生物質(zhì)固化成型技術(shù)研究進展與展望

景元琢1，董玉平2，蓋超2，郭飛強2，董磊1

(1.山東百川同創(chuàng)能源有限公司，濟南250101;2.山東大學(xué)，濟南250061)

　?。壅萆镔|(zhì)固化成型技術(shù)是規(guī)模化利用生物質(zhì)能源的一種有效途徑，綜述了生物質(zhì)固化成型技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，提出了目前生物質(zhì)固化成型技術(shù)存在的主要問題，并圍繞山東大學(xué)在生物質(zhì)固化成型技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)方面所取得的研究進展，分析了生物質(zhì)固化成型技術(shù)機理和主要裝備系統(tǒng)，提出了生物質(zhì)固化成型技術(shù)的發(fā)展方向。

　　1前言

　　資源和環(huán)境問題已成為21世紀(jì)人類社會共同面臨的重大挑戰(zhàn)，影響著人類社會發(fā)展的進程與未來。隨著我國能源消耗的迅速增長，傳統(tǒng)化石燃料日益枯竭，使用過程中排放的有害物質(zhì)致使全球的生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，并造成了日趨嚴(yán)重的環(huán)境問題，已引起了世界各國的廣泛關(guān)注。開發(fā)潔凈的可再生能源成為了解決能源危機和環(huán)境污染的重要途徑。

　　兩院院士石元春針對當(dāng)前我國能源和環(huán)境問題，指出清潔能源替代的主體是可再生能源，發(fā)展可再生能源的戰(zhàn)略重點是生物質(zhì)能源。生物質(zhì)能源有良好的穩(wěn)定性和儲能性，具有能源替代、減排環(huán)保和促進農(nóng)村經(jīng)濟三重功能［1］。因此，從能源安全和環(huán)境保護出發(fā)，生物質(zhì)能的開發(fā)利用有利于改善已經(jīng)

　　破壞的環(huán)境和生態(tài)。一些發(fā)達國家早已把生物質(zhì)能源作為21世紀(jì)科技發(fā)展的戰(zhàn)略重點［2，3］。中國科學(xué)院生物質(zhì)資源領(lǐng)域戰(zhàn)略研究組在中國至2050年生物質(zhì)資源科技發(fā)展路線圖中指出，實現(xiàn)中國由生物質(zhì)資源大國向生物質(zhì)資源強國及生物經(jīng)濟強國的根本轉(zhuǎn)變是未來我國生物質(zhì)科技發(fā)展的總體目標(biāo)［4］。

　　生物質(zhì)能原料結(jié)構(gòu)疏松、分布分散、占用空間大，作為燃料存在能量密度小、直接燃燒的熱效率低、運輸和儲存成本高等問題，導(dǎo)致其規(guī)?；咝Ю美щy，經(jīng)濟效益較差，成為制約生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為商品能源的重要因素［5，6］。生物質(zhì)固化成型技術(shù)改變傳統(tǒng)的生物質(zhì)能利用方式，將松散生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為高密度的成型燃料，直接用作燃料或作為氣化、液化原料，成為生物質(zhì)能源利用的一種有效途徑，也是替代常規(guī)能源的有效方法。

　　2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　生物質(zhì)固化成型是將生物質(zhì)原料經(jīng)干燥、粉碎到一定粒度，在一定的溫度、濕度和壓力條件下，使生物質(zhì)原料顆粒位置重新排列并發(fā)生機械變形和塑性變形，成為形狀規(guī)則、密度較大、燃燒值較高的固體燃料的過程［7，8］。該技術(shù)獲得的生物質(zhì)制品具有密度高、熱值高、易于運輸、使用方便、燃燒過程CO2“零排放”等顯著優(yōu)勢。早在20世紀(jì)30年代，美國就開始研究壓縮燃料技術(shù)，并研制出了螺旋式壓縮成型機，在加熱溫度為110～350℃、壓力為10MPa的條件下，能把木屑和刨花壓縮成固體成型燃料［9～13］。20世紀(jì)70年代后期，由于發(fā)生世界能源危機，石油價格上漲，芬蘭、比利時等西歐國家普遍開始重視成型技術(shù)的研究與開發(fā)［14］。從20世紀(jì)80年代開始，日本對生物質(zhì)壓縮過程中的動力消耗、壓模的結(jié)構(gòu)與尺寸、壓縮燃料的含水率、壓縮時的溫度和壓力以及原料的顆粒大小等進行了實驗研究，進一步改進了生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)，使之更趨于實用化。

