我國生物質燃料固化成型設備研究現狀

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我國生物質燃料固化成型設備研究現狀簡介
      摘要:隨著我國經濟的不斷發展,生物質能顯得越來越重要。為此,闡述了秸稈固化燃料的優點,詳細論述了生物質固化燃料緻密成型原理及其工藝流程;在明確秸稈固……
我國生物質燃料固化成型設備研究現狀正文
    


摘要:隨著我國經濟的不斷發展,生物質能顯得越來越重要。為此,闡述了秸稈固化燃料的優點,詳細論述了生物質固化燃料緻密成型原理及其工藝流程;在明確秸稈固化工藝前提下,分析了當前秸稈固化成型設備及常見機型,最後針對我國生物質固化成型燃料存在問題提出了解決途徑。


0引言


生物質能是蘊藏在生物質中的能量,是綠色植物通過葉綠素將太陽能轉化為化學能而貯存在生物質內部的能量。生物質能僅次於煤炭、石油和天然氣,居於世界能源消費總量第4位。


據專家預測,生物質能極有可能成為未來可持續能源系統的重要組成部分,到21世紀中葉,採用新技術生產的各種生物質替代燃料將佔全球總燃料消耗的40%以上。由於生物質替代燃料具有無污染、可再生等顯著特點,因此日益受到各國的重視。隨著我國經濟的不斷發展,能源短缺問題顯得日益突出,為了解決能源危機、減輕環境污染、保護生態環境,開發利用生物質能顯得尤為重要。


目前,世界農作物秸稈年產量超過20億t。我國作為農業大國,秸稈資源十分豐富,而且逐年遞增。目前,我國的秸稈產出量已超過7億t,摺合成標煤約為3.5億t,相當於7個神東煤田,全部利用可以減排8.5億t二氧化碳,相當於2007年全國二氧化碳排放量的1/8。隨著國家明確提出到2015年秸稈綜合利用率在80%的行動目標,我國秸稈資源化駛入快車道。以“秸稈能源”為代表的生物質能利用,在大力發展低碳經濟的背景下,進入人們的視野。


生物質固化成型燃料是將作物秸稈、稻殼、木屑等農林廢棄物粉碎后,送入成型器械中,在外力作用下,壓縮成需要的形狀;然後,作為燃料直接燃燒,也可進一步加工,形成生物炭。


在國外,該生產方法已經成熟,如丹麥、德國、比利時、美國、日本等國家已實現了工廠化生產,其產品主要用於取暖爐、鍋爐發電等。目前,我國研究和開發出的生物質固化成型機也已應用於生產,生產的緻密成型燃料,也已應用於取暖和小型鍋爐。經測定,該種燃料排放的污染物低於煤的排放,是一種高效、潔凈的可再生能源。


1秸稈固化燃料優點


1.1應用便利,易於貯運


固化成型法與其它方法生產生物質能相比較,具有生產工藝、設備簡單,易於操作,生產設備對各種原料的適應性強以及固化成型的燃料便於貯運(可長時間存貯和長途運輸)和易於實現產業化生產和大規模使用等特點。另外,對現有燃燒設備,包括鍋爐、爐灶等,經簡單改造即可使用。成型燃料使用起來方便,特別對我國北方高寒地區,炕灶是冬季主要的取暖形式,在廣大農村有傳統的使用習慣,成型燃料也易於被老百姓所接受。


1.2替代煤炭,保護生態環境


預計到2020年,中國的GDP可能達到5萬億美元,能源需求25~30億t標煤。其中,僅石油缺口達1.6~2.2億t。大量燃燒一次性能源,排放大量的SO和CO2等,對環境造成污染,加劇了地球溫室效應。我國目前農作物秸稈年產量約為6億t,摺合標煤3億t,其中53%作為燃料使用,約摺合1.59億t標煤。如果這些原料都能固化成型有效開發利用,替代原煤,對於有效緩解能源緊張,治理有機廢棄物污染,保護生態環境,促進人與自然和諧發展等均具有重要的意義。


