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生物質(zhì)燃料成形工藝及前景論文
日益緊張的化石能源與環(huán)境問題使得新能源的研究和應(yīng)用越來越受到各國的高度重視,大量的資金和科研人員投入到這些項(xiàng)目的研究中[1],對太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮�、水力發(fā)電等能源都有一定的研究[2],其中的生物質(zhì)能利用研究內(nèi)容包括農(nóng)作物秸稈、林業(yè)剩余物、動(dòng)物糞便、城市生活垃圾以及淤泥等[3-6]。作為可再生能源的重要組成部分,纖維素類生物質(zhì)能源具有CO2中性的特點(diǎn),即利用時(shí)產(chǎn)生的 CO2與植物進(jìn)行光合作用時(shí)吸收的CO2量相當(dāng),幾乎沒有 SO2排出,所以減少了利用過程中產(chǎn)生的煙氣所引起的酸雨及溫室效應(yīng)的危害[7],這也使生物質(zhì)能源擁有了更為廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。
纖維素類生物質(zhì)主要指農(nóng)作物秸稈、樹木、草本植物、林業(yè)加工剩余物以及工農(nóng)業(yè)的產(chǎn)品加工廢料,如甘蔗渣、谷殼等,纖維素類生物質(zhì)的主要成份是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素。目前纖維素類生物質(zhì)的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)有物理轉(zhuǎn)化、化學(xué)轉(zhuǎn)化和生物轉(zhuǎn)化。生物質(zhì)能的物理轉(zhuǎn)化主要指固體生物質(zhì)的致密成型,其是將秸稈、稻殼,鋸末、木屑等生物質(zhì)廢棄物用機(jī)械加壓的方法,使原來松散、無定型的原料壓縮成具有一定形狀、一定密度的固體成型燃料[8],再應(yīng)用到人們平時(shí)的生活和餐飲服務(wù)業(yè)中,如取暖、燒烤等[9]。生物質(zhì)的致密成型可以減少運(yùn)輸?shù)目臻g和成本,使能量可以更加集中應(yīng)用,如意大利阿吉普公司生產(chǎn)的生物質(zhì)收獲致密成型聯(lián)合收割機(jī)使農(nóng)業(yè)生物質(zhì)的高效利用得到了很好的發(fā)展。
1 生物質(zhì)固體燃料成型工藝及設(shè)備
1.1 成型工藝
生物質(zhì)燃料的致密成型工藝直接決定了生物質(zhì)燃料的形狀和特性,根據(jù)成型條件的不同可以將生物質(zhì)成型工藝分為常溫濕壓成型、熱壓成型、炭化成型和冷壓成型[10]。
(1)濕壓成型工藝:濕壓成型是利用水對纖維素的潤漲作用,纖維素在水中濕潤皺裂并部分降解,使其加壓成型得到了很明顯的改善。在簡單的裝置下加壓將水分?jǐn)D出,形成低密度的壓縮燃料塊。此種方法多用于纖維板的生產(chǎn)。
(2)熱壓成型工藝:熱壓成型工藝是現(xiàn)在應(yīng)用較多的生物質(zhì)壓縮成型工藝之一,其工藝流程為:原料粉碎→干燥混合→擠壓成型→冷卻包裝。對于不同的原料種類、粒度、含水率和成型設(shè)備,成型工藝參數(shù)也要隨之變化,但由于木質(zhì)素在 70~100℃時(shí)開始軟化具有黏性,當(dāng)溫度達(dá)到 200~300℃時(shí)呈熔融狀,黏性很高[11],在熱壓過程中可起到黏結(jié)劑的作用,所以加熱維持成型溫度一般在 150~300℃,使木質(zhì)素、纖維素等軟化并擠壓成生物質(zhì)成型塊。
