘結(jié)力類型和粘結(jié)方式分成5類：①固體顆粒橋接或架橋；②非自由移動粘結(jié)劑作用的粘結(jié)力；③自由移動液體的表面張力和毛細壓力；④粒子間的分子吸引力(范德華力)或靜電引力；⑤固體粒子間的充填或嵌合。 　　J.A.Lindley在對生物質(zhì)燃料壓縮成型的研究中指出，雖然成型物的密度和強度受溫度、含水量、壓力和添加劑等諸多因素影響，但實質(zhì)上，都可以用Rumpf所述的一種或一種以上的粘結(jié)類型和粘結(jié)力來解釋生物質(zhì)成型物內(nèi)部的成型機制。 　　一般認為，植物細胞中不僅含有纖維素、半纖維素，還含有木質(zhì)素，簡稱木紊。木素是具有芳香族特性的、結(jié)構(gòu)單體為苯丙烷型的立體結(jié)構(gòu)高分子化合物。在闊葉木、針葉木中干燥基木素含量為27％～32％，禾草中木素含量為14％～25％。雖然在各種植物中都含有木素，但它們的組成、結(jié)構(gòu)并不完全一樣。在常溫下木素不溶于任何有機溶劑。木素屬非晶體，沒有熔點，但有軟化點，當溫度為70～100℃時，粘合力開始增加。木素在適當溫度下(200～300℃)會軟化、液化，此時加以一定壓力使其與纖維素緊密粘接并與相鄰顆?；ハ嗄z接，冷卻后即可固化成型。 　　而纖維素是植物細胞壁的主要成分之一，它是由葡萄糖組成的線形高分子，呈白色，密度為1.50～1.56×103 kg／m3，比熱為1.33～1.38kg/(kg·K)。具有一定含水率的纖維素，在力的作用下可以形成一定形狀。纖維素的含量越高，說明植物細胞機械組織越發(fā)達，顆粒成型時就需要更大的壓力。生物質(zhì)內(nèi)纖維素含量決定了其成型的難易程度。 　　2生物質(zhì)壓縮成型的影響因素 　　生物質(zhì)壓縮成型的主要影響因素是溫度、壓力、成型過程的滯留時間、物料含水率和物料顆粒度。 　　加熱使生物質(zhì)物料達到一定的溫度，其主要作用為：①使生物質(zhì)中的木素軟化、熔融而成為粘結(jié)劑；②使所壓縮燃料的外表層炭化，在通過模具或通道時能夠順利滑出而不會粘連，減少擠壓動力消耗，因為生物質(zhì)炭化產(chǎn)物具有部分石墨屬性，而石墨是很好的固體潤滑劑；③提供物料分子結(jié)構(gòu)變化所需的能量。 　　但是成型物料的溫度過高，可使其水分氣化，揮發(fā)分大量釋放，導致成型物料疏松斷裂，成型失敗。對生物質(zhì)物料施加壓力的主要目的是：①破壞物料原來的物相結(jié)構(gòu)，組成新的物相結(jié)構(gòu)；②加強分子問的作用力，使物料變得致密均實，以增強型體的強度和剛度；③為物料在模內(nèi)成型及推進提供動力。 　　成型物料形狀保持不變后，其在模具內(nèi)所受的壓應力隨時間的增加而逐漸減小。因此，必須有一定的滯留時間，以保證成型物料中的應力充分松弛，防止擠壓出模后產(chǎn)生過大的膨脹，也可使物料有較長時間進行熱交換。 　　物料的含水率對成型影響也較大。含水率過高，擠壓過程中物料的水分要受熱蒸發(fā)，大量的水蒸汽通過成型筒迅速排放，導致成型失敗，嚴重時可以導致”放炮”現(xiàn)象，即水的瞬間氣化現(xiàn)象。含水率過低則不利于木素的塑化和熱量的傳遞。因為水分可以降低木素軟化和液化的溫度，提高成型物料的表觀導熱系數(shù)，均勻成型物料的溫度場。 　　此外，物料的顆粒度也對成型有著重要的影響。構(gòu)成生物質(zhì)成型塊的主要物質(zhì)形態(tài)為不同粒徑的粒子，粒子在壓縮過程中表現(xiàn)出的充填特性、流動特性和壓縮特性對生物質(zhì)的壓縮成型有很大的影響。