　　20世紀(jì)90年代以來，歐洲、美洲、亞洲的一些國家在生活領(lǐng)域開始大量應(yīng)用生物質(zhì)致密成型燃料。法國使用秸稈的壓縮顆粒作為奶牛飼料，由多種林業(yè)廢棄物生產(chǎn)的壓縮成型燃料也已達到實用階段［15～17］。瑞典是應(yīng)用生物質(zhì)成型燃料最好的國家之一，截至2006年，約有900萬人使用生物質(zhì)成型燃料，年消費量已達12000萬t，應(yīng)用生物質(zhì)能源的總量已達到總能耗的25%。生物質(zhì)固體成型燃料主要用于熱電聯(lián)產(chǎn)、社區(qū)供暖和家庭采暖等，熱效率可達到80%～95%。

　　發(fā)達國家生物質(zhì)成型技術(shù)較為成熟，設(shè)備已經(jīng)定型，并形成了產(chǎn)業(yè)化，在供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域已普遍推廣應(yīng)用。生物質(zhì)成型技術(shù)與設(shè)備具有加工工藝先進、專業(yè)化程度高、操作自動化程度高等優(yōu)點。但國外的產(chǎn)品大多應(yīng)用在木質(zhì)生物質(zhì)的處理，存在前期處理工藝復(fù)雜、電耗高、價格高等問題，對我國豐富的秸稈類生物質(zhì)資源不能很好成型，難以在國內(nèi)規(guī)?；茝V應(yīng)用。

　　相對而言，我國對生物質(zhì)成型技術(shù)研究起步較晚，直到20世紀(jì)80年代，南京林業(yè)化工研究所才設(shè)立了對生物質(zhì)致密成型機及生物質(zhì)成型理論的研究課題［18］。1985年，我國試制了第一臺ZT－63型生物質(zhì)致密成型機，隨后西北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出了X－7.5、JX－11和SZJ－80A三種型號的秸稈固化成型機［19］。中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院能源動力研究所和遼寧省能源研究所等研究單位對生物質(zhì)沖壓擠壓式壓塊技術(shù)進行了攻關(guān)。進入21世紀(jì)，國家開始重視各種可再生清潔能源開發(fā)，生物質(zhì)成型技術(shù)和設(shè)備研究也進入了良好的發(fā)展階段。據(jù)統(tǒng)計，全國目前投入使用的生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備約在1000臺套左右，包括螺旋式、液壓式棒料成型機和環(huán)模式顆粒機。

　　然而整體而言，我國在生物質(zhì)固化成型技術(shù)相對落后，少量已經(jīng)示范應(yīng)用的設(shè)備在實際運行中都存在能耗高、關(guān)鍵部件使用壽命短等問題，且僅能成型玉米秸稈等少數(shù)原料，真正壽命長、低能耗并適用于多種原料的成型設(shè)備缺乏，嚴(yán)重限制了生物質(zhì)成型技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　3山東大學(xué)生物質(zhì)固化成型技術(shù)研究進展

　　近年來，山東大學(xué)圍繞生物質(zhì)低能耗壓塊成型技術(shù)研究與設(shè)備開發(fā)方面取得了一定的研究進展。主要在以下幾方面做了相關(guān)深入研究工作:a.生物質(zhì)固化成型機理研究;b.生物質(zhì)成型過程流變特性數(shù)值模擬;c.成型設(shè)備關(guān)鍵部件的研究與設(shè)計;d.成型制品品質(zhì)影響因素試驗與數(shù)值模擬;e.整機設(shè)備的設(shè)計與研發(fā)。

　　3.1生物質(zhì)固化成型機理研究

　　高建輝推導(dǎo)出了生物質(zhì)彈塑性變形的本構(gòu)方程，重點研究了生物質(zhì)成型過程中的形變、流變規(guī)律［20］。鄧波將液壓成型過程分為三階段并分別提出了在不同壓縮成型階段的成型機理［21］。陳曉青從木質(zhì)素粘結(jié)、粒子結(jié)合、水分含量和電勢4個方面分析了生物質(zhì)固化成型機理［22］。吳云玉對環(huán)模固化成型壓縮階段的微觀成型機理進行研究，建立了從宏觀到微觀的過渡成型機理［23］。

　　3.2生物質(zhì)成型過程流變特性數(shù)值模擬

　　高名望以松散生物質(zhì)熱壓成型過程為研究對象，根據(jù)固化成型的加熱特點，采用ANSYS軟件中的THERMAL模塊對壓縮成型過程中的溫度場進行模擬，利用焓法解決了材料由于溫度引起的傳熱性能變化，得到了壓縮成型中生物質(zhì)的溫度場分布規(guī)律，并對不同條件下的溫度場進行了比較［24］。

