生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究進(jìn)展

煤、石油和天然氣等化石能源在為人類社會(huì)發(fā)展提供能源動(dòng)力的同時(shí)，也對(duì)人類的生存環(huán)境造成了巨大的危害，如溫室效應(yīng)、NO，排放、SO：排放和粉塵污染等。與此同時(shí)，人類社會(huì)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(shí)現(xiàn)社會(huì)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(xué)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(chǔ)損耗大和存儲(chǔ)費(fèi)用高的缺點(diǎn)。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(diǎn)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(duì)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(dòng)粘結(jié)劑作用的粘結(jié)力；③自由移動(dòng)液體的表面張力和毛細(xì)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(duì)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(qiáng)度受溫度、含水量、壓力和添加劑等諸多因素影響，但實(shí)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(jī)制。 　　一般認(rèn)為，植物細(xì)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(jī)溶劑。木素屬非晶體，沒有熔點(diǎn)，但有軟化點(diǎn)，當(dāng)溫度為70～100℃時(shí)，粘合力開始增加。木素在適當(dāng)溫度下(200～300℃)會(huì)軟化、液化，此時(shí)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(xì)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(xì)胞機(jī)械組織越發(fā)達(dá)，顆粒成型時(shí)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(shí)間、物料含水率和物料顆粒度。 　　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(shí)能夠順利滑出而不會(huì)粘連，減少擠壓動(dòng)力消耗，因?yàn)樯镔|(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(dǎo)致成型物料疏松斷裂，成型失敗。對(duì)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(qiáng)分子問的作用力，使物料變得致密均實(shí)，以增強(qiáng)型體的強(qiáng)度和剛度；③為物料在模內(nèi)成型及推進(jìn)提供動(dòng)力。 　　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。 　　物料的含水率對(duì)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(dǎo)致成型失敗，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)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?yàn)樗挚梢越档湍舅剀浕鸵夯臏囟?，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(chǎng)。 　　此外，物料的顆粒度也對(duì)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(dòng)特性和壓縮特性對(duì)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(gè)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(dāng)壓力逐漸增大時(shí)，生物質(zhì)大顆粒在壓力作用下破裂，變成更加細(xì)小的粒子，并發(fā)生變形或塑性流動(dòng)。此時(shí)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(yīng)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(xì)小，粒子問的充填程度就越高，接觸就越緊密；當(dāng)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(huì)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(xì)管力)開始上升為主導(dǎo)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(yīng)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(jī)械設(shè)備 　　目前世界各地研制生產(chǎn)的生物質(zhì)壓縮成型機(jī)械設(shè)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(jī)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(jī)械最早是由美國開發(fā)研制并實(shí)際應(yīng)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(jī)械中，錐形螺桿在其他動(dòng)力機(jī)械的帶動(dòng)下，推動(dòng)成型原料進(jìn)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(yīng)力越來越大，在壓縮成型筒的頂端達(dá)到最大內(nèi)壓應(yīng)力而成型，再經(jīng)過一段應(yīng)力松弛段，被推出螺旋壓縮成型機(jī)械，成為成型物料。 　　為了降低螺旋壓縮成型設(shè)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(dǎo)致的用戶對(duì)燃燒效率下降和污染物排放增加的擔(dān)心，又開發(fā)了加熱螺旋壓縮技術(shù)，即在螺旋壓縮機(jī)壓縮成型筒外設(shè)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(shè)備的功耗，其原理如圖2所示。加熱螺旋壓縮成型設(shè)備過去以電加熱設(shè)備為主要加熱元件，現(xiàn)在以導(dǎo)熱油為加熱介質(zhì)的加熱螺旋壓縮成型設(shè)備已經(jīng)開發(fā)出來，避免了電加熱設(shè)備容易漏電、加熱段筒壁過厚導(dǎo)致的大傳熱阻力等缺點(diǎn)。為了縮短加熱段長度，可以在壓縮原料進(jìn)入壓縮成型筒之前就進(jìn)行部分加熱處理，即預(yù)熱，也稱為具有預(yù)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(jìn)行壓縮成型時(shí)，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(jìn)行壓縮成型時(shí)，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(jī)械的另一個(gè)缺點(diǎn)是錐形螺桿與成型原料之間工作時(shí)處于干摩擦狀態(tài)，導(dǎo)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(dòng)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(chǔ)于飛輪中的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能壓縮成型原料，但其設(shè)備龐大，震動(dòng)強(qiáng)烈而且噪音劇烈，推廣和應(yīng)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(shè)備的上述缺點(diǎn)，但是由于生物質(zhì)壓縮成型時(shí)，物料表觀密度增加很多，因此液壓機(jī)械行程很大，導(dǎo)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(jī)主要有平模顆粒機(jī)和環(huán)模顆粒機(jī)2種，都是根據(jù)飼料顆粒成型機(jī)改造而來的。其原理分別如圖4和圖5所示。 　　環(huán)模顆粒機(jī)產(chǎn)量大，耗電少，這是平模顆粒機(jī)無法比擬的。而平模顆粒機(jī)由于轉(zhuǎn)速低于環(huán)模顆粒機(jī)等原因，使得其產(chǎn)量小于環(huán)模顆粒機(jī)，同時(shí)由于其轉(zhuǎn)速低壓力大，因此壓制的顆粒密度很大。而對(duì)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(jī)由于其結(jié)構(gòu)限制，壓力不可調(diào)，壓制這些物料時(shí)就會(huì)超出壓力負(fù)荷，導(dǎo)致模具壓輪軸承磨損或壞掉。而平模顆粒機(jī)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(shí)，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(hào)軸承增強(qiáng)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(duì)比平模顆粒飼料機(jī)，生物質(zhì)燃料成型機(jī)的設(shè)備損耗比較嚴(yán)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(duì)這些原料擠壓時(shí)，要克服很大的應(yīng)力，所以就會(huì)使磨具磨損很嚴(yán)重。 　　4生物質(zhì)壓縮成型的發(fā)展趨勢(shì) 　　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(chǔ)損耗大和存儲(chǔ)費(fèi)用高的缺點(diǎn)，但是雖然經(jīng)過幾十年的理論探索和工程實(shí)踐，卻仍然沒有解決生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備磨損嚴(yán)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(shì)，可以看出，液壓壓縮成型設(shè)備磨損小，運(yùn)行噪音低，同時(shí)加熱壓縮成型表面炭化技術(shù)可以降低成型原料與設(shè)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(shè)備功耗。如果液壓壓縮成型能夠克服液壓設(shè)備行程長所導(dǎo)致的生產(chǎn)率低的缺點(diǎn)，加熱壓縮成型能夠避免過度加熱導(dǎo)致的醛類釋放污染，兩者有機(jī)集合，將會(huì)開拓一個(gè)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