(3)炭化成型工藝:炭化是在隔絕或限制空氣的條件下,將木材、秸稈等在 400~600℃的溫度下加熱,得到固體炭、氣體、液體等產(chǎn)物的技術(shù),以生產(chǎn)炭為主要目的的技術(shù)稱為制炭,以氣體或液體的回收利用為重點(diǎn)的技術(shù)稱為干餾,兩者合稱為炭化[12]。炭化成型工藝是將碎料經(jīng)過炭化,去除其中的揮發(fā)分,減少煙和氣味,提高燃燒的清潔性。根據(jù)炭化工序的先后可分為先成型后炭化工藝和先炭化后成型工藝。①先成型后炭化工藝為:原料→粉碎干燥→成型→炭化→冷卻包裝;②先炭化后成型工藝為:原料→粉碎除雜→炭化→混合黏結(jié)劑→成品干燥、包裝。纖維素類生物質(zhì)經(jīng)炭化后,成型時(shí)表面黏結(jié)性能下降,直接壓縮成型的生物質(zhì)固體燃料易松散,不易貯存和運(yùn)輸,因此要加入適當(dāng)?shù)酿そY(jié)劑來增加其致密成型的強(qiáng)度,現(xiàn)有的黏結(jié)劑如脲醛樹脂(UF),水玻璃,糠醛廢渣,NaOH、硼砂、水和淀粉混合黏結(jié)劑,聚乙烯醇、淀粉和JTJ(代號)混合黏結(jié)劑[13],淀粉、木質(zhì)素類、羧甲基纖維素及焦油等[14]。
(4)冷壓成型工藝:冷壓成型工藝是將生物質(zhì)顆粒在高壓下擠壓,利用擠壓過程中顆粒與顆粒之間摩擦產(chǎn)生的熱量使木質(zhì)素軟化并具有一定的黏結(jié)性,從而達(dá)到固定成型的效果。冷壓成型工藝生產(chǎn)的生物質(zhì)致密燃料的物理性能沒有前幾種工藝生產(chǎn)的生物質(zhì)燃料優(yōu)良。
(5)生物質(zhì)燃料的致密成型工藝評價(jià)指標(biāo):松弛密度和耐久性是衡量生物質(zhì)燃料致密成型物理品質(zhì)的兩個(gè)重要指標(biāo)。適宜的壓縮時(shí)間,盡可能小的粒度,適當(dāng)增加壓力、溫度或加黏結(jié)劑,可以達(dá)到提高松弛密度的目的。耐久性可以細(xì)化為抗變形性、抗跌碎性、抗?jié)L碎性、抗?jié)B水性和抗吸濕性等[15]。此外,將內(nèi)摩擦角作為影響生物質(zhì)致密成型燃料的評價(jià)指標(biāo),也有相應(yīng)的研究[16]。
1.2 成型設(shè)備
(1)螺旋擠壓式成型機(jī):螺旋擠壓成型機(jī)是靠螺桿擠壓生物質(zhì),并維持一定的成型溫度,使生物質(zhì)中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素得到軟化,從而減小內(nèi)部的摩擦,擠壓成生物質(zhì)致密成型塊。與纖維板的生產(chǎn)相類似,如果原料的含水率過高,在加熱壓縮的過程中致密成型塊也容易發(fā)生開裂和“放炮”現(xiàn)象,所以原料的含水率應(yīng)控制在 8%~12%之間,成型壓力要隨著原料和所要求成型塊密度的不同而異,一般在4.9~12.74kPa之間,成型燃料的形狀通常為空心燃料棒(如圖 1(a)所示)。螺旋擠壓機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、生產(chǎn)連續(xù)性較好,但螺桿的磨損較嚴(yán)重,使用壽命較短,這也相應(yīng)地增加了生產(chǎn)成本[17-19]。中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研制了螺旋擠壓式棒狀燃料成型機(jī),西北農(nóng)林科技大學(xué)研制出了JX7.5、JX11 和SZJ80A三種植物燃料成型機(jī)。
(2)活塞沖壓式成型機(jī):活塞沖壓式成型機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同又分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī),其中液壓沖壓式成型機(jī)允許加工含水率較高(20%左右)的原料,常用于生產(chǎn)實(shí)心燃料棒或燃料塊(如圖 1(b)所示),其密度在0.8~1.1g/cm3之間,成型致密燃料塊比較容易松散,但在壓縮過程中一般不需要加熱,也減小了成型部件的損耗。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了液壓往復(fù)活塞雙向擠壓加熱成型的棒狀燃料成型機(jī),首鋼研制了機(jī)械活塞沖壓式生物質(zhì)塊狀燃料成型機(jī),中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制了 CYJ-35 型沖壓式成型機(jī)。
