大粒徑生物質(zhì)成型燃料物理特性的研究

摘要：以華北產(chǎn)量較大的玉米秸稈、大豆秸稈為原料，采用HPB—III改進型生物質(zhì)秸稈成型機，就大粒徑秸千1：粒度、含水率等對成型密度、抗水性影響因素進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，原料含水率在8％～15％時均很容易壓縮成型，在l2％左右成型效果最佳，成型密度接近或大于1g•cm。經(jīng)抗水性試驗發(fā)現(xiàn)其耐水浸蝕性能好，玉米秸稈成型燃料最長達300h，便于儲存、處理及運輸。從成型燃料專用燃燒設(shè)備燃燒試驗看到，該成型燃料燃燒充分，燃燒效率超過98％，最高燃燒溫度1100℃以上，燃燒過程飛灰少，不結(jié)渣或輕微結(jié)渣。 　　目前，不少農(nóng)村大量燃用液化氣、煤炭等礦物能源燃料，使得農(nóng)林廢棄物、農(nóng)作物秸稈、糠渣、谷殼的剩余量越來越大。這些廢棄生物質(zhì)體積密度小，占用空間大，到處堆積，銷毀處理不易，掩埋困難，荒燒又會嚴重破壞農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。為此，科研人員研究了多種生物質(zhì)處理及再利用技術(shù)，其中生物質(zhì)壓縮成型就是比較成熟的技術(shù)之一。生物質(zhì)秸稈收割后經(jīng)過干燥、粉碎，再經(jīng)生物質(zhì)成型設(shè)備擠壓成棒狀、塊狀或顆粒等成型燃料，其密度可達0．8～1．35g•cm，體積壓縮比7～l0倍，便于儲存、處理和運輸。 　　現(xiàn)有的國內(nèi)外生物質(zhì)成型工藝絕大多數(shù)要先將秸稈粉碎至極為細小的顆?；蚍勰?，然后經(jīng)成型設(shè)備壓縮成型，否則不能成型或難以成型。作者利用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HPB—III型生物質(zhì)秸稈成型設(shè)備進行粗大秸稈擠壓成型試驗，將原料的粒度大大放寬，粗大玉米秸稈只需簡單切碎，對麥秸、豆秸、稻殼、花生殼等直徑小于1cm、長度小于25cIn的大粒徑松軟生物質(zhì)秸稈，不需要粉碎便可輸入成型機擠壓出成型燃料。 　　不但降低了粉碎秸稈的能耗，減少了生產(chǎn)環(huán)節(jié)，還有效地提高了生產(chǎn)效率。由于擠壓時高溫高壓調(diào)整了原生物質(zhì)含水率，改變了其分子結(jié)構(gòu)，成型后生物質(zhì)內(nèi)部空隙率大大減少，揮發(fā)分被濃縮，容積密度增大，從而改善了生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性。 　　作者利用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點實驗室研制的生物質(zhì)成型燃料專用鍋爐對產(chǎn)品進行的燃燒試驗表明，成型燃料點火容易，燃燒過程無粉塵污染，燃燒效率高，達到與中質(zhì)煙煤的相當?shù)娜紵Ч?，生態(tài)效益尤其顯著。我國的生物質(zhì)能利用超過全國總能源消耗的40％，在農(nóng)村基本用能90％以上是由生物質(zhì)能源提供的J。