生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)與應(yīng)用（Ⅱ)

劉石彩，蔣劍春

(中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所；國家林業(yè)局林產(chǎn)化學(xué)工程重點開放性實驗室，江蘇南京210042)

　　摘要：生物質(zhì)能源是唯一可再生、可替代化石能源轉(zhuǎn)化成氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)燃料以及其它化工原料或者產(chǎn)品的碳資源。隨著化石能源的枯竭和人類對全球性環(huán)境問題的關(guān)注，生物質(zhì)能源替代化石能源利用的研究和開發(fā)，已成為國內(nèi)外眾多學(xué)者研究和關(guān)注的熱點。本系列講座主要講述以生物質(zhì)資源為主要原料，通過不同途徑轉(zhuǎn)化為潔凈的、高品位的氣體、液體或固體燃料。本講主要綜述生物質(zhì)成型燃料的種類、研究與開發(fā)利用進展狀況。重點討論了生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，并指出了目前存在的主要問題和今后的發(fā)展方向。

　　生物質(zhì)壓縮成型燃料是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用的一個重要領(lǐng)域。它是將木質(zhì)類的木屑，樹葉、稻草等，在一定粒度和含水率的條件下，在50～200MPa高壓和150～300℃高溫下，或不加熱和不加粘結(jié)劑條件下，壓縮成棒狀、粒狀、塊狀及其它形狀，具有一定密實度的成型物。廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、民用爐灶等場合，還可進上步加工成型炭和活性炭。由于成型燃料具有相對密度大(約1.2)，便于貯存和運輸，含水率低(8％以下)，含揮發(fā)物高(75％以上)，含灰分低(一般小于5％)，熱值高，著火容易，使用方便，燃燒完全，燃燒時幾乎不產(chǎn)生SO2，因此不會造成環(huán)境污染，故亦稱為“清潔燃料”，也可作為氣化爐的燃料。成型燃料堪稱一種理想能源，有著廣闊的市場開發(fā)前景。

　　國外生物質(zhì)壓縮成型燃料的開發(fā)工作始于20世紀40年代，1948年日本申報了利用木屑為原料生產(chǎn)棒狀成型燃料的第一個專利。50年代初期生產(chǎn)出了商品化的棒狀成型機，60年代成立了木質(zhì)成型燃料行業(yè)協(xié)會。70年代初，美國又研究開發(fā)了內(nèi)壓滾筒式粒狀成型機。亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓等國從80年代開始也都先后開展了生物質(zhì)致密成型機設(shè)備及成型工藝方面的研究。

　　我國從20世紀80年代起開始致力于生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究。中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所在“七五”期間承擔了生物質(zhì)致密成型機及生物質(zhì)成型理論的研究課題。于1990年研究開發(fā)成功棒狀成型燃料成型制造工藝設(shè)備系統(tǒng)。于1998年率先研究開發(fā)成功顆粒成型燃料熱成型制造工藝設(shè)備系統(tǒng)。

　　遼寧省能源研究所開展了生物質(zhì)固化成型技術(shù)中使用的壓縮成型機械及生物質(zhì)壓縮成型原理、壓縮成型主要影響因素、壓縮成型工藝等方面的研究工作。河南農(nóng)機研究所對環(huán)模生物質(zhì)顆粒燃料成型機影響成型的各主要因素進行了分析及試驗研究，研究了不同生物質(zhì)原料、粒度、含水率、環(huán)模孔長徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關(guān)系，確定了生物質(zhì)顆粒燃料的最佳成型條件。浙江大學(xué)也開展了對切碎棉稈進行高密度壓縮成型試驗，研究了壓力、溫度和切碎棉稈粒度大小對成型塊松弛密度的影響。華東船舶工業(yè)學(xué)院也開展了生物質(zhì)固體燃料成型機研究工作，并申請了專利。

