生物质燃料成形工艺及前景论文

生物质燃料成形工艺及前景论文

　　日益紧张的化石能源与环境问题使得新能源的研究和应用越来越受到各国的高度重视,大量的资金和科研人员投入到这些项目的研究中[1],对太阳能、风能、生物质能、地热能、水力发电等能源都有一定的研究[2],其中的生物质能利用研究内容包括农作物秸秆、林业剩余物、动物粪便、城市生活垃圾以及淤泥等[3-6]。作为可再生能源的重要组成部分,纤维素类生物质能源具有CO2中性的特点,即利用时产生的 CO2与植物进行光合作用时吸收的CO2量相当,几乎没有 SO2排出,所以减少了利用过程中产生的烟气所引起的酸雨及温室效应的危害[7],这也使生物质能源拥有了更为广阔的应用前景和发展空间。

　　纤维素类生物质主要指农作物秸秆、树木、草本植物、林业加工剩余物以及工农业的产品加工废料,如甘蔗渣、谷壳等,纤维素类生物质的主要成份是纤维素、半纤维素和木质素。目前纤维素类生物质的生物质能转化技术有物理转化、化学转化和生物转化。生物质能的物理转化主要指固体生物质的致密成型,其是将秸秆、稻壳,锯末、木屑等生物质废弃物用机械加压的方法,使原来松散、无定型的原料压缩成具有一定形状、一定密度的固体成型燃料[8],再应用到人们平时的生活和餐饮服务业中,如取暖、烧烤等[9]。生物质的致密成型可以减少运输的空间和成本,使能量可以更加集中应用,如意大利阿吉普公司生产的生物质收获致密成型联合收割机使农业生物质的高效利用得到了很好的发展。

　　1 生物质固体燃料成型工艺及设备

　　1.1 成型工艺

　　生物质燃料的致密成型工艺直接决定了生物质燃料的形状和特性,根据成型条件的不同可以将生物质成型工艺分为常温湿压成型、热压成型、炭化成型和冷压成型[10]。

　　(1)湿压成型工艺:湿压成型是利用水对纤维素的润涨作用,纤维素在水中湿润皱裂并部分降解,使其加压成型得到了很明显的改善。在简单的装置下加压将水分挤出,形成低密度的压缩燃料块。此种方法多用于纤维板的生产。

　　(2)热压成型工艺:热压成型工艺是现在应用较多的生物质压缩成型工艺之一,其工艺流程为:原料粉碎→干燥混合→挤压成型→冷却包装。对于不同的原料种类、粒度、含水率和成型设备,成型工艺参数也要随之变化,但由于木质素在 70~100℃时开始软化具有黏性,当温度达到 200~300℃时呈熔融状,黏性很高[11],在热压过程中可起到黏结剂的作用,所以加热维持成型温度一般在 150~300℃,使木质素、纤维素等软化并挤压成生物质成型块。

　　(3)炭化成型工艺:炭化是在隔绝或限制空气的条件下,将木材、秸秆等在 400~600℃的温度下加热,得到固体炭、气体、液体等产物的技术,以生产炭为主要目的的技术称为制炭,以气体或液体的回收利用为重点的技术称为干馏,两者合称为炭化[12]。炭化成型工艺是将碎料经过炭化,去除其中的挥发分,减少烟和气味,提高燃烧的清洁性。根据炭化工序的先后可分为先成型后炭化工艺和先炭化后成型工艺。①先成型后炭化工艺为:原料→粉碎干燥→成型→炭化→冷却包装;②先炭化后成型工艺为:原料→粉碎除杂→炭化→混合黏结剂→成品干燥、包装。纤维素类生物质经炭化后,成型时表面黏结性能下降,直接压缩成型的生物质固体燃料易松散,不易贮存和运输,因此要加入适当的黏结剂来增加其致密成型的强度,现有的黏结剂如脲醛树脂(UF),水玻璃,糠醛废渣,NaOH、硼砂、水和淀粉混合黏结剂,聚乙烯醇、淀粉和JTJ(代号)混合黏结剂[13],淀粉、木质素类、羧甲基纤维素及焦油等[14]。

　　(4)冷压成型工艺:冷压成型工艺是将生物质颗粒在高压下挤压,利用挤压过程中颗粒与颗粒之间摩擦产生的热量使木质素软化并具有一定的黏结性,从而达到固定成型的效果。冷压成型工艺生产的生物质致密燃料的物理性能没有前几种工艺生产的生物质燃料优良。

　　(5)生物质燃料的致密成型工艺评价指标:松弛密度和耐久性是衡量生物质燃料致密成型物理品质的两个重要指标。适宜的压缩时间,尽可能小的粒度,适当增加压力、温度或加黏结剂,可以达到提高松弛密度的目的。耐久性可以细化为抗变形性、抗跌碎性、抗滚碎性、抗渗水性和抗吸湿性等[15]。此外,将内摩擦角作为影响生物质致密成型燃料的评价指标,也有相应的研究[16]。