生物質(zhì)秸稈成型燃料市場潛力巨大，作為清潔能源替代礦物燃料J，不但可以緩解能源危機，減輕環(huán)境污染，同時為改善農(nóng)民生活條件及農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、增加農(nóng)民經(jīng)濟收入、支援“三農(nóng)”建設(shè)提供了新的技術(shù)途徑。 　　1試驗材料與方法 　　1．1準備試驗原料 　　試驗采用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科教園提供的本年度收割成熟玉米秸稈、大豆秸稈，自然風(fēng)干至含水率25％以下，然后應(yīng)用改進的臥式錘片粉碎機將玉米秸稈切碎，要求粉碎后秸稈長度不大于25cm便可入倉備用；大豆秸稈抽出籽粒時已被太陽光干燥，碾壓后絕大部分秸稈粒度已滿足成型要求，可不粉碎。試驗前將原料從倉庫取出分組晾曬或用烤箱烘干，使含水率分別控制在8％、12％、15％、18％和21％，用塑料袋分裝、密封待用。 　　1．2主要試驗設(shè)備 　　1．2．1成型設(shè)備 　　主要包括電機、液壓系統(tǒng)、活塞沖桿、成型套簡和電加熱圈等部分。HPB—III型成型機額定壓力31．5MPa，正常工作壓力25MPa，生產(chǎn)能力根據(jù)原料不同最高可達600kg•h，主電機功率18．5kW，成型套筒外輔4kW電加熱套，由熱電偶與控制柜聯(lián)結(jié)并指示加熱溫度，另外配有自動輸送上料機等輔助系統(tǒng)。 　　1．2．2生物質(zhì)燃燒鍋爐 　　采用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點實驗室自行研制的88kW生物質(zhì)成型燃料鍋爐對成型燃料的燃燒性能進行測試。 　　1．2．3其他儀器和設(shè)備 　　IRT-2000A手持式快速紅外測溫儀；KM9106綜合煙氣分析儀；3012H型自動煙塵測試儀；游標卡尺、秒表、烘干箱、磅稱、電子天平等。 　　1．3熱壓成型機理與試驗方法 　　植物細胞中含有纖維素、半纖維素，還有木質(zhì)素。秸稈中木質(zhì)素含量為14％～25％。木質(zhì)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，在植物細胞中，有增強細胞壁、粘合纖維的作用。木質(zhì)素屬于非晶體，在常溫下，其主要部分不溶于任何溶劑，也沒有熔點，但有軟化點，當溫度達到70℃～110℃時，粘結(jié)力增加，在200℃～300℃的高溫條件下，木質(zhì)素將會軟化、液化，此時加以一定的壓力使其與纖維素緊密粘結(jié)，內(nèi)部相鄰生物質(zhì)顆粒相互膠合，外部析出焦油或焦化，冷卻后即可成型而不會散開。由于秸稈中木質(zhì)素的這種特性，秸稈的熱壓成型可不需任何添加劑或粘結(jié)劑，不僅降低生產(chǎn)成本，還由于高溫下析出物的潤滑作用而減小了成型所需壓力，從而使能耗大大降低。 　　工作時，主電機啟動，帶動液壓泵輸出液力(額定壓力31．5MPa)，由電液閥控制油缸驅(qū)動雙向活塞沖桿往復(fù)運動。在指示溫度220℃～260℃時，喂人料經(jīng)送料帶自動送人喂料斗，攪拌電機驅(qū)動攪龍將喂人料推人預(yù)壓缸一次壓縮，隨后一次壓縮料被推人成型套筒，正常工作達到壓力25MPa(壓力表讀數(shù))，由雙沖桿油缸驅(qū)動活塞擠壓一次壓縮料再次壓縮，并將棒狀成型燃料推出成型套筒，套筒內(nèi)徑為50～120mm可調(diào)，本次試驗使用內(nèi)徑120mm的成型套筒。 　　