生物質成型燃料技術研究

　　閆文剛1，2，俞國勝1，張海鷹1，陳誠1，劉小虎1

　　(1.北京林業(yè)大學，北京100083；2.內蒙古農業(yè)大學，內蒙古呼和浩特010018)

　　摘要：基于生物質成型燃料生產過程中采用常溫成型或是加熱成型的問題，結合“生物質成型燃料高壓致密成型技術引進”項目的部分實驗結果，研究了兩種成型過程在成型機具、原料要求、成型機理和產品質量等方面的異同，提出從成型影響因素和燃料塊顯微圖像兩方面對成型過程進行研究，有利于揭示生物質致密成型燃料技術的成型機理和成型規(guī)律，通過對比分析認為常溫成型方式較加熱成型方式更加節(jié)能，有更好的商業(yè)推廣價值。

　　面臨石油、天然氣和煤炭化石能源的曰益枯竭(見表1)、環(huán)境污染日益嚴重、全球氣候變暖的現(xiàn)狀，隨著哥本哈根國際氣候會議提出了“減少碳足跡”的倡議，中國也制定了減排目標，力爭到2020年單位GDP二氧化碳排放比2005年降低40％一45％，中國林業(yè)機械協(xié)會非化石能源占一次能源消費的15％。生物質能是僅次于石油、天然氣和煤炭居世界能源消費總量第四位的能源，在整個能源系統(tǒng)中占有重要地位，由于其具有資源儲量大、低碳環(huán)保和可再生性等優(yōu)點，被認為是能源開發(fā)的熱門領域。

　　1生物質成型燃料的意義

　　我國每年產生有7億噸左右的農作物秸稈，林業(yè)“二剩物”的總臂在8～10億噸左右，生物質原料儲備豐富。此外，經致密成型加工后的生物質成型燃料，其粒度均勻、單位密度和強度增加，便于運輸和貯存，且燃燒性能明顯改善，對生物質原料成為商品真正進入流通領域具有重要意義。我國的《農業(yè)生物質能產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2007—2015)》和《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》中明確提出“重點發(fā)展生物質周體成型燃料”，到2010年結合解決農村基本能源需要和改變農村用能方式，全國將建成500個左右秸稈致密成型燃料應用示范點，秸稈致密成型燃料年利用量達到100萬噸左右，到2015年，秸稈致密成型燃料年利用量達到2000萬噸左右，到2020年，生物質固體成型燃料年利用量達到5000萬噸。國家發(fā)改委出臺，生產生物質成型燃料150元／噸的補貼政策，國家制定了標準GB／T21923—2008《固體生物質燃料榆驗通則》，已于2008年11月1日開始實施。目前，農業(yè)部正在制定多項生物質固體成型燃料的行業(yè)標準。但據(jù)統(tǒng)計2009年我國生物質成型燃料全國產量仍不到20萬噸，生物質成型燃料產業(yè)依然任重道遠。

　　2《生物質成型燃料高壓致密成型拄術引進》項目成果簡介

　　2005年北京林業(yè)大學俞國勝教授主持的《生物質成型燃料高壓致密成型技術引進》項目，對生物質常溫高壓致密成型方式進行了研究。其成型設備引自德國RUF公司的RB110型成型機，對成型過程中的主要因素(壓力、原辯含水率、原料種類等)進行的研究結果表明，常溫高壓致密成型時，古永率擐好控制在5％～15％范國內，蛀高不能超過22％；壓力控制在15～35MPa之問即可滿足存放、運輸要求；秸稈糞生物質易成型、灌木由于原料本身纖維硬、韌性好而不易成型。選用體視顯微鏡對成型塊進行觀察.發(fā)現(xiàn)粘結機理主要是粒子間的機械鑲嵌。俞國勝教授在研究生物質常溫成型機理的基礎上，研制、開發(fā)了一種被力艘向擠壓的生物質成型燃料常溫成型機(如圖1)，該機的裝機功牢為22kw，加工能力為500～600kg／h.實際成型能耗不大于40kw-h／t。生物質成型塊的密度可通過調節(jié)成型設備液壓系統(tǒng)的壓力來調整.既能滿足加工畜牧業(yè)養(yǎng)殖所需的粗飼料耍求，又町滿足生物質成型燃料加工的要求.最大密度可達到1.2g/cm3，目前已投入到生產實踐當中。