　　1棒狀成型燃料

　　1.1棒狀成型燃料成型機

　　成型機是生產(chǎn)成型燃料的關(guān)鍵設(shè)備，它的性能優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和生產(chǎn)成本的高低，由于棒狀壓縮成型燃料在成型機中擠壓力很高(一般50一200MPa)，而這么高的擠壓力主要由成型物料與成型套筒之間的磨擦力所產(chǎn)生，因而套筒的磨損十分嚴重。另外，在成型過程中，為了維持正常操作，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，減少磨擦力，延長套筒使用壽命，需要對套筒進行適當?shù)募訙亍Ｒ虼?，對成型套筒的材質(zhì)要求十分苛刻，不僅要求材料具有很好的耐磨性，而且還要有良好的導(dǎo)熱性和可加工性，且價格低廉。進口成型套筒

　　材料的化學(xué)成分除了Fe以外含C 3.15％，Si 2.589％，Ni 0.882％，P 0.037％，S 0.032％，Cr 0.602％(均為質(zhì)量分數(shù)，下同)。典型的3種國產(chǎn)套簡化學(xué)成分(除了Fe以外)見表1，材料物理性能見表2。3種套筒經(jīng)實際運行，從耐磨性、傳熱、可切削性看，均達到要求，但1號和3號的價格較便宜，這種套筒使用壽命超過1000h。

　　棒狀成型機的另一易磨損的部件為螺旋擠壓桿(以下稱螺桿)。物料與套筒磨擦產(chǎn)生的高壓力，同時也對螺桿產(chǎn)生強烈的磨損作用，導(dǎo)致螺桿嚴重磨損，因而不僅要求螺桿具有足夠的強度和剛度，還需要有良好的耐磨性。在對比了螺桿的表面鍍層、螺桿熱處理、螺桿堆焊三種方案以后，本著降低成型燃料的生產(chǎn)成本，生產(chǎn)廠家能自行維修螺桿之目的，著重采用螺桿堆焊工藝，而螺桿本身用中強度鋼材加工，在螺桿前端采用高強度耐磨焊條，在適當工藝條件下堆焊，最后加工成專用的螺桿。

　　單管成型機生產(chǎn)能力150—250kg／h，生產(chǎn)能力的波動，主要來自于不同原料，并受地區(qū)電壓的波動等諸因素的影響。

　　目前，我國連云港新現(xiàn)代能源設(shè)備廠、上海奇圣炭業(yè)有限公司等諸多廠家均生產(chǎn)棒狀成型機設(shè)備。

　　1.2棒狀成型燃料成型工藝

　　棒狀成型燃料典型的成型工藝流程為：把木屑或稻殼等原料送人振動篩中，篩去大于6mm的顆粒和其它雜物，通過料斗加入螺旋加料器，輸送到脈沖氣流干燥器，由引風機引入熱風爐的熱煙氣，將原料邊干燥邊輸送人高效旋風分離器，氣體經(jīng)引風機排空，而干燥原料則通過星形排料器進入料倉，定量加入棒狀成型機，擠出的成型燃料按等長度(450mm)自動切割成短棒。

　　1.3影響棒狀成型燃料生產(chǎn)的因素

　　木質(zhì)原料在成型過程中，成型機的結(jié)構(gòu)，成型機套筒所用的材料和螺桿材料以及成型工藝是相關(guān)的。在確定了成型機構(gòu)和有關(guān)部件所用材料后，成型工藝成了主要的技術(shù)關(guān)鍵，加熱溫度、壓力、原料粒度和含水率為影響成型燃料生產(chǎn)的主要因素。

　　1.3.1加熱溫度和壓力由木質(zhì)素、半纖維素、纖維素組成了多種木質(zhì)原料，其中木質(zhì)素在加熱時可塑化，塑化時具有粘結(jié)性，將木質(zhì)原料中半纖維素、纖維素在壓力下粘結(jié)壓縮成成型燃料。不同種類的原料由于其木質(zhì)素、半纖維素、纖維素含量的不同，原料狀態(tài)不同，成型所需的溫度和壓力是有差異的。試驗證明：溫度和壓力過高或過低均會導(dǎo)致成型的失敗。

