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生物質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目的研究中[1],對太陽能、風能、生物質能、地熱能、水力發(fā)電等能源都有一定的研究[2],其中的生物質能利用研究內容包括農作物秸稈、林業(yè)剩余物、動物糞便、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,纖維素類生物質能源具有CO2中性的特點,即利用時產生的 CO2與植物進行光合作用時吸收的CO2量相當,幾乎沒有 SO2排出,所以減少了利用過程中產生的煙氣所引起的酸雨及溫室效應的危害[7],這也使生物質能源擁有了更為廣闊的應用前景和發(fā)展空間。
纖維素類生物質主要指農作物秸稈、樹木、草本植物、林業(yè)加工剩余物以及工農業(yè)的產品加工廢料,如甘蔗渣、谷殼等,纖維素類生物質的主要成份是纖維素、半纖維素和木質素。目前纖維素類生物質的生物質能轉化技術有物理轉化、化學轉化和生物轉化。生物質能的物理轉化主要指固體生物質的致密成型,其是將秸稈、稻殼,鋸末、木屑等生物質廢棄物用機械加壓的方法,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],再應用到人們平時的生活和餐飲服務業(yè)中,如取暖、燒烤等[9]。生物質的致密成型可以減少運輸?shù)目臻g和成本,使能量可以更加集中應用,如意大利阿吉普公司生產的生物質收獲致密成型聯(lián)合收割機使農業(yè)生物質的高效利用得到了很好的發(fā)展。
1 生物質固體燃料成型工藝及設備
1.1 成型工藝
生物質燃料的致密成型工藝直接決定了生物質燃料的形狀和特性,根據(jù)成型條件的不同可以將生物質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擠出,形成低密度的壓縮燃料塊。此種方法多用于纖維板的生產。
(2)熱壓成型工藝:熱壓成型工藝是現(xiàn)在應用較多的生物質壓縮成型工藝之一,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、含水率和成型設備,成型工藝參數(shù)也要隨之變化,但由于木質素在 70~100℃時開始軟化具有黏性,當溫度達到 200~300℃時呈熔融狀,黏性很高[11],在熱壓過程中可起到黏結劑的作用,所以加熱維持成型溫度一般在 150~300℃,使木質素、纖維素等軟化并擠壓成生物質成型塊。
(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、液體等產物的技術,以生產炭為主要目的的技術稱為制炭,以氣體或液體的回收利用為重點的技術稱為干餾,兩者合稱為炭化[12]。炭化成型工藝是將碎料經過炭化,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→混合黏結劑→成品干燥、包裝。纖維素類生物質經炭化后,成型時表面黏結性能下降,直接壓縮成型的生物質固體燃料易松散,不易貯存和運輸,因此要加入適當?shù)酿そY劑來增加其致密成型的強度,現(xiàn)有的黏結劑如脲醛樹脂(UF),水玻璃,糠醛廢渣,NaOH、硼砂、水和淀粉混合黏結劑,聚乙烯醇、淀粉和JTJ(代號)混合黏結劑[13],淀粉、木質素類、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生的熱量使木質素軟化并具有一定的黏結性,從而達到固定成型的效果。冷壓成型工藝生產的生物質致密燃料的物理性能沒有前幾種工藝生產的生物質燃料優(yōu)良。
(5)生物質燃料的致密成型工藝評價指標:松弛密度和耐久性是衡量生物質燃料致密成型物理品質的兩個重要指標。適宜的壓縮時間,盡可能小的粒度,適當增加壓力、溫度或加黏結劑,可以達到提高松弛密度的目的。耐久性可以細化為抗變形性、抗跌碎性、抗?jié)L碎性、抗?jié)B水性和抗吸濕性等[15]。此外,將內摩擦角作為影響生物質致密成型燃料的評價指標,也有相應的研究[16]。
1.2 成型設備
(1)螺旋擠壓式成型機:螺旋擠壓成型機是靠螺桿擠壓生物質,并維持一定的成型溫度,使生物質中的纖維素、半纖維素和木質素得到軟化,從而減小內部的摩擦,擠壓成生物質致密成型塊。與纖維板的生產相類似,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)。螺旋擠壓機運行平穩(wěn)、生產連續(xù)性較好,但螺桿的磨損較嚴重,使用壽命較短,這也相應地增加了生產成本[17-19]。中國林業(yè)科學研究院林產化學工業(yè)研究所研制了螺旋擠壓式棒狀燃料成型機,西北農林科技大學研制出了JX7.5、JX11 和SZJ80A三種植物燃料成型機。
(2)活塞沖壓式成型機:活塞沖壓式成型機根據(jù)驅動方式的不同又分為機械驅動活塞式成型機和液壓驅動活塞式成型機,其中液壓沖壓式成型機允許加工含水率較高(20%左右)的原料,常用于生產實心燃料棒或燃料塊(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。河南農業(yè)大學研制了液壓往復活塞雙向擠壓加熱成型的棒狀燃料成型機,首鋼研制了機械活塞沖壓式生物質塊狀燃料成型機,中國農業(yè)機械化科學研究院研制了 CYJ-35 型沖壓式成型機。
(3)壓輥式成型機:壓輥式成型機主要生產顆粒狀的生物質致密成型燃料(如圖 1(c)所示),其可分為環(huán)模成型機和平模成型機。該機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,成型時一般不需要加熱,根據(jù)原料的狀況可適當添加少量黏結劑。壓輥式成型機的基本工作部件由壓輥和壓模組成。其中壓輥可以繞自身的軸轉動,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)科技大學開發(fā)了生物質顆粒燃料成型機,河南省科學院能源研究所研制了在常溫下生產顆粒燃料的環(huán)模式成型機,清華大學清潔能源研究與教育中心研制了常溫成型顆粒燃料生產設備。
2生物質固體燃料成型和燃燒的影響因素
2.1原料種類
生物質固體成型過程中,依靠木質素在較高溫度下軟化呈熔融狀態(tài)、在外壓力作用下流動的特性,可以起到膠黏劑的效果,所以木質素在生物質中的含量直接影響燃料的成型。生物質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的含水率都有相應的要求。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,會發(fā)生氣堵或“放炮”現(xiàn)象;而含水率過低又會影響木質素的軟化點。
2.3 原料粒度
粒度小的原料容易壓縮,可增大生物質固體燃料的密度。但采用沖壓成型時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
成型溫度高會使原料本身變軟,木質素軟化,容易壓縮成型,但溫度過高會造成模子退火、耐磨性降低、壽命縮短,而且還會使物料炭化嚴重,降低表面黏結性能而影響成型。
2.6添加劑
生物質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散層(水分)之間產生的電動勢,使成型塊的結合更加牢固[20]。
3 存在的問題與展望
生物質固體燃料的成型工藝技術已經得到了快速發(fā)展,但仍存在產品制造成本高、機器磨損大、燃料燃燒性能差等問題。生物質固體燃料要作為一種清潔的可再生能源來應用,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構和化學組分對選擇合適的黏結劑及提高成型燃料塊強度有很大的幫助。此外,要進一步改進成型設備,使成型設備與成型機理和工藝相協(xié)調,實現(xiàn)生物質固體燃料生產自動化,提高生產效率,降低生產成本,使生物質固體燃料得到更加廣泛的應用。
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