1、生物質(zhì)顆粒燃料致密成型技術(shù)的原理及工藝1.1生物質(zhì)顆粒燃料致密成型原理
生物質(zhì)顆粒燃料致密成型技術(shù)是指具有一定粒度的農(nóng)林廢棄物（木屑、鋸末、稻殼、樹枝、秸稈等）干燥后在一定的壓力作用下（加熱或不加熱），可連續(xù)擠壓制成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料的加工工藝，如上圖所示，有些致密成型技術(shù)還需要加入一定的添加劑或黏結(jié)劑。一般生物質(zhì)致密成型主要是利用木質(zhì)素的膠黏作用。農(nóng)林廢棄物主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，木質(zhì)素為光合作用形成的天然聚合體，具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，是高分子物質(zhì)，在植物中含量約為15%～30%。當(dāng)溫度達到70～100℃，木質(zhì)素開始軟化，并有一定的黏度。當(dāng)達到200～300℃時，呈熔融狀，黏度變高。此時若施加一定的外力，可使它與纖維素緊密粘結(jié)，使植物體積大量減少，密度顯著增加，取消外力后，由于非彈性的纖維分子間的相互纏繞，其仍能保持給定形狀，冷卻后強度進一步增加，成為成型顆粒燃料。
生物質(zhì)原料經(jīng)過顆粒機或者秸稈壓塊機擠壓成型后，體積縮小，密度可達1t/m3左右，含水率在10%左右，便于貯存和運輸。成型顆粒燃料在燃燒過程中熱值可達16000k/kg左右，并且“零排放”，即基本不排渣、無煙塵、無二氧化硫等有害氣體，不污染環(huán)境，熱性能優(yōu)于木材，體積發(fā)熱量與中質(zhì)煤相當(dāng)，可廣泛用于民用炊事爐、取暖爐、生物質(zhì)氣化爐、高效燃燒爐和小型鍋爐，是易于進行商品化生產(chǎn)和銷售的可再生能源。
1.2生物質(zhì)顆粒燃料致密成型技術(shù)分類及特點
生物質(zhì)顆粒燃料致密成型工藝有多種，根據(jù)工藝特性的差別，可劃分為冷壓致密成型、熱壓致密成型和碳化致密成型。
(1)冷壓致密成型冷壓致密成型一般是輥壓成型，有水平軸式環(huán)模擠壓成型、垂直軸式環(huán)模擠壓成型和平面輥壓成型。冷壓致密成型工藝常用于含水量較高的原料。原料進入成型室后，在壓輥或壓模的轉(zhuǎn)動作用下，進入壓模與壓輥之間，然后擠入成型孔，從成型孔擠出的原料被擠壓成型，再用切刀切割成一定長度的顆粒狀或塊狀燃料。該機型主要用于木材加工廠的木屑和秸稈碎料。成型設(shè)備一般比較簡單，價格較低，但由于死角較大，引起無用能耗大，成型部件磨損較快。工作中易出現(xiàn)輥輪和成型孔堵塞現(xiàn)象。且由于燃料濕度較大，不含黏結(jié)劑，易吸濕變形，不利于長期保存、運輸和使用。
(2)熱壓致密成型熱壓致密成型有螺桿致密成型、活塞致密成型和沖壓致密成型。熱壓致密成型工藝過程一般分為原料粉碎、干燥、擠壓、加熱、保型等幾個環(huán)節(jié)。螺桿致密成型機是開發(fā)應(yīng)用較早的生物質(zhì)熱壓成型設(shè)備，主要包括驅(qū)動機、傳動部件、進料機構(gòu)、壓縮螺桿、成型套筒和電加熱等幾部分。工作過程是將粉碎后的生物質(zhì)經(jīng)干燥后，從料斗中加入，螺旋推擠進入成型套筒中，并經(jīng)螺桿壓成帶孔的棒狀成品，連續(xù)從成型套筒中擠出。制約螺桿成型機發(fā)展的主要技術(shù)問題是螺桿和成型套筒磨損嚴重，使用壽命短�；钊蜎_壓式致密成型機改變了成型部件與原料之間的作用方式，在大幅提高成型部件使用壽命的同時，也降低了單位產(chǎn)品的能耗。原料經(jīng)粉碎后，通過機械或風(fēng)力形式送入壓縮間。活塞或沖頭前進時，把原材料壓緊成型，并送入保型筒。活塞和沖壓成型機一般造價較高，且振動噪聲大，由于間斷擠壓，成型塊質(zhì)量有時有高低反差。特別是要求原料含水率較小，否則會使成型燃料膨脹、松散、甚至出現(xiàn)危險的“放炮”現(xiàn)象。