通常生物質(zhì)壓縮成型分為2個階段。第一階段，在壓縮初期，較低的壓力傳遞至生物質(zhì)顆粒中，使原先松散堆積的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)開始改變，生物質(zhì)內(nèi)部空隙率減少。第二階段，當壓力逐漸增大時，生物質(zhì)大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細小的粒子，并發(fā)生變形或塑性流動。此時粒子開始充填空隙，粒子間更加緊密地接觸而互相嚙合，一部分殘余應力貯存于成型塊內(nèi)部，使粒子間結(jié)合更牢固。構(gòu)成成型塊的粒子越細小，粒子問的充填程度就越高，接觸就越緊密；當粒子的粒度小到一定程度(幾百至幾微米)后，成型塊內(nèi)部的結(jié)合力方式和主次甚至也會發(fā)生變化，粒子間的分子引力、靜電引力和液相附著力(毛細管力)開始上升為主導地位。根據(jù)研究，成型塊的抗?jié)B水性和吸濕性都與粒子的粒徑有密切關(guān)系，粒徑小的粒子比表面積大，成型塊容易吸濕回潮；但與之相反的是，由于粒子的粒徑變小，粒子間空隙易于充填，可壓縮性變大，使得成型塊內(nèi)部殘存的內(nèi)應力變小，從而削弱了成型塊的親水性，提高了抗?jié)B水性。 　　3生物質(zhì)壓縮成型的機械設備 　　目前世界各地研制生產(chǎn)的生物質(zhì)壓縮成型機械設備按照產(chǎn)品形態(tài)主要分為2大類，一類是壓縮塊，另一類是壓縮粒。而按照機械作用原理又可以分為3類，即螺旋壓縮成型、活塞壓縮成型和模壓成型，現(xiàn)分述如下。 　　螺旋壓縮成型機械最早是由美國開發(fā)研制并實際應用的，其原理如圖1所示。成型原料依靠重力落入螺旋壓縮成型機械中，錐形螺桿在其他動力機械的帶動下，推動成型原料進入橫截面積漸漸變小的壓縮成型筒內(nèi)，成型物料在錐形螺桿和壓縮成型筒的作用下，內(nèi)壓應力越來越大，在壓縮成型筒的頂端達到最大內(nèi)壓應力而成型，再經(jīng)過一段應力松弛段，被推出螺旋壓縮成型機械，成為成型物料。 　　為了降低螺旋壓縮成型設備的功耗，可以在成型原料中加人粘結(jié)劑。物料在高壓下密度增大，并在粘結(jié)劑的作用下成型。為了避免使用添加劑導致的用戶對燃燒效率下降和污染物排放增加的擔心，又開發(fā)了加熱螺旋壓縮技術(shù)，即在螺旋壓縮機壓縮成型筒外設置一加熱裝置，使生物質(zhì)中的木素受熱塑化后具有粘性，從而降低螺旋壓縮成型設備的功耗，其原理如圖2所示。加熱螺旋壓縮成型設備過去以電加熱設備為主要加熱元件，現(xiàn)在以導熱油為加熱介質(zhì)的加熱螺旋壓縮成型設備已經(jīng)開發(fā)出來，避免了電加熱設備容易漏電、加熱段筒壁過厚導致的大傳熱阻力等缺點。為了縮短加熱段長度，可以在壓縮原料進入壓縮成型筒之前就進行部分加熱處理，即預熱，也稱為具有預熱的加熱螺旋壓縮成型。 　　木材廢料一般難壓縮，在壓力作用下變形較小，而纖維狀植物秸稈容易壓縮，在壓力作用下變形較大。在常溫不加熱條件下進行壓縮成型時，較難壓縮的原料就不易成型，容易壓縮的原料則成型也較為容易；但在加熱的條件下進行壓縮成型時，木材廢料雖然難于壓縮，但其本身的木素含量高，在高溫下能起粘結(jié)作用，成型反而容易，而植物秸稈等原料的木素含量低，粘結(jié)能力弱，因此不易成型。 　　