(3)壓輥式成型機(jī):壓輥式成型機(jī)主要生產(chǎn)顆粒狀的生物質(zhì)致密成型燃料(如圖 1(c)所示),其可分為環(huán)模成型機(jī)和平模成型機(jī)。該機(jī)對原料含水率要求較為寬松,一般在 10%~40%之間,顆粒成型燃料的密度在 1.0~1.4g/cm3之間,成型時(shí)一般不需要加熱,根據(jù)原料的狀況可適當(dāng)添加少量黏結(jié)劑。壓輥式成型機(jī)的基本工作部件由壓輥和壓模組成。其中壓輥可以繞自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng),壓輥的外周加工有齒或槽,用于壓緊原料而不致打滑。壓模有圓盤或圓環(huán)形兩種,壓模上加工有成型孔,原料進(jìn)入壓輥和壓模之間,在壓輥的作用下被壓入成型孔內(nèi)。從成型孔內(nèi)壓出的原料就變成圓柱形或棱柱形,最后用切斷刀切成顆粒狀成型燃料。中南林業(yè)科技大學(xué)開發(fā)了生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī),河南省科學(xué)院能源研究所研制了在常溫下生產(chǎn)顆粒燃料的環(huán)模式成型機(jī),清華大學(xué)清潔能源研究與教育中心研制了常溫成型顆粒燃料生產(chǎn)設(shè)備。
2生物質(zhì)固體燃料成型和燃燒的影響因素
2.1原料種類
生物質(zhì)固體成型過程中,依靠木質(zhì)素在較高溫度下軟化呈熔融狀態(tài)、在外壓力作用下流動(dòng)的特性,可以起到膠黏劑的效果,所以木質(zhì)素在生物質(zhì)中的含量直接影響燃料的成型。生物質(zhì)的密度也對成型有一定的影響,密度大的原料較難壓縮成型。2.2原料含水率不同工藝對生物質(zhì)的含水率都有相應(yīng)的要求。顆粒成型工藝所用原料的含水率一般在15%~25%之間;棒狀成型燃料所用原料的含水率不大于 10%。在熱壓成型中,含水率過高,水蒸氣不容易從原料中溢出,會(huì)發(fā)生氣堵或“放炮”現(xiàn)象;而含水率過低又會(huì)影響木質(zhì)素的軟化點(diǎn)。
2.3 原料粒度
粒度小的原料容易壓縮,可增大生物質(zhì)固體燃料的密度。但采用沖壓成型時(shí)要求原料具有較大的尺寸或較長的纖維,以避免原料粒度過小而脫落,給運(yùn)輸造成不便。
2.4成型壓力與壓模幾何形狀
成型壓力影響成型密度,但受設(shè)備能力的限制,制約了成型壓力的增加;壓膜的幾何形狀影響成型壓力以及摩擦力的大小。
2.5 成型溫度
成型溫度高會(huì)使原料本身變軟,木質(zhì)素軟化,容易壓縮成型,但溫度過高會(huì)造成模子退火、耐磨性降低、壽命縮短,而且還會(huì)使物料炭化嚴(yán)重,降低表面黏結(jié)性能而影響成型。
2.6添加劑
生物質(zhì)固體成型過程中使用的添加劑主要是聚環(huán)氯乙烷,其可以中和成型燃料顆粒表層和擴(kuò)散層(水分)之間產(chǎn)生的電動(dòng)勢,使成型塊的結(jié)合更加牢固[20]。
3 存在的問題與展望
生物質(zhì)固體燃料的成型工藝技術(shù)已經(jīng)得到了快速發(fā)展,但仍存在產(chǎn)品制造成本高、機(jī)器磨損大、燃料燃燒性能差等問題。生物質(zhì)固體燃料要作為一種清潔的可再生能源來應(yīng)用,還需在改善成型燃料耐久性、減少煙氣排放、提高燃燒熱值和持久性等方面進(jìn)行深入研究。在原料粉碎過程中,為了增大成型燃料的比表面積,改善燃燒特性,要深入研究實(shí)現(xiàn)原料微粉碎的方法;在炭化成型工藝中,研究原料炭化后的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分對選擇合適的黏結(jié)劑及提高成型燃料塊強(qiáng)度有很大的幫助。此外,要進(jìn)一步改進(jìn)成型設(shè)備,使成型設(shè)備與成型機(jī)理和工藝相協(xié)調(diào),實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)固體燃料生產(chǎn)自動(dòng)化,提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,使生物質(zhì)固體燃料得到更加廣泛的應(yīng)用。
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