(3)碳化致密成型炭化成型工藝的基本特征是，首先將生物質(zhì)原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏結(jié)劑擠壓成型。由于原料纖維素結(jié)構(gòu)在炭化過程中受到破壞，高分子組分受熱裂解轉(zhuǎn)換成炭，并放出揮發(fā)分，使成型部件的磨損和能耗都明顯降低。但炭化后的原料維持既定形狀的能力較差，所以一般要加入黏結(jié)劑。碳化致密成型設(shè)備比較簡單，類似于型煤成型設(shè)備。
2、生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究重點
2.1壓縮特性分析
秸稈在壓縮過程中，是在一定壓力（溫度）下，通過秸稈的塑性變形和其本身的木質(zhì)素軟化固化成型的。在壓縮過程中可分為3個階段：松軟階段（壓力0MPa～8MPa），過渡階段(壓力8MPa～13MPa)和壓緊階段（壓力13MPa～30MPa）。在壓力較小時，壓塊密度隨壓力的增大顯著增大，但達到壓緊階段后，變化緩慢，趨于常數(shù)。一般情況下，在壓力為15MPa時，壓塊的成型效果就較好，將壓力控制在15～30 MPa范圍內(nèi)就可以達到成型。國內(nèi)外許多學(xué)者研究了生物質(zhì)壓縮力和壓縮密度的關(guān)系，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。這些成果都是關(guān)于壓縮力、壓縮密度、壓縮量的關(guān)系，但不能估算最終的壓縮密度。
2.2原料的特性對成型的影響
生物質(zhì)原料具有流動性差、相互牽連力較大的特性，是成型喂入和壓縮的瓶頸。對于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，壓縮特性有很大的差異，并對成型過程和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。當(dāng)原料水分過高時，加熱過程中產(chǎn)生的蒸汽不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴重時產(chǎn)生爆鳴。但含水率太低，成型也很困難，這是因為微量水分對木素的軟化、塑化有促進作用。成型原料的含水率一般在15%左右。植物秸稈易壓縮，在壓力作用下變形較大，壓縮比在9～12之間，木屑廢料較難壓縮，壓縮比在5～9之間。粒度小的原料容易成型，粒度大的較難壓縮。生物質(zhì)的特性對于解釋和說明物質(zhì)的機械變化過程很有價值，但關(guān)于特性研究的報道不多。
2.3壓塊能耗的研究
對于一個生物質(zhì)成型裝置來說，能耗是一個非常重要的性能指標，能耗是指在單位時間內(nèi)生產(chǎn)成型顆粒燃料所消耗的能量與該時間內(nèi)生產(chǎn)的成型顆粒燃料質(zhì)量的比值。壓縮成型的能耗主要包括三部分：原料喂人所消耗的能量；物料與成型部件內(nèi)壁摩擦所消耗的能量；克服物料彈性變形所需的能量。影響成型機能耗的主要因素有：成型顆粒燃料的密度，生產(chǎn)率，物料的種類，粒度和含水率等。
3、國內(nèi)外生物質(zhì)致密成型研發(fā)概況
3.1國內(nèi)情況
在生物質(zhì)成型方面，近年來國內(nèi)科研單位加大了研究力度，取得了明顯進展。清華大學(xué)清潔能源研究與教育中心已開發(fā)出生物質(zhì)顆粒燃料冷成型技術(shù)和設(shè)備，并在北京懷柔區(qū)組織了示范項目，環(huán)境科學(xué)與工程系也有相關(guān)研究。浙江大學(xué)生物機電工程研究所能源清潔利用國家重點實驗室在生物質(zhì)成型理論、成型顆粒燃料燃燒技術(shù)等方面進行了研究。山東大學(xué)機械工程學(xué)院、華中科技大學(xué)化學(xué)與化工系、北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院等都對生物質(zhì)成型顆粒燃料進行了研究。中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所從20世紀80年代開始研究開發(fā)林木生物質(zhì)原料和農(nóng)業(yè)廢棄物的成型技術(shù)。東南大學(xué)、中科院廣州能源研究所、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)機院可再生能源與環(huán)境研究所等也進行了一些特色研究。國內(nèi)一些生產(chǎn)顆粒飼料的廠家也開始在原設(shè)備的基礎(chǔ)上生產(chǎn)生物質(zhì)致密成型顆粒燃料。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點實驗室從1 992年開始相繼開發(fā)生產(chǎn)了液壓式、輥壓式和螺桿式生物質(zhì)致密成型機，并以進行小批量生產(chǎn)，取得了較好的社會效益和經(jīng)濟效益。
