首頁 > 行業(yè)資訊

生物質(zhì)燃料固化成型工藝研究

來源:新能源網(wǎng)
時(shí)間:2015-08-04 22:58:34
熱度:

生物質(zhì)燃料固化成型工藝研究【摘要】生物質(zhì)成型燃料作為生物質(zhì)能源,具有原料來源廣泛、可再生、清潔等優(yōu)點(diǎn),最近幾年得到了快速發(fā)展,目前我國也出臺了很多相關(guān)政策,為它的發(fā)展提供了良好的環(huán)

【摘要】生物質(zhì)成型燃料作為生物質(zhì)能源,具有原料來源廣泛、可再生、清潔等優(yōu)點(diǎn),最近幾年得到了快速發(fā)展,目前我國也出臺了很多相關(guān)政策,為它的發(fā)展提供了良好的環(huán)境。根據(jù)中國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀,對技術(shù)、設(shè)備、資源等影響產(chǎn)業(yè)化的主要因素進(jìn)行分析,研究了生物質(zhì)固化成型燃料的各種工藝參數(shù)和研究現(xiàn)狀。   我國生物質(zhì)(鋸屑、稻殼、樹枝、秸稈等)資源豐富,總量達(dá)9億多噸,但存在能源密度低、生產(chǎn)具有季節(jié)性、資源分散、運(yùn)輸難、儲存損耗大等缺點(diǎn),成為制約我國生物質(zhì)規(guī)?;玫闹饕款i。生物質(zhì)固化成型技術(shù)是指具有一定粒度的農(nóng)林廢棄物干燥后在一定的壓力作用下,可連續(xù)擠壓制成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料的加工工藝,該技術(shù)大大提高了單位體積燃料的品質(zhì),便于貯存和運(yùn)輸。   目前,我國生物質(zhì)成型技術(shù)已取得了很大進(jìn)展,但是仍存在著單位產(chǎn)量能耗大、設(shè)備可靠性差等缺點(diǎn)。本文主要研究了生物質(zhì)成型的各種工藝參數(shù),為延長生物質(zhì)成型設(shè)備使用壽命,降低能源消耗提供參考。   1生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)   1.1生物質(zhì)成型原理   植物細(xì)胞中含有纖維素、半纖維素和一定量的木質(zhì)素。其中具有一定含水率的纖維素在力的作用下可以形成一定的形狀,而木質(zhì)素具有膠黏作用。當(dāng)溫度達(dá)到70~100℃時(shí),木質(zhì)素開始軟化,并有一定的黏度,當(dāng)達(dá)到200~300℃時(shí),呈熔融狀,黏度變高,此時(shí)若施加一定的外力,可使它與因受熱分子團(tuán)變形的纖維素緊密粘結(jié),并與相鄰顆?;ハ嗄z接,使體積變小,密度增大,取消外力后,由于非彈性或粘彈性的纖維分子間的相互纏繞和絞合,其仍能保持給定形狀,冷卻后強(qiáng)度進(jìn)一步增加,成為成型燃料。   1.2影響生物質(zhì)成型的因素   影響生物質(zhì)燃料壓縮成型的因素很多,主要有生物原料本身(包括原料種類、粒度、含水率等)、成型壓力、成型溫度、成型模具形狀及尺寸、壓縮方式、成型工藝、成型過程的滯留時(shí)間、粘結(jié)劑等。   由于生物質(zhì)材料的種類和成分不同,受壓縮方式和壓縮條件的影響,成型燃料的品質(zhì)特性存在較大差異。生物質(zhì)成型燃料的品質(zhì)特性主要有燃燒特性和物理特性,物理品質(zhì)特性直接決定了成型塊的使用要求、運(yùn)輸要求和貯藏條件。   1.2.1生物質(zhì)原料生物質(zhì)原料具有流動性差、相互牽連力大的特性,是成型喂入和壓縮的瓶頸。對于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度,壓縮特性有很大的差異,并對成型過程和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。   1.2.1.1原料種類不同種類的原料,其壓縮成型特性有很大差異。一般來說木材較難壓縮,而纖維狀植物秸稈等容易壓縮。在冷壓條件下,較難壓縮的原料不易成型,易壓縮的原料則較易成型。在熱壓條件下,像木材等雖然難于壓縮,但其纖維素含量高,在高溫條件下反而易成型,而植物秸稈等則不易成型。木質(zhì)素含量高的農(nóng)作物秸稈和林業(yè)廢棄物非常適合熱壓成型。生物質(zhì)內(nèi)纖維素含量決定了其成型的難易程度。   1.2.1.2原料粒度原料的粒度影響壓縮成型塊的質(zhì)量,也影響生產(chǎn)效率和能量消耗。一般來說,粒度小的原料容易被壓縮,粒度大的原料較難被壓縮。