　　1.2 成型设备

　　(1)螺旋挤压式成型机:螺旋挤压成型机是靠螺杆挤压生物质,并维持一定的成型温度,使生物质中的纤维素、半纤维素和木质素得到软化,从而减小内部的摩擦,挤压成生物质致密成型块。与纤维板的生产相类似,如果原料的含水率过高,在加热压缩的过程中致密成型块也容易发生开裂和“放炮”现象,所以原料的含水率应控制在 8%~12%之间,成型压力要随着原料和所要求成型块密度的不同而异,一般在4.9~12.74kPa之间,成型燃料的形状通常为空心燃料棒(如图 1(a)所示)。螺旋挤压机运行平稳、生产连续性较好,但螺杆的磨损较严重,使用寿命较短,这也相应地增加了生产成本[17-19]。中国林业科学研究院林产化学工业研究所研制了螺旋挤压式棒状燃料成型机,西北农林科技大学研制出了JX7.5、JX11 和SZJ80A三种植物燃料成型机。

　　(2)活塞冲压式成型机:活塞冲压式成型机根据驱动方式的不同又分为机械驱动活塞式成型机和液压驱动活塞式成型机,其中液压冲压式成型机允许加工含水率较高(20%左右)的原料,常用于生产实心燃料棒或燃料块(如图 1(b)所示),其密度在0.8~1.1g/cm3之间,成型致密燃料块比较容易松散,但在压缩过程中一般不需要加热,也减小了成型部件的损耗。河南农业大学研制了液压往复活塞双向挤压加热成型的棒状燃料成型机,首钢研制了机械活塞冲压式生物质块状燃料成型机,中国农业机械化科学研究院研制了 CYJ-35 型冲压式成型机。

　　(3)压辊式成型机:压辊式成型机主要生产颗粒状的生物质致密成型燃料(如图 1(c)所示),其可分为环模成型机和平模成型机。该机对原料含水率要求较为宽松,一般在 10%~40%之间,颗粒成型燃料的密度在 1.0~1.4g/cm3之间,成型时一般不需要加热,根据原料的状况可适当添加少量黏结剂。压辊式成型机的基本工作部件由压辊和压模组成。其中压辊可以绕自身的轴转动,压辊的外周加工有齿或槽,用于压紧原料而不致打滑。压模有圆盘或圆环形两种,压模上加工有成型孔,原料进入压辊和压模之间,在压辊的作用下被压入成型孔内。从成型孔内压出的原料就变成圆柱形或棱柱形,最后用切断刀切成颗粒状成型燃料。中南林业科技大学开发了生物质颗粒燃料成型机,河南省科学院能源研究所研制了在常温下生产颗粒燃料的环模式成型机,清华大学清洁能源研究与教育中心研制了常温成型颗粒燃料生产设备。

　　2生物质固体燃料成型和燃烧的影响因素

　　2.1原料种类

　　生物质固体成型过程中,依靠木质素在较高温度下软化呈熔融状态、在外压力作用下流动的特性,可以起到胶黏剂的效果,所以木质素在生物质中的含量直接影响燃料的成型。生物质的密度也对成型有一定的影响,密度大的原料较难压缩成型。2.2原料含水率不同工艺对生物质的含水率都有相应的要求。颗粒成型工艺所用原料的含水率一般在15%~25%之间;棒状成型燃料所用原料的含水率不大于 10%。在热压成型中,含水率过高,水蒸气不容易从原料中溢出,会发生气堵或“放炮”现象;而含水率过低又会影响木质素的软化点。

　　2.3 原料粒度

　　粒度小的原料容易压缩,可增大生物质固体燃料的密度。但采用冲压成型时要求原料具有较大的尺寸或较长的纤维,以避免原料粒度过小而脱落,给运输造成不便。

　　2.4成型压力与压模几何形状

　　成型压力影响成型密度,但受设备能力的限制,制约了成型压力的增加;压膜的几何形状影响成型压力以及摩擦力的大小。

　　2.5 成型温度

　　成型温度高会使原料本身变软,木质素软化,容易压缩成型,但温度过高会造成模子退火、耐磨性降低、寿命缩短,而且还会使物料炭化严重,降低表面黏结性能而影响成型。

　　2.6添加剂

　　生物质固体成型过程中使用的添加剂主要是聚环氯乙烷,其可以中和成型燃料颗粒表层和扩散层(水分)之间产生的电动势,使成型块的结合更加牢固[20]。

　　3 存在的问题与展望

　　生物质固体燃料的成型工艺技术已经得到了快速发展,但仍存在产品制造成本高、机器磨损大、燃料燃烧性能差等问题。生物质固体燃料要作为一种清洁的可再生能源来应用,还需在改善成型燃料耐久性、减少烟气排放、提高燃烧热值和持久性等方面进行深入研究。在原料粉碎过程中,为了增大成型燃料的比表面积,改善燃烧特性,要深入研究实现原料微粉碎的方法;在炭化成型工艺中,研究原料炭化后的结构和化学组分对选择合适的黏结剂及提高成型燃料块强度有很大的帮助。此外,要进一步改进成型设备,使成型设备与成型机理和工艺相协调,实现生物质固体燃料生产自动化,提高生产效率,降低生产成本,使生物质固体燃料得到更加广泛的应用。

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