　　鄧波數(shù)值模擬了液壓式生物質(zhì)成型過程，揭示了成型過程中的應(yīng)力應(yīng)變演變過程和分布規(guī)律，并對局部應(yīng)力過大區(qū)域進行了分析［21］。

　　3.3成型設(shè)備關(guān)鍵部件的研究與設(shè)計

　　3.3.1環(huán)模靜態(tài)數(shù)值模擬

　　環(huán)模是影響生物質(zhì)壓塊成型設(shè)備成型質(zhì)量的最關(guān)鍵部件，也是最容易損壞的部件。其結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅直接影響著壓塊的質(zhì)量，而且對生產(chǎn)能耗、環(huán)模和壓輥壽命、主軸受力等也有重要影響。通過對環(huán)模的截面尺寸、長徑比、成型角度、材料類型和熱處理工藝等進行理論分析和數(shù)值模擬，可以實現(xiàn)提高成型質(zhì)量、擴展原料適應(yīng)范圍、降低生產(chǎn)能耗、延長使用壽命的設(shè)計目標(biāo)。

　　申樹云針對環(huán)模輥壓式成型機存在的使用壽命短、結(jié)構(gòu)特殊和性能要求高等“瓶頸”問題，總結(jié)了環(huán)模的溫度場分布規(guī)律，對環(huán)模進行了結(jié)構(gòu)靜力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)熱耦合數(shù)值模擬，得到環(huán)模的整體應(yīng)力、應(yīng)變、位移分布情況，并研究了環(huán)模結(jié)構(gòu)參數(shù)對環(huán)模應(yīng)力應(yīng)變的影響［25］。吳云玉研究了環(huán)模的失效形式、失效機理和影響環(huán)模壽命的因素，利用有限元軟件依據(jù)環(huán)模S－N曲線和Palmgren－Miner線性累積損傷原則對環(huán)模的疲勞壽命進行數(shù)值模擬，得到不同溫度環(huán)模壽命曲線［23］。

　　在生物質(zhì)成品徑向均勻地取4個節(jié)點:節(jié)點A、節(jié)點E、節(jié)點F、節(jié)點G，圖2(a)顯示了這4個節(jié)點在整個加載周期內(nèi)的Von－Mises應(yīng)力對比曲線，反映了靠近?？妆诠?jié)點的應(yīng)力值高于中心節(jié)點的應(yīng)力值;在生物質(zhì)成品底邊均勻地取4個節(jié)點:節(jié)點A、節(jié)點B、節(jié)點C、節(jié)點D，圖2(b)顯示了這4個節(jié)點在整個加載周期內(nèi)的Von－Mises應(yīng)力對比曲線，圖中可看出靠近棱角附近節(jié)點的應(yīng)力值高于遠(yuǎn)離棱角部位的應(yīng)力值。

　　由以上數(shù)值模擬結(jié)果可看出，?？撞牧显诶饨翘幰壮霈F(xiàn)裂紋，甚至材料破裂剝落現(xiàn)象，與此同時易造成秸稈成品在棱角處的撕裂倒鈍現(xiàn)象。因此，對環(huán)模結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)改進以克服生物質(zhì)成品棱角撕裂倒鈍現(xiàn)象尤為重要。借鑒機械產(chǎn)品中改善應(yīng)力集中問題的思路，對?？讬M截面的四邊形直角進行倒圓角處理，圓角R=3mm。倒圓角處理后，對比?？椎膽?yīng)力分布情況，如圖3所示。

　　從圖3可看出，未經(jīng)倒圓角處理的模孔最大SEQV值為37.7MPa，經(jīng)過倒圓角處理的?？鬃畲骃EQV值降低到24.4MPa。比較圖3(a)和圖3(b)可看出，在與秸稈生物質(zhì)成品接觸的整個接觸面上，經(jīng)過倒圓處理的?？讘?yīng)力分布更為均勻合理，?？自诶饨翘幍膽?yīng)力集中情況得到明顯改善。

　　3.3.2傳動系統(tǒng)動態(tài)數(shù)值模擬

　　為保證成型設(shè)備傳動系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)的可靠性，以及工作的低能耗性，實驗室對傳動系統(tǒng)進行了完整的動力學(xué)設(shè)計和分析。

　　主軸是傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對壓塊成型設(shè)備的能耗和安全方面具有重要影響。高建輝通過研究成型壓力對主軸的作用形式，得到主軸部件的前六階模態(tài)振型、臨界轉(zhuǎn)速，以及在工作載荷頻率下的動態(tài)響應(yīng)特性，為研究設(shè)備運行穩(wěn)定性奠定了基礎(chǔ)［20］。