3.2國外情況
美國在20世紀30年代就開始研究生物質(zhì)致密成型顆粒燃料技術(shù)及其燃燒技術(shù)，并研制了螺旋壓縮機及相應(yīng)的燃燒設(shè)備，日本在20世紀40年代開始研究機械式活塞式致密成型技術(shù)處理林業(yè)廢棄物，與1954年成功研制出了單頭、多頭螺桿擠壓棒狀致密成型機，80年代建立了年產(chǎn)600t的固體原料工廠（煤75%，生物質(zhì)25%）。在亞洲，泰國、印度等國也建立了不少生物質(zhì)致密成型燃料專業(yè)生產(chǎn)廠。目前，德國有100多家顆粒成型燃料工廠，主要以木屑、木片、枝、邊角料等生物質(zhì)為原料。瑞典有生物質(zhì)顆粒成型燃料加工廠10多家，企業(yè)的年生產(chǎn)能力達到了20多萬噸。
4、生物質(zhì)致密成型技術(shù)的問題和建議
4.1成型機的問題
生物質(zhì)成型機目前初具規(guī)模，但要真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還有一些技術(shù)障礙亟待解決�，F(xiàn)在大部分機組可靠性能差，運行不平穩(wěn)，易損件使用壽命太短，維修和更換不方便。技術(shù)較成熟的螺旋擠壓式成型機的螺桿壽命極其有限，由于物料的壓縮是靠螺桿和出料套筒配合完成的，螺桿的幾何尺寸和出料筒的幾何尺寸必須在一定的范圍內(nèi)，才能在較快的擠出速度下獲得較大密度的成型燃料。螺桿是在較高溫度和壓力下工作的，與物料始終處于干摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致螺桿的磨損非�？�。螺桿磨損到一定程度時，會與出料套筒失去尺寸配合，使成型無法進行。總體上來看，液壓活塞式和輥壓式致密成型機較為合理，建議加大研制力度，開發(fā)出適合生物質(zhì)特性的致密成型機。
4.2成型原料問題
生物質(zhì)原料的特點是具有季節(jié)性、分散性，因此嚴重的影響了生物質(zhì)致密成型燃料的工業(yè)化生產(chǎn)，根據(jù)中國特色，必須考慮生物質(zhì)的收集半徑。建議采取分散設(shè)點加工及就地使用和集中調(diào)配使用的方法。解決上述問題。考慮到收集范圍問題，生物質(zhì)致密成型設(shè)備的生產(chǎn)率不宜過大。
4.3配套設(shè)備問題
由于成型機對原料的粒度和含水率要求較高，而成型設(shè)備自動化低、粉碎、干燥、進料和包裝設(shè)備沒有形成配套的生產(chǎn)線，工作時原料往往達不到生產(chǎn)要求。建議在研制和生產(chǎn)生物質(zhì)致密成型設(shè)備的同時，要配套相應(yīng)的粉碎和干燥設(shè)備。
5、生物質(zhì)致密成型技術(shù)的發(fā)展前景
生物質(zhì)成型技術(shù)的優(yōu)點是絕對的環(huán)保性和良好的經(jīng)濟性。以往由于對其不完全了解，造成推廣受到一定程度的限制�？梢灶A(yù)見，隨著該技術(shù)一些關(guān)鍵問題的解決，保護自然生態(tài)環(huán)境意識的日益加強和國家相應(yīng)配套政策的通過，市場覆蓋率將逐漸擴大。同時必須清楚地認識到，由于多種因素影響，短期內(nèi)不能期望出現(xiàn)全面應(yīng)用。我國生物質(zhì)致密成型裝備的研究與制造起步較晚，今后應(yīng)在設(shè)備實用性、降低能耗、減輕磨損、原料適用性、系列化等方面下功夫，為大規(guī)模開發(fā)利用生物質(zhì)能提供必要的技術(shù)儲備。
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