為了確定成型燃料的穩(wěn)定性和松弛密度，成型燃料從成型套筒推出1min后立即用游標卡尺測量其直徑和長度，然后將其在室溫條件下裸露放置3周(室內(nèi)相對濕度為60％～75％，室內(nèi)環(huán)境溫度28℃～32℃)，再測量1次；取含水率不同的5塊成型樣本分別測量，然后取其平均值，隨后對成型燃料進行抗水性試驗。 　　2試驗結(jié)果與討論 　　2．1含水率對松弛密度的影響 　　在合適的溫度及壓力下壓縮的成型燃料，原料含水率會對其成型密度產(chǎn)生影響。成型塊推出壓模后含水率會發(fā)生變化，隨著放置時間的延長而趨于相近。當成型塊從成型套筒推出lmin后，立即用游標卡尺測量其直徑和長度，同時稱其質(zhì)量，然后在室溫28℃、相對濕度70％條件下，裸露室內(nèi)放置3周，待其體積、質(zhì)量基本穩(wěn)定后再測量1次，此時測得的密度稱為松弛密度。為了保證測量數(shù)值準確，取原料含水率分別是8％、12％、15％、18％和21％，直徑為120mm、長度為100mm的成型燃料各5塊，分組測量取其平均值，并計算密度變化率。這里密度變化率定義為： 　　含水率對松弛密度的影響見表1。由表1可知，松弛密度及密度變化率受含水率的影響變化很明顯。一般認為，松弛密度大于或接近1g·om的成型燃料無論對于燃燒、儲存、運輸都是比較理想的。當含水率大約為12％時，成型密度最大，密度變化率最小，原料的含水率為8％～15％時均可得到較理想的成型密度。含水率過高或過低，均不易成型，不但動力消耗大，生產(chǎn)率大大降低，而且難以存放。含水率過低的成型燃料，容易吸空氣中水分導(dǎo)致脹裂變形；若含水率較高，由于傳熱系數(shù)增大，電熱損失增加，還會導(dǎo)致成型后耐久性差，甚至由于內(nèi)部高壓水蒸汽而脹裂、爆裂散開，還常常會發(fā)生“放炮”現(xiàn)象。 　　2．2成型燃料的抗水性 　　成型燃料的抗水能力是評價其穩(wěn)定性的一個重要指標，耐水浸能力差的成型燃料會給運輸、儲存帶來麻煩，需要增加防水防潮投資。試驗證明大粒徑秸稈加工成型燃料的耐水性優(yōu)于細小粉粒加工而成的成型燃料，而且抗沖擊能力強。 　　任意取露天放置3周后的不同原料含水率、相近長度的成型物放入水池中(為了便于試驗，成型燃料長度不大于100mil1)，添加自來水浸沒試驗物，觀察并記錄成型燃料的脹裂、散開時間，結(jié)果如圖3。從圖3看出，相同含水率的玉米秸稈成型燃料抗水侵蝕時間長于大豆秸稈成型燃料，最久可持續(xù)300h以上不散開，含水率過高、過低的成型燃料其耐水性能差，原料含水率大于21％的成型燃料在水中不到1h就膨脹、松散。這種大粒徑原料壓縮成的成型燃料的耐水浸時間遠遠長于其他成型產(chǎn)品。主要原因是：①成型時大粒徑秸稈的長纖維沒有被破壞，多數(shù)纖維相互膠合、絞連在一起；②200cI=以上的高溫會使生物質(zhì)與成型套筒在接觸面析出蠟質(zhì)或形成焦化層，阻止水分浸入；③成型密度較大，空隙率大大縮小，成型燃料結(jié)構(gòu)密實；④玉米秸稈木質(zhì)素含量比大豆秸稈少。纖維素及半纖維素多，空隙率高，受力均勻易于壓實。 　　2．3燃燒特性試驗 　　經(jīng)試驗測得成型燃料與原生物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)沒有明顯的變化，只是物理結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，導(dǎo)致燃燒特性出現(xiàn)較大的差異。