1.3提高能源利用率


直接燃燒生物質的熱效率僅為10%~30%,而生物質製成顆粒以後經燃燒器(包括爐、灶等)燃燒,其熱效率為87%~89%,熱效率提高57~79個百分點,節約了大量能源。不同類型的生物質固體成型燃料如圖1所示。


圖1不同類型的生物質固體成型燃料


2生物質固化燃料緻密成型原理


植物質原料中含有纖維素、半纖維素、木素、樹脂和蠟等物質。一般在闊葉木、針葉木中,木素含量為27%~32%(絕干原料)、禾草類中含量為14%~25%。現在知道木質素是具有芳香族特性的結構,單體為苯基丙烷型的立體結構高分子化合物,不同種類的植物質都含有木質素,而其組成、結構不完全一樣。在常溫下木質素主要部分不溶於有機溶劑,它屬於非晶體,沒有熔點但有軟化點,當溫度為70~110℃時軟化具有粘性。


當溫度到達200~300℃時成熔融狀,粘性高,此時加以一定的壓力使植物質各部分粘結在模具內成型。對植物質原料加熱軟化,也利於減少成型的擠壓力。燃料可按用戶要求,使用不同規格的模具,製成多種規格尺寸的成型燃料品。因此,現代的壓縮成型設備尤其是生物質成型塊較大的機械,多在成型模的末端,用電阻絲加熱,達到既成型又減少阻力的目的。


3生物質壓縮成型原理


生物質的基本組織是纖維素、半纖維素和木質素,它們有一個共同的特點,是在適當的溫度(通常為200~300℃)下會軟化,此時如施加一定的壓力,使其緊密粘結,冷卻后即固化成型。


生物質固體成型燃料就是利用生物質的這種特性,用壓縮成型機械,將經過乾燥和粉碎過的鬆散的生物質廢料在超高壓(0.5~1t/cm2)的條件下,靠機械與生物質廢料之間及其生物質廢料相互之間摩擦產生的熱量或外部加熱,使纖維素、木質素軟化,經擠壓成型后而得到的具有一定形狀和規格的新型燃料。其生產工藝流程如下:原料—(粉碎)—過篩—乾燥—(混料)—成型—(冷卻)—包裝。


4秸稈固化成型工藝


4.1熱成型工藝


熱成型工藝是目前普遍採用的生物質固化成型工藝。其工藝流程為:


原料粉碎→乾燥混合→加壓成型→冷卻包裝


熱成型技術發展到今天,已有各種各樣的成型工藝問世,總的看來可以根據原料被加熱的部位不同,將其劃分為兩類:一是原料只在成型部位加熱,成為非預熱熱壓成型工藝;二是原料在進入壓縮結構之前和在成型部位分別加熱,成為預熱熱壓成型工藝。兩種不同之處在於預熱熱壓工藝在原料進入成型機之前對其進行了預熱處理;但是從實際應用情況看,非預熱熱壓成型工藝佔主導地位。


4.2常溫成型工藝


此工藝為在常溫先將生物質燃料顆粒高壓擠壓成型的過程。常溫成型工藝一般需要很大的成型壓力,可在成型過程中加入一定的黏結劑。如果黏結劑選擇不合理,會對成型燃料的特性有所影響。從環保角度,不加任何添加劑的常溫成型是現代的主流。


4.3其他成型工藝


除了上述主要成型工藝外,還有碳化成型工藝。該工藝可以分為兩類:一類是先成型后炭化;一類是先炭化后成型。先成型后炭化工藝流程為:原料→粉碎乾燥→成型→炭化→冷卻包裝。


先用壓縮成型的機將鬆散碎細的植物廢料壓縮成具有一定密度和形狀的燃料棒,然後用炭化爐將燃料棒炭化成木炭。這種工藝具有實用價值。先炭化后成型工藝的工藝流程為:原料粉碎→粉碎除雜→炭化→混合粘結劑→擠壓成型→乾燥→包裝。