　　3加熱成型技術和常溫成型技術對比研究

　　按成型過程是衍對腺料al熱，分為常溫成掣和加熱成趔。目前國內多足對加熱成型技術進行研究。

　　3.1成型機具

　　活塞擠壓式塊狀燃料成型機為例，麒料成型靠話塞的往復運動實現(xiàn)，其進料、壓縮和出料過程都是間歇式的t在成型機的成型模腔外有加熱圈的為加熱成型方式，沒有的為常溫成型。由于加熱成型過程是在200℃以上的溫度完成的，所以加熱成型機的成型部件較常溫成型的易磨損，維修周期在200小時左右，較常溫成型的維修成車有所增加。

　　3.2成型工藝

　　熱壓成型技術的工藝流程一般為：原料一預處理(粉碎)一干燥一加熱成型一冷卻包裝，常溫成型技術的工藝相對簡單，工藝流程一般為：原料一預處理(削片或粉碎)一成型一包裝，比加熱成型技術減少了原料烘干、成型時加熱和降溫等3道工序，可節(jié)約能耗44％～67％。

　　3.3成型影響因素

　　影響生物質致密成型的主要因素有：原料種類、原料含水率、原料粒度、成型壓力與模具尺寸，而加熱成型方式還包括加熱溫度。

　　3.3.1成型壓力

　　常溫成型沒有原料加熱軟化過程，所以成型所需壓力較加熱成型大。在《生物質成型燃料高壓致密成型技術引進》項目中，進行了多種生物質原料的常溫成型試驗，這里只引用四倍體刺槐枝成型塊的試驗數(shù)據(jù)。

　　粉碎后的刺槐枝，粒度分布為1～2mm的占70％左右，5～10mm的占20％，大于10mm的占10％左右，含水率為7.65％，成型前原料密度為0.195g／cm3。主油缸壓力在10～60MPa之間，每隔

　　2.5MPa做一次實驗，試驗結果如圖2。在壓力較低時(10～20PMa)壓塊密度隨成型壓力的增大以較大的幅度增大，壓力大于20MPa的條件下，壓塊密度隨成型壓力的增大變化趨于穩(wěn)定，壓縮前后的體積比分布在5.16～5.97之間。四倍體刺槐枝韌性好，纖維含量高，在較小壓力下壓制的成型塊也很堅實。

　　3.3.2原料含水率

　　生物質致密成型燃料技術對原料要求包括含水率和粒度，加熱和常溫成型技術的區(qū)別主要表現(xiàn)在對原料含水率的要求不同，熱壓成型技術對原料含水率要求較嚴格，由于絕干的生物質傳熱性差，水分是生物質原料中最好的傳熱介質，所以從理論上講，熱壓成型中生物質原料的含水率越高傳熱越好，木質素和半纖維素軟化程度越高，越容易成型；然而，含水率過高在壓縮過程中易產生高壓蒸汽，會出現(xiàn)“放氣”或“放炮”現(xiàn)象，中斷成型過程。熱壓成型要求原料含水率控制在8～12％，成型效果最好。常溫成型技術要求原料最大含水率可達22％左右，物料成型過程中不會發(fā)生“放炮”現(xiàn)象。

　　3.3.3原料種類

　　熱壓成型技術對原料種類適應性較差，由于不同原料木質素和半纖維素含量不同，所以相同加熱溫度下，原料的軟化程度不同。當成型壓力一定時，不同原料需調節(jié)成不同的加熱溫度，這樣對操作技術要求較高。農作物秸稈所含木質素較少(約為15～25％)，不適宜通過加熱使木質素軟化而成型，采用常溫高壓致密成型具有優(yōu)勢；林木類生物質原料的纖維長且韌性強，成型時較困難，但通過常溫高壓致密成型也可達到存放、運輸要求，成型效果也很好，且壓塊密度值相對集中。