并且在相同的成型壓力下,原料粒度越小,成型后的燃料密度越大,成型效果越好;原料粒度較大時(shí),成型機(jī)不能有效地工作,使能耗大,產(chǎn)量小。   一般高壓設(shè)備(1000~1500bar)的顆??梢赃m當(dāng)大些,10mm左右為好;中、低壓設(shè)備的顆粒應(yīng)小些,但螺旋式設(shè)備的要求不能小于2mm,否則影響密度和生產(chǎn)率。木屑、稻殼等由于粒度細(xì)小,篩除雜物即可直接使用,秸稈、麥秸需經(jīng)專用設(shè)備粉碎,一般至粒度在10mm以下。   1.2.1.3原料含水率水分是原料中最好的傳熱介質(zhì),可以降低成型過程中木質(zhì)素軟化和液化的溫度,提高成型物料的表觀導(dǎo)熱系數(shù),均勻成型物料的溫度場。但當(dāng)水分含量過高,加熱過程產(chǎn)生的蒸汽不能從成型燃料中心孔排出,會造成燃料開裂,表面粗糙,甚至產(chǎn)生爆鳴等現(xiàn)象;而水分含量太低時(shí),不利于木質(zhì)素的塑化和熱量的傳遞,則成型困難。一般要求原料的含水率在15%~25%左右;對于棒狀成型燃料,要求原料的含水率不大于10%左右。活塞式成型機(jī)因其加工過程是間斷式的,因此可以適當(dāng)高些,為16%~20%。   1.2.2成型溫度加熱使生物質(zhì)物料達(dá)到一定的溫度,其主要作用為:①使生物質(zhì)中的木質(zhì)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,減少擠壓動力消耗;③提供物料分子結(jié)構(gòu)變化所需的能量。對于熱壓成型機(jī),一般溫度控制在150~300℃之間比較適宜,溫度過高,可使其水分氣化,揮發(fā)分大量釋放,導(dǎo)致成型物料疏松斷裂,成型失敗。   1.2.3成型壓力與模具類型成型壓力是生物質(zhì)原料固化成型的最基本條件。對生物質(zhì)原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(qiáng)分子間的作用力,使物料變得致密均實(shí);③為物料在模內(nèi)成型及推進(jìn)提供動力。隨著成型壓力的增大,成型塊物質(zhì)的結(jié)合力增大,結(jié)合強(qiáng)度提高,致密度大。同時(shí),考慮成型壓力過大對設(shè)備的要求相應(yīng)提高,而對提高成型塊性能不明顯,易造成能源浪費(fèi),選取成型壓力為60~90MPa較為經(jīng)濟(jì)適宜。   1.2.3.1模具尺寸“成型模”是生物質(zhì)成型的關(guān)鍵部件,模具的形狀尺寸與成型壓力有密切關(guān)系。因?yàn)榇蠖鄶?shù)成型機(jī)都采取擠壓成型的方式,即原料從成型模具的一端連續(xù)壓入,又從另一端連續(xù)擠出,這時(shí)原料擠壓所需要的成型壓力與容器內(nèi)壁面摩擦力相平衡,而摩擦力的大小與模具的形狀尺寸有直接關(guān)系。   1.2.3.2環(huán)模壓縮比環(huán)模壓縮比的大小決定了成型壓力的大小。植物秸稈等原料的纖維素含量少,受到外力擠壓時(shí)易發(fā)生形變,因此成型時(shí)所需的環(huán)模壓縮比小,即成型壓力較??;鋸末等的纖維素含量高,成型時(shí)所需的環(huán)模壓縮比大,即成型壓力較大。因而,用不同生物質(zhì)原料生產(chǎn)成型顆粒燃料,應(yīng)采用不同的環(huán)模壓縮比。植物秸稈等的壓縮比在9~12之間,木屑廢料等的壓縮比在5~9之間。   1.2.4成型過程的滯留時(shí)間成型物料形狀保持不變后,其在模具內(nèi)所受的壓應(yīng)力隨時(shí)間的增加而逐漸減小。因此,必須有一定的滯留時(shí)間,以保證成型物料中的應(yīng)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(shí)間進(jìn)行熱交換。   1.2.5添加劑生物質(zhì)在成型的過程中加入添加劑,以增加成型時(shí)的粘結(jié)力,減少動力輸入,同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)一些添加劑還能阻止燃料燃燒時(shí)結(jié)渣。S.P.Bhattaeharya研究表明,使用添加劑(如石英砂、石膏、膨潤土或粉煤灰等)能有效阻止生物質(zhì)灰結(jié)渣。[12]相對而言石膏和磷酸氫鈣的抗結(jié)渣特性較差,膨潤土的抗結(jié)渣特性較好,但是價(jià)格較為昂貴。添加劑一般都在予壓前輸送過程中加入,便于攪拌,在加入時(shí)一定注意均勻度,防止因比重不同造成不均勻聚結(jié)。   