　　螺桿是螺旋進料裝置的核心工作部件，劉超通過Darnell－Moll理論，建立了螺旋部件擠壓力力學(xué)模型，對螺桿進行靜力分析和模態(tài)分析，得到了螺桿部件的固有頻率和模態(tài)模型，為動力學(xué)設(shè)計提供了依據(jù)［26］。

　　表1為主軸模態(tài)分析前六階結(jié)果，從表中可看出主軸各階固有頻率都在61Hz以上。實踐和分析表明，成型設(shè)備主軸部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)遠(yuǎn)離表1列出的頻率段，研制的壓塊設(shè)備主軸與成型部件工作轉(zhuǎn)速為165r/min，外部激振頻率為3Hz，遠(yuǎn)小于表1中的各階固有頻率最小值61Hz，因此該設(shè)計結(jié)構(gòu)可有效避開共振區(qū)域，即在正常工作轉(zhuǎn)速下不會發(fā)生共振現(xiàn)象，可避免共振產(chǎn)生的大變形導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞，工作性能穩(wěn)定可靠。

　　3.4成型制品品質(zhì)影響因素試驗與數(shù)值模擬

　　陳曉青以生物質(zhì)固化成型制品表面裂紋為研究對象，采用鋸末、棉柴、秸稈和木屑4種原料，在液壓成型機上進行了成型試驗，研究了生物質(zhì)原料、種類、含水率、成型壓力、保型溫度、螺旋進料速度等因素對成型制品品質(zhì)的影響，探討了生物質(zhì)固化成型制品表面裂紋的形成原因及影響因素，分析了保型筒對減少成型制品開裂的重要作用［22］。并對制品脫模后引起殘余應(yīng)力的彈性后效進行了詳細(xì)闡述。表2為4種生物質(zhì)成型試驗制品品質(zhì)比較［27］。

　　賈劍以壓縮腔內(nèi)的襯套作為研究對象，通過對帶襯套成型過程進行數(shù)值模擬，分析了襯套在成型過程中的作用，并編寫了襯套概率有限元分析程序，分析了襯套的可靠性，得出襯套徑向壓強和厚度是影響可靠性的關(guān)鍵因素［28］。最后通過對成型過程的熱－應(yīng)力耦合分析，研究了摩擦熱對成型制品品質(zhì)的影響。

　　3.5整機設(shè)備的設(shè)計與研發(fā)

　　在上述成型理論研究的基礎(chǔ)上，山東大學(xué)相繼研究開發(fā)了生物質(zhì)壓塊、顆粒、沖壓3種成型技術(shù)與裝備，形成了0.5、1、1.5、2t/h系列化產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上，山東大學(xué)對技術(shù)裝備進行了示范應(yīng)用，生物質(zhì)成型設(shè)備列入山東省、江蘇省農(nóng)機補貼目錄，已在江蘇、山東等地推廣60余套，建設(shè)并獨立運營了包括伊春、鄒城等生物質(zhì)成型燃料基地，年產(chǎn)成型燃料5萬t，也為生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)化推廣利用的模式進行了積極探索。

　　4生物質(zhì)成型技術(shù)發(fā)展方向

　　《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》中，將開發(fā)生物質(zhì)能作為能源領(lǐng)域前沿技術(shù)之一。《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》提出到2020年生物質(zhì)固體成型燃料年利用量要達到5000萬t的目標(biāo)，生物質(zhì)固化成型技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展成為必然趨勢。

　　1)從成型機理出發(fā)，通過技術(shù)研發(fā)，提高設(shè)備的生產(chǎn)效率，提高使用壽命，降低生產(chǎn)能耗，形成規(guī)模適度的成型燃料生產(chǎn)線，建設(shè)生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)基地，推動生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化進程。

　　2)協(xié)同發(fā)展生物質(zhì)直燃利用、集中式燃?xì)庵苽涞瘸尚腿剂辖K端利用技術(shù)，構(gòu)建生物質(zhì)能開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈，使生物質(zhì)成型燃料進入商業(yè)化燃料市場。

　　5結(jié)語

　　生物質(zhì)資源是地球上再生資源的核心組成部分，利用固化成型技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)資源的前景十分廣闊，不但可緩解能源短缺，改善生態(tài)環(huán)境，還能為其他的生物質(zhì)能綜合利用技術(shù)提供原料支撐，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益，符合生物質(zhì)能利用發(fā)展總趨勢和中國國情，我國應(yīng)在這方面加大投入。

　　目前生物質(zhì)固化成型技術(shù)已具備了一定的成熟度和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，下階段應(yīng)進一步加強對生物質(zhì)固化成型技術(shù)及裝備系統(tǒng)大型化、規(guī)模化和標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)，提升生物質(zhì)固化成型技術(shù)裝備水平，為我國生物質(zhì)資源化利用提供技術(shù)支撐。

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