　　3.4成型機理

　　纖維素是構成生物質原料細胞壁的主要組分之一，約占細胞壁物質總量的50％左右，纖維素大分子鏈的結合鍵主要是氧鍵、范德華力和碳氧鍵，在生物質成型燃料生產過程中，通過對生物質原料的機械壓縮，可以縮短纖維之間的距離，以利于形成氫鍵和范德華力，使生物質原料易于成型。

　　3.4.1加熱成型機理

　　植物中的半纖維素和木質素屬無定形的熱塑性高聚物，具有玻璃態(tài)轉化性質，當溫度達70～110℃時開始軟化且粘合力開始增加，在200～300℃時軟化程度加劇達到熔融，此時施加一定的壓力，使其與纖維素緊密粘接，并與鄰近顆?；ハ嗄z接，冷卻后即可固化成型。生物質加熱成型燃料就是利用生物質的這種特性，用壓縮成型設備將經過干燥和粉碎的松散生物質原料進行加壓和加熱，使半纖維素和木質素軟化并經擠壓而成型，得到具有一定形狀和規(guī)格的成型燃料。

　　3.4.2常溫成型機理

　　生物質原料是由纖維構成的，被粉碎后的生物質原料質地松散，在受到一定的外部壓力后，原料顆粒先后經歷位置重新排列、顆粒機械變形和塑性流變等階段。開始壓力較小時，有一部分粒子進入粒子間的空隙內，粒子間的相互位置不斷改變，當粒子問所有較大的空隙都被能進入的粒子占據(jù)后，再增加壓力，只有靠粒子本身的變形去充填其周圍的空隙。這時粒子在垂直于最大主應力的平面上被延展，當粒子被延展到與相鄰的兩個粒子相互接觸時，再增加壓力，粒子就會相互結合。這樣，原來分散的粒子就被壓縮成型，同時其體積大幅度減小，密度則顯著增大。由于非彈性或粘彈性的纖維分子之間的相互纏繞和咬合，在外部壓力解除后，一般都不會恢復到原來的結構形狀。

　　北京林業(yè)大學回彩娟碩士，借鑒德國的Rumpf提出的粉粒體成型的有關理論，選用體視顯微鏡對成型塊進行觀察，發(fā)現(xiàn)常溫致密成型過程中，生物質原料顆粒由于受到高壓作用而互相鑲嵌在一起，顆粒間的結合力主要來自相互間的機械鑲嵌。四倍體刺槐枝成型塊的微觀結構如圖3，從左至右依次是10MPa、30Mpa和60Mpa壓力下的成型塊微觀結構圖。

　　3.5產品質量

　　衡量生物質燃料塊的質量指標有許多，主要包括發(fā)熱量、成型燃料密度和機械強度等。強度與密度相關.密度與成型壓力有關，在此不作論述。加熱成型技術會造成產品表面炭化燒焦，生物質的熱能損耗；常溫致密成型產品不破壞原料的分子結構，無化學反血和加熱裂解分化的作用，因此成型燃料可以保持原物料的熱值.幾乎設有熱量的損耗。制定更加完善的生物質成型燃料產業(yè)政策和標準，研制更加高效節(jié)能且自動化程度高的常溫成型設備，是相關領域專家學者的努力方向。

　　4結論及展望

　　生物質常溫致密成型燃料技術具有較加熱成型對成型部件的磨損小，對生物質原料的預處理要求低，成型燃料產品保持原物質性質、無熱能損耗的優(yōu)點。因此，在研究和推廣使用上，有很高的價值。通過對燃料塊成型過程中的影響因素和成型后的微觀圖像兩方面進行研究發(fā)現(xiàn)，常溫成型機理是生物質顆粒的移動、變形和機械鑲嵌，揭示了生物質致密成型的規(guī)律。此外，常溫成型技術較加熱成型技術具有更好的經濟性，有利于生物質成型技術的商業(yè)化推廣。

　　目前我國的生物質成型燃料技木證處于研究示范試點階段，規(guī)?；褪袌龌^差，推廣速度緩慢。為促進我國生物質成型燃料產業(yè)的發(fā)展，呼吁政府制定更加完善的生物質成型燃料產業(yè)政策和標準，研制更加高效節(jié)能且自動化程度高的常溫成型設備，是相關領域專家學者的努力方向。