　　溫度過低，投入熱量減少，不足以使木質(zhì)素塑化將原料成型，也不能使成型燃料表面熱分解收縮，并造成與套筒內(nèi)壁磨擦增大，加快套簡的磨損，增加成型機的功率消耗。溫度過高，則使成型燃料表面熱分解嚴重，出現(xiàn)裂紋，成型燃料強度下降，甚至不成型。壓力過低將不能使原料壓緊壓實，嚴重時不足以克服與套筒間的磨擦阻力，成型無法進行。而壓力過高將使原料在套筒內(nèi)停留時間縮短，影響必要的熱量獲得，同樣不能成型。經(jīng)過反復(fù)試驗證明：成型壓力在120MPa左右，最佳成型溫度以140—180℃為宜。

　　1.3.2原料粒度和含水率棒狀成型燃料所用原料廣泛，不同原料有不同粒度。以木屑、稻殼、糠醛渣、刨花、稻草、花生殼、樹葉、葵花籽殼等8種不同粒度的原料為例，試驗結(jié)果表明：木屑、稻殼、糠醛渣3種原料粒度合適，都可以直接成型，產(chǎn)品堅實，表面光滑，模截面規(guī)則。其它5種原料都必須經(jīng)粉碎，一般要求粒度在4～6mm以上不超過10％，仍可以生產(chǎn)合格產(chǎn)品。粒度過大時，會形成輸送困難，易架橋，從而無法成型。

　　不同種類的原料成型難易也有差別，對松木和杉木屑試驗后發(fā)現(xiàn)：松木屑由于含非粘結(jié)的松節(jié)油等低揮發(fā)成分，成型時比較困難，而杉木屑由于木質(zhì)素含量較多，粘結(jié)性好，因此成型較容易。

　　對難以成型的松木屑或硬雜木屑，如摻人80％左右的稻殼，則成型操作穩(wěn)定，成型產(chǎn)品質(zhì)量好。原料含水率對成型過程以及產(chǎn)品質(zhì)量影響是很大的，所以必須嚴格控制成型時原料的含水率。

　　當原料含水率過高時，加熱產(chǎn)生的蒸汽來不及從成型燃料中心孔排出，從而產(chǎn)生爆嗚，含水率太低，也會發(fā)生成型困難。試驗表明：無論何種原料，如含水率大于15％，成型機操作不穩(wěn)定，產(chǎn)品表面嚴重開裂、強度大大下降。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對稻殼、花生殼等原料，含水率控制在6％～12％范圍，對木屑、刨花、樹葉等原料，含水率應(yīng)控制在6％～10％范圍。

　　1.4棒狀成型燃料的性能

　　1.4.1不同原料成型燃料的熱值木屑、稻殼、稻草、樹葉、玉米秸稈、花生殼等原料制成棒狀成型燃料后的熱值和灰分含量測定結(jié)果見表3。

　　1.4.2棒狀成型燃料的吸濕性木質(zhì)成型燃料貯存時，會吸收空氣中的水分，產(chǎn)品含水率增加，表面開裂和膨松、產(chǎn)品質(zhì)量呈下降趨勢，這是因為原料在成型時未添加任何粘結(jié)劑，產(chǎn)品有吸濕傾向。

　　研究表明，成型燃料直徑大小影響成型燃料吸濕性能，成型燃料直徑大，抗?jié)B水性時間較長，隨著成型直徑減小抗?jié)B水性時間減少，抗?jié)B水性能降低。為延長成型燃料貯存時間，改善吸濕狀況，試驗表明，在木屑中摻人30％稻殼成型燃料，可提高抗吸濕性能，也可以在原料中添加抗?jié)竦恼辰Y(jié)劑或產(chǎn)品用塑料薄膜包裝。

　　1.5棒狀成型燃料的深加工利用

　　生物質(zhì)成型炭是將木質(zhì)棒狀成型材炭化而成，由于成型炭成分同傳統(tǒng)木炭完全相同，不含任何有害成分，清潔衛(wèi)生，可長期保存不會發(fā)生質(zhì)變，與傳統(tǒng)木炭具有同等強度和熱值，因此它是木炭產(chǎn)品的理想替代品。廣泛用于燒烤行業(yè)及以木炭為原料的化工行業(yè)。