根據(jù)GB／T15137—1994(32業(yè)鍋爐節(jié)能監(jiān)測方法》、GB5468—91《鍋爐煙塵測試方法》及GWPB3—1999(鍋爐大氣污染物排放標準》，參照國家標準GB212—91《煤的工業(yè)分析方法》和GB5186《生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測試方法》，對該生物質(zhì)成型燃料成分分析以及發(fā)熱量、灰分、燃燒性能、環(huán)保指標等進行測驗。 　　2．3．1成型燃料工業(yè)及化學(xué)分析 　　參照國家標準GB212—91《煤的工業(yè)分析方法》和GB5186(生物質(zhì)燃料發(fā)熱量測試方法》，對成型燃料進行工業(yè)分析和元素分析，所得各成分空氣干燥基的質(zhì)量百分比及發(fā)熱量見表2與表3?？梢钥闯?，生物質(zhì)成型燃料的揮發(fā)分遠遠高于煤，灰分和含碳量小于煤，這些特點決定了生物質(zhì)秸稈成型燃料燃燒時與煤相比具有易燃燒、低污染等特性。 　　2．3．2秸稈成型燃料燃燒性能 　　為了取得真實的燃燒效果、可靠的試驗數(shù)據(jù)，本試驗采用在實用鍋爐中進行燃燒性能試驗的方式，所用鍋爐為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點實驗室自行研制的生物質(zhì)成型燃料專用鍋爐。該生物質(zhì)成型燃料鍋爐采用雙層爐排、風(fēng)機強制對流、上燃下吸式燃燒，屬于常壓熱水鍋爐，設(shè)計功率88kW，每小時燃燒消耗成型燃料20～27kg。 　　2．3．2．1點火性能 　　取含水率8％的2種成型燃料各100kg，每次試驗取其中一種20kg左右加入上爐膛，用少許稻草引燃。秸稈成型燃料特點是揮發(fā)分高而空隙率低、結(jié)構(gòu)密實，其組織結(jié)構(gòu)限制揮發(fā)分由內(nèi)向外的析出速度，熱量由外向內(nèi)的傳播速度減慢，由于與氧接觸面減少，使得點火所需的氧原生物質(zhì)點火有所減少，因此其點火性能比原生物質(zhì)有所降低，但遠遠高于型煤的點火性能?？偟恼f來，生物質(zhì)成型燃料的點火特性更趨于生物質(zhì)點火特性，影響成型燃料點火的主要因素有松弛密度、生物質(zhì)種類、成型燃料幾何尺寸等，松弛密度越小、燃料揮發(fā)分越高而空隙率越低點火越容易，反之點火性能降低。無論何種成型燃料，其點火時間均比型煤引燃時間短數(shù)倍，其點火溫度與原生物質(zhì)相比略有提高，但遠低于型煤。 　　2．3．2．2燃燒過程 　　秸稈成型燃料燃燒時，它仍不失生物質(zhì)秸稈的燃燒特性。整個燃燒過程大致為揮發(fā)物燃燒——表面焦炭過渡區(qū)燃燒——滲透擴散燃燒——灰塊形成4個階段。其實質(zhì)屬于靜態(tài)滲透式擴散燃燒。 　　首先，成型燃料燃表面可燃揮發(fā)物析出并開始燃燒，進行可燃氣體和氧氣的熱化學(xué)反應(yīng)，此時燃燒屬于動力區(qū)：燃燒持續(xù)10min左右，可燃揮發(fā)物燃燒速度較快，形成藍色并略帶淺橙色的中長火焰；隨后，成型燃料表層部分的碳開始燃燒，外焰紅色加重，成橙紅色火焰，燃燒速度變慢；燃燒又持續(xù)10min左右，紅色漸褪，藍色、橙色變多，漸漸形成藍色外焰包圍著黃色火苗的火焰；又燃燒5min左右，火苗藍色變少，火焰變短，這時明火較多，形成紅色火焰。 　　