2生物質(zhì)壓縮成型的工藝參數(shù)   2.1生物質(zhì)壓縮成型工藝   按成型加壓的方法不同來區(qū)分,技術(shù)較成熟、應(yīng)用較多的技術(shù)有輥模擠壓式、活塞沖壓式、螺旋擠壓式等3種。根據(jù)主要工藝特征的差別,國內(nèi)外生產(chǎn)壓縮燃料的工藝大致可劃分為冷壓成型、熱壓成型和碳化成型3種主要形式。   2.1.1冷壓成型工藝?yán)鋲撼尚图夹g(shù)減少了原料烘干、成型時(shí)加熱和降溫等3道工序,可節(jié)約能耗44%~67%。該成型方式原料最大含水率可達(dá)22%左右,但是由于原料沒有加熱軟化,成型時(shí)所需壓力較加熱成型大。   輥模擠壓式成型機(jī)屬于冷壓成型工藝,一般不需要外部加熱,對原料含水率要求較寬,一般在10%~40%之間,其中最佳成型條件為18%左右;原料粒度要求小于10mm;成型壓力相對較大,在20~50MPa之間。平模擠壓成型機(jī)在壓制纖維性物料時(shí),原料水分在15%~25%(最佳18%左右)之間,一般不需要對原料進(jìn)行干燥。   2.1.2熱壓成型工藝熱壓成型工藝是目前普遍采用的生物質(zhì)壓縮成型工藝,成型時(shí)加熱溫度通常調(diào)整為150~300℃之間,含水率一般控制在8%~12%之間。   活塞沖壓式成型機(jī):設(shè)備允許物料水分含量在20%左右,其中液壓驅(qū)動活塞式成型機(jī)要求水分在12%以內(nèi),成型溫度為160~200℃,原料粒度小于40mm。   螺旋擠壓式成型機(jī):成型時(shí)溫度通常在150~300℃,其中最佳成型溫度在220~280℃之間;成型含水率一般控制在8%~12%之間;成型原料粒度要求小于40mm;成型壓力的大小隨原料和所要求成型塊的質(zhì)量不同而異,一般在4.9~12.74kPa之間。   2.1.3碳化成型工藝碳化是在隔絕或限制空氣的條件下,將木材、秸稈等在400~600℃的溫度下加熱,得到固體炭、氣體、液體等產(chǎn)物的技術(shù)。以生產(chǎn)炭為主要目的的技術(shù)稱為制炭,以氣體或液體的回收利用為重點(diǎn)的技術(shù)稱為干餾,兩者合稱為碳化。   2.2各種生物質(zhì)原料的最佳成型參數(shù)   下面是我國幾種主要生物質(zhì)原料在成型時(shí)的不同工藝參數(shù)要求:   棉桿熱壓成型的工藝參數(shù):溫度在150~260℃之間,粒度在0~12.5mm之間,含水率在6%~10%之間。   玉米稈熱壓成型的工藝參數(shù):原料含水率5%~15%,最適宜的水分含量是10%~15%,原料粒度1~5mm之間,溫度為110℃左右。   小麥秸稈熱壓成型的工藝參數(shù):原料含水率5%~18%,最佳水分含量10%~15%,溫度為110℃左右,原料粒度在1~5mm。   水稻桿冷壓成型的工藝參數(shù):成型壓力32MPa,含水率10%,原料粒徑4mm,粘結(jié)劑的添加比為4∶1。   稻殼熱壓成型的工藝參數(shù):稻殼粒度細(xì)小,篩除雜物即可直接使用,加熱溫度80~111℃,含水率15.4%~17.5%,成型壓力8.8~11.5MPa,粘結(jié)劑添加比為(2.85~4.25)∶1。   3討論   生物質(zhì)成型燃料的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性,隨著保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境意識的日益加強(qiáng),國家相應(yīng)配套政策的通過,以及該技術(shù)一些關(guān)鍵問題的解決,生物質(zhì)燃料的市場覆蓋率將逐漸擴(kuò)大。但是由于多種因素影響,短期內(nèi)可能不會出現(xiàn)期望中的全面應(yīng)用。我國生物質(zhì)成型燃料利用存在的問題主要有:一是秸稈原料的收集與存儲,二是生物質(zhì)成型燃料設(shè)備的快速磨損,三是生物質(zhì)成型燃料燃燒過程中的結(jié)渣和沉積腐蝕。這些造成推廣受到一定程度的限制。   本文圍繞生物質(zhì)成型的各工藝參數(shù),如原料特性、成形工藝、工藝參數(shù)等,探討它們對生物質(zhì)燃料成型時(shí)的影響效果,為降低能耗,減少加工成本,減少對原料成型條件的限制和改進(jìn)。(郝永俊 天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院天津300072   宋逍 張曙光 劉彥博 王剛 張秀璋 天津泰達(dá)環(huán)保有限公司天津300350)