　　1.5.1成型炭制造設(shè)備普通的木材炭化爐，所用原料為含水率15％～35％的塊狀木料，而生物質(zhì)成型材的含水率為5％～9％。由于兩者的含水率及本身強度上的巨大差異，決定了適合兩者的炭化爐結(jié)構(gòu)及炭化操作工藝具有顯著不同。針對生物質(zhì)成型材含水率低，強度比木塊差的特點，中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研究開發(fā)了移動式成型炭制造設(shè)備，如圖1。

　　設(shè)備總體由普通型鋼支撐，呈箱形，長×寬×高：2000mm×1500mm×1500mm，內(nèi)層為耐火層，外層為厚度2mm碳鋼板，夾層為保溫層，在設(shè)備前端為一鋼門，以方便爐內(nèi)小車進出，鋼門裝有2個空氣進口，用以調(diào)節(jié)炭化室空氣分布。在設(shè)備的后部，設(shè)計有燃燒室，成型材進行炭化時產(chǎn)生的可燃性氣體及焦油絕大部分在此燃燒干凈，然后進入煙囪，煙囪高12000mm。煙囪下部有30mm開口，以方便收集炭化操作時產(chǎn)生的木焦油及木醋液。

　　1.5.2成型炭制造工藝以5種不同材質(zhì)(樺木屑、松木屑、杉木屑、稻殼、玉米秸稈)為原料，原料粒度小于5mm，經(jīng)壓縮成型為相對密度1.2左右的成型材，每根截成長度為220mm左右，整齊裝進小車，送入炭化設(shè)備進行炭化。從引火材著火起，大約1h左右，小車中的成型材被引燃，爐頂上部溫度在2h后開始上升，在13h以前，上溫緩慢上升，直至200℃左右，下溫在4h后開始緩慢上升，至30h左右，上、下溫度接近一致，表明爐中成型材炭化過程接近終點，此時將炭化爐所有進氣閥門全開，煙囪排煙閥全開，爐中進入大量空氣開始精煉過程，此過程延續(xù)約1h左右即可將小車中的成型材炭化料從爐中拉出，在密封罩中冷卻8h，即得到成型炭產(chǎn)品。

　　目前，棒狀成型燃料在我國生產(chǎn)應(yīng)用廣泛，浙江衢州現(xiàn)代炭業(yè)有限公司，黑龍江綏芬河鑫源炭業(yè)有限公司等均生產(chǎn)棒狀成型燃料。

　　2顆粒成型燃料

　　顆粒成型燃料，是以木屑、樹皮等農(nóng)林剩余物為原料，在高壓加熱條件下，壓縮成顆粒狀且質(zhì)地堅實的成型物，可作為工業(yè)鍋爐、民用爐灶、家庭取明爐以及農(nóng)業(yè)暖房的燃料。顆粒成型燃料與棒狀成型燃料相比，生產(chǎn)時其原料含水率可增大至24％，燃燒的適應(yīng)面更廣等特點。

　　2.1顆粒成型燃料制造設(shè)備

　　中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所與江蘇省溧陽正昌集團合作，于1998年成功開發(fā)KYW32型內(nèi)壓滾動式顆粒成型機，它是由進料、攪拌、成型、傳動系統(tǒng)等組成。操作時，將原料從料斗進入進料器，由無級調(diào)速電機調(diào)速，定量的原料進入攪拌器與從蒸汽進口進入的蒸汽混合后，由下料槽進入成型機的成型室壓制成顆粒成型燃料。

　　成型機的環(huán)模孔尺寸，參照日本、美國專利和根據(jù)實驗室不同原料成型工藝要求，確定?？壮叽鐬槟？字醒胫睆轿?～10mm，入口角60°，?？组L度40mm。