接著，燃燒逐漸向成型燃料更深層——焦炭層滲透擴散，進人靜態(tài)滲透區(qū)：CO氣體向外擴散，不斷與O2結(jié)合生成CO2，大約經(jīng)過15min后，成型燃料表面生成薄灰殼，外層包圍著藍色短火焰，藍色火焰又被內(nèi)部溢出的揮發(fā)分燃燒形成的黃色長火焰包圍；隨著時間的推移，成型燃料進一步向更深層發(fā)展，在層內(nèi)主要進行碳燃燒(即C+O2=CO)，在燃料表面進行一氧化碳的燃燒(即CO+O2=CO2)，這時藍色火焰消失，形成紅色的中長火焰，火焰逐漸變短。這一階段燃燒溫度達到最高，大約持續(xù)30min。 　　最后，燃料中剩余碳繼續(xù)燃燒：這時可燃物基本燃盡，燃料塊形成一個整體的火球，隨著燃料繼續(xù)燃燒，火焰逐漸變短，火焰顏色逐漸變暗，直至灰球表面看不出火焰，灰球變成一團暗紅色灰塊，然后封火保溫并記錄試驗數(shù)據(jù)。 　　試驗發(fā)現(xiàn)，一次加入成型燃料塊燃燒持續(xù)時間超過60min，穩(wěn)定燃燒時最高溫度超過11O0℃，整個過程溫度變化如圖4。圖中曲線變化說明：由于含碳量高，大豆秸稈成型燃料最高溫度高于玉米秸稈成型燃料；揮發(fā)分高、成型密度大導(dǎo)致玉米秸稈成型燃料點火溫度低于大豆秸稈成型燃料，但穩(wěn)定燃燒持續(xù)時問長；低空隙率使大豆秸稈成型燃料保溫時間長且封火溫度高于玉米秸稈成型燃料。 　　2．3．2．3煙塵及結(jié)渣分析 　　待成型燃料充分燃燒后，應(yīng)用KM9106綜合煙氣分析儀測得煙塵中的CO、CO2、SO2、NOx體積百分比分別為CO<0．3％，5．9 　　燃燒灰渣與結(jié)渣情況也是衡量燃料優(yōu)劣的重要參數(shù)。由于秸稈灰分低，秸稈成型燃料燃燒后灰渣所占比例一般不超過其重量的10％。燃料燃燒時如果結(jié)渣嚴重則降低燃料燃燒效率，不利于鍋爐正常運行。結(jié)渣性能除了受生長秸稈的土質(zhì)1．05g·cm的成型燃料燃燒時，由于燃料密度大，燃燒持續(xù)時間長，造成爐膛中心溫度較高，容易結(jié)渣，但結(jié)渣率與型煤相比仍然是很小的。松弛密度對結(jié)渣影響曲線如圖5。 　　由圖5不難看出，密度越大越易結(jié)渣，松弛密度在1g·cm左右是比較理想的成型燃料。 　　3結(jié)論與建議 　　(1)未經(jīng)粉碎的大粒經(jīng)秸稈同樣可以壓縮為成型燃料，而且減少設(shè)備造價，簡化加工工藝，易操作、能耗低，產(chǎn)品的密度適中，易燃燒；與粉碎為細微顆粒再成型相比，生產(chǎn)原料的含水率進一步放寬。 　　(2)大粒經(jīng)秸稈壓縮的成型燃料的抗水浸蝕時間比粉碎為顆粒成型產(chǎn)品顯著延長，可以有效降低儲存、運輸費用。 　　(3)大粒經(jīng)秸稈壓縮的成型燃料燃燒性能優(yōu)于原生物質(zhì)、低粉塵、無污染、基本無CO、SO：、NO等有害氣體排放，COz被植物吸收再利用，重新進入碳循環(huán)，秸稈成型燃料燃料屬于綠色環(huán)保燃料。 　　(4)作為成型燃料，從成型壓力(生產(chǎn)動力)、燃燒狀況等因素分析，壓縮密度不宜過大，以松弛密度在1g·cm左右為宜，選用大粒經(jīng)生物質(zhì)生產(chǎn)成型燃料易于滿足成型工藝要求。樊峰嗚，張百良，李保謙，劉圣勇（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點實驗室，河南鄭州450002）