5秸稈固化成型設備及常見機型


根據秸稈壓縮成型機工作原理的不同,可將秸稈固化成型技術分為3大類,即螺旋擠壓成型、活塞衝壓成型和環模滾壓技術。


螺旋擠壓成型是將已粉碎的秸稈,通過螺旋推進器,連續不斷地推向錐形成型筒的前端,從而使秸稈成型。活塞衝壓成型時靠活塞的往複運動實現的,在壓縮工程中,通過摩擦作用或外部加熱的方式,使秸稈黏結成型,成型溫度為140~200℃。環模滾壓成型的模具直徑較小,通常小於30mm,並且每一個壓膜碟片上有很多成型孔,主要用於生產顆粒成型燃料。


5.1螺旋擠壓式成型機


螺旋擠壓式成型機是最早研製生產的生物質熱壓成型機。該機以運行平穩、生產連續等特性在市場中一直佔據著主導地位。但主要有兩個問題制約其發展:一是成型部件,尤其是螺桿磨損嚴重,使用壽命短;二是單位產品能耗高,並且生產率相對較低,成型過程對物料含水率,顆粒大小等有嚴格要求,因此成型工藝不好掌握。


5.2柱塞衝壓式成型機


柱塞衝壓式成型機通常不用加熱,原料的成型是靠柱塞的往複運動實現的,通常用於生產燃料棒或燃料塊,允許原料含水率高達20%左右,粒度範圍也相對較廣。與螺旋擠壓式成型機相比,其明顯改善了成型部件磨損嚴重的現象,使其使用壽命有所提高,單位產品能耗也有所下降,但由於存在較大的振動負荷,所以一方面造成機器運行穩定性差,另一方面導致噪音較大,另外還存在潤滑油污染較嚴重等問題。


5.3輥壓式顆粒成型機


輥壓式顆粒成型機主要用於生產顆粒狀成型燃料,不用電加熱,這種機型具有構造簡單、結構緊湊和使用方便等特點。


壓輥式成型機的基本工作部件由壓輥和壓模組成。其中,壓輥可以繞自己的軸轉動,壓模上加工有成型孔,原料進入壓輥和壓模之間,在壓輥的作用下被壓入成型孔內。從成型孔內壓出的原料就變成圓柱形或稜柱形,最後用切刀切成顆粒狀成型燃料。根據壓模形狀的不同,此類成型機可分為平模成型機和環模成型機。生物質顆粒燃料體積較小,燃燒速率均勻,燃料補給和連續進料容易實現和控制。


6存在問題及解決途徑


目前,我國採用的生物質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生產方法,普遍存在著設備能耗過高、磨損嚴重和使用壽命短等問題。


以生產顆粒狀燃料方法為例,它與現有的生產顆粒狀飼料的方法相似,即原料從設備環模內部加入,經壓輥碾壓擠出環模而成顆粒狀。該工藝流程需要消耗大量能量,首先是顆粒壓製成型過程中,壓強達到50~100MPa,原料在高壓下發生變形、升溫,溫度可達100~120℃,電動機的驅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,很多原料要烘乾以後才能用於制粒;再者是壓制出來的熱顆粒需要冷卻,然後才能進行包裝,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,積極研發新工藝和新設備,降低能耗,減少生產成本;二是引進國外先進設備,消化吸收,形成產業化生產;三是政府扶持,對研製開發單位和用新型生物質能用戶進行補貼,降低產品使用成本。


7結論


生物質能作為一種可再生能源,具有取之不盡、用之不竭的特點。在當今國際能源競爭日益激烈,傳統能源面臨枯竭的情況下,對於其有效開發利用,尋找一條見效快、方便可行、易於被廣大用戶接受的利用途徑,固化成型法是可行的;但還需進一步研究生物質緻密成型設備關鍵技術與不同生物質原料的緻密成型工藝與燃料品質特性。


目前,生物質緻密成型機器運行穩定性差,存在較大的振動負荷,噪音較大,另外還存在潤滑油污染較嚴重等問題。因此,應進一步提高生物質成型燃料關鍵設備的設計、製造以及成型模具的耐磨性的水平。(王慶和 東北農業大學工程學院,哈爾濱150030;孫勇 黑龍江農業職業技術學院,黑龍江佳木斯154007)

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