螺旋壓縮成型機械的另一個缺點是錐形螺桿與成型原料之間工作時處于干摩擦狀態(tài)，導致普通材質(zhì)的螺桿的使用壽命很短，而噴涂、堆焊和高耐磨材質(zhì)的使用可以提高錐形螺桿的使用壽命。 　　為了避免錐形螺桿干摩擦損耗，又開發(fā)出了如圖3所示的活塞壓縮成型技術(shù)。根據(jù)推動活塞的裝置的不同，活塞壓縮成型技術(shù)又分為飛輪活塞壓縮和液壓活塞壓縮2種。飛輪活塞壓縮依靠存儲于飛輪中的轉(zhuǎn)動動能壓縮成型原料，但其設備龐大，震動強烈而且噪音劇烈，推廣和應用都有一定困難。液壓活塞壓縮裝置則避免了飛輪活塞壓縮設備的上述缺點，但是由于生物質(zhì)壓縮成型時，物料表觀密度增加很多，因此液壓機械行程很大，導致液壓活塞壓縮裝置生產(chǎn)率不高。 　　目前使用的模壓顆粒機主要有平模顆粒機和環(huán)模顆粒機2種，都是根據(jù)飼料顆粒成型機改造而來的。其原理分別如圖4和圖5所示。 　　環(huán)模顆粒機產(chǎn)量大，耗電少，這是平模顆粒機無法比擬的。而平模顆粒機由于轉(zhuǎn)速低于環(huán)模顆粒機等原因，使得其產(chǎn)量小于環(huán)模顆粒機，同時由于其轉(zhuǎn)速低壓力大，因此壓制的顆粒密度很大。而對于木屑、秸稈等難成型的粗纖維，則正需要很大的壓力。環(huán)模顆粒機由于其結(jié)構(gòu)限制，壓力不可調(diào)，壓制這些物料時就會超出壓力負荷，導致模具壓輪軸承磨損或壞掉。而平模顆粒機結(jié)構(gòu)簡便，壓力可調(diào)，產(chǎn)量穩(wěn)定，顆粒密度大，并且模具正反2面都可以使用。同時，平模壓輪直徑的大小不受模具直徑限制，可以加大內(nèi)裝軸空間，選用大號軸承增強壓輪的承受能力，既提高了壓輪的壓制力又延長了使用壽命。 　　對比平模顆粒飼料機，生物質(zhì)燃料成型機的設備損耗比較嚴重，這主要是由于成型原料所致。麥秸稈、水稻稈等生物質(zhì)含有大量的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，它們之間的聯(lián)系是很緊密的，磨具在對這些原料擠壓時，要克服很大的應力，所以就會使磨具磨損很嚴重。 　　4生物質(zhì)壓縮成型的發(fā)展趨勢 　　生物質(zhì)壓縮成型克服了生物質(zhì)資源密度低、可利用半徑小、生產(chǎn)具有季節(jié)性、存儲損耗大和存儲費用高的缺點，但是雖然經(jīng)過幾十年的理論探索和工程實踐，卻仍然沒有解決生物質(zhì)壓縮成型設備磨損嚴重和功耗較大的問題。 　　回顧生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的發(fā)展歷程，展望生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的發(fā)展趨勢，可以看出，液壓壓縮成型設備磨損小，運行噪音低，同時加熱壓縮成型表面炭化技術(shù)可以降低成型原料與設備之間的摩擦阻力，其技術(shù)本身也可以降低生物質(zhì)壓縮成型所需要的壓縮功，從而有效降低設備功耗。如果液壓壓縮成型能夠克服液壓設備行程長所導致的生產(chǎn)率低的缺點，加熱壓縮成型能夠避免過度加熱導致的醛類釋放污染，兩者有機集合，將會開拓一個生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的新思路。李源，張小輝，郎威，王啟民