　　2.2顆粒燃料成型工藝條件

　　原料在成型過程中，成型機結(jié)構(gòu)、?？壮叽缫约俺尚凸に嚄l件是相關(guān)的。在確定了成型機結(jié)構(gòu)和?？壮叽绾?，成型工藝成了技術(shù)關(guān)鍵。不同原料制造顆粒成型燃料的主要影響因素有成型壓力、溫度、原料粒度、含水率等。

　　由木質(zhì)素、半纖維素、纖維素組成的木屑等原料，粒度為0.1～2mm，其中木質(zhì)素在加熱下可塑化，具有粘結(jié)性，將原料中的半纖維素、纖維素在壓力下粘結(jié)成成型燃料，所以成型時應(yīng)有合適的溫度和壓力。為了達到合適的溫度，必須對原料(氣干、含水率在11％～12％)在攪拌器中進行加熱增濕處理。蒸汽通人速率為10～22kg／h，可使常溫原料升溫到60～80，同時使原料含水率從11％～12％增濕至16％～22％。在此范圍內(nèi)，當成型壓力為50～100MPa時，能連續(xù)穩(wěn)定制造顆粒成型燃料，生產(chǎn)能力為200kg／h左右，產(chǎn)品質(zhì)量達到日本“全國燃料協(xié)會”公布的顆粒成型燃料標準的特級或一級。

　　2.3顆粒成型燃料的應(yīng)用

　　以木屑等原料制造的顆粒成型燃料，與煤、石油相比，幾乎不含硫，不會產(chǎn)生環(huán)境污染，使用方便。20世紀80年代日本有資料報道，燒成型燃料的費用比燒油低30％～50％。在國外，顆粒成型燃料廣泛地作為工業(yè)鍋爐燃料，作為工廠、學(xué)校、醫(yī)院、家庭取暖燃料。

　　目前，我國有北京盛昌綠能科技有限公司，山東濱州生物質(zhì)燃料有限公司等廠家生產(chǎn)顆粒成型燃料。我國南京平亞科技實業(yè)公司開發(fā)生產(chǎn)了一種家用取暖爐，具有操作方便、美觀大方、清潔衛(wèi)生、安全可靠等一系列優(yōu)點，操作費用遠低于空調(diào)取暖。以150m房間為例，一個冬季僅需0.5～1.0t成型燃料，經(jīng)測算，空調(diào)器耗電近3kWh產(chǎn)生的有效熱量，才相當于1kg成型燃料產(chǎn)生的有效熱量，用電取暖的操作費用高出成型燃料取暖的2倍左右。

　　3結(jié)論

　　生物質(zhì)壓縮成型燃料由于具有較高的壓縮比，極大地方便生物質(zhì)資源的運輸和儲存，同時改善了生物質(zhì)原料的燃燒性能，提高了生物質(zhì)資源的利用效率。作為一種可再生的清潔能源，有著廣闊的發(fā)展前景。目前，我國采用的生物質(zhì)固化成型燃料的形狀主要有棒狀、塊狀和顆粒狀。這幾種形狀燃料的加工方法均為傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，普遍存在著設(shè)備能耗過高、磨損嚴重和使用壽命短等問題。以生產(chǎn)顆粒狀燃料方法為例，它與現(xiàn)有的生產(chǎn)顆粒狀飼料的方法相似，即原料從設(shè)備環(huán)模內(nèi)部加入，經(jīng)壓輥碾壓擠出環(huán)模而成顆粒狀。

　　該工藝流程需要消耗大量能量，首先是顆粒壓制成型過程中，壓強達到50～100MPa，原料在高壓下發(fā)生變形、升溫，溫度可達100～120℃，電動機的驅(qū)動需要消耗大量的電能；其次是原料的含水率要求在12％左右，為了達到這個含水率，很多原料要烘干以后才能用于制粒，這些工藝流程均需消耗大量能量。

　　要解決上述問題，可通過下列途徑：一是加大科研投入，積極研發(fā)新工藝和新設(shè)備，降低能耗，減少生產(chǎn)成本；二是引進國外先進設(shè)備，消化吸收，形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；三是政府扶持，對研制開發(fā)單位和新型生物質(zhì)能用戶進行補貼，降低產(chǎn)品使用成本。

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