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生物質致密成型顆粒燃料制造技術研究現狀


更新時間:2015-4-15 13:34:47

0、引言
    生物質能源又稱為“綠色能源”,是以生物質為載體的能源,是除煤、石油、天然氣外占世界能源資源第四位的可再生能源資源,可提供世界范圍內約14%的能源需求。生物質能源轉換方式有生物質氣化、生物質固化和生物質液化3種方式,生物質固化后形成生物質致密成型顆粒燃料。生物質致密成型顆粒燃料技術是將經過粉碎具有一定粒度的生物質原料,在一定的壓力和溫度下將其擠壓制成密度較大、形狀規則的成型顆粒燃料的加工技術。其主要目的是將低密度的生物質轉變為高密度的生物質燃料,秸稈顆粒機木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料如下:

    致密成型后的生物質燃料體積大大縮小,密度可達0.8~1.4g/cm3,含水率在12%以下,增加了單位體積的熱值(約16~21MJ/kg),能量與中質煤相當,燃料特性明顯改善,使用方便、干凈衛生,減少了運輸和儲存成本,可作為生物質高效燃燒爐、氣化爐和小型鍋爐的燃料。其適合在農林廢棄物及農林產品加工剩余物資源量大的區域,為家庭提供生活燃料,也可用于供熱和發電等,同時可以作為高品質能源商品。生物質致密成型顆粒燃料把農、林業的廢棄物加工再利用轉化成生物質能源,是解決生物質資源浪費和污染的一種重要技術手段,使其成為發電、供暖和家庭用能的一種重要的可再生能源資源。
    我國有9億農村人口,2.2億農戶,生物質能占我國農村能源消耗的68.7%,因此研究和利用生物質致密成型技術對我國能源優質高效利用和生態環境可持續發展具有重要的意義。
1、國內外研究現狀
1.1國外研究現狀
    生物質致密成型技術受到國外發達國家的普遍重視,并投入了大量的資金和技術力量研究和開發生物質致密成型設備,走在了該領域的前沿。成型顆粒燃料最早是英國一家機械工程研究所以泥煤作原料研制成的,后用于加工褐煤和精煤,逐步發展到加工造紙廠的廢棄物。20世紀30年代,美國開始研究致密成型顆粒燃料技術,并研制了活塞一模具式成型機,利用大壓力擠壓原料通過成型模具而形成致密成型顆粒燃料。20世紀50年代日本從國外引進技術后進行了改進,研究應用了螺旋式擠壓成型機,并發展成了日本壓縮成型顆粒燃料的工業體系,并逐步推廣到了臺灣、泰國乃至歐洲國家和美國。同時,現代化的活塞成型機在瑞典、德國得到推廣,以鋸末為原料的燃料塊在市場上有了競爭力,之后又相繼產生了以油壓、水壓為動力的活塞式生物質壓縮成型設備。20世紀70年代初,美國又研制開發了內壓滾筒式顆粒成型機。亞洲除日本外,泰國、印度、菲律賓等國從20世紀80年代開始也都開展了生物質致密成型設備及成型工藝方面的研究。生物質壓縮燃料在西歐國家以及日本等國現已成為一種產業,印度和東南亞一些國家對這項技術的研究與應用也相當重視。目前,國外(西歐、北美、日本等)生物質致密成型技術已基本成熟,生物質致密成型顆粒燃料已經商品化,廣泛應用于供熱、取暖和發電領域,同時各國政府為促進生物質致密成型技術的發展提供了政策和資金上的支持,生物質能源近年發展迅速。為規范和發展生物質致密成型顆粒燃料,歐盟(CEN/TC335和CEN/TC343)和美國(ASTME1756)制定了有關的質量標準,規定了成型顆粒燃料的熱值、堆積密度、尺寸形狀、灰分含量、含水率等的技術參數。
1.2國內研究現狀
    我國從20世紀80年代起開始致力于生物質壓縮成型技術的研究。湖南省衡陽市糧食機械廠于1985年研制了第一臺ZT - 63型生物質壓縮成型機,江蘇省連云港東海糧食機械廠于1986年引進了一臺OBM-88棒狀燃料成型機。1993年前后,我國從國外引進了近20條生物質壓縮成型生產線,基本上都采用螺旋擠壓式,以鋸木屑為原料,生產“碳化”燃料。1994年河南農業大學、中國農機能源動力所分別研究出PB -I型、CYJ - 35型機械活塞沖壓式成型機,1998年河南農業大學研制出HPB -I型液壓活塞式雙向擠壓生物質成型顆粒機,2002年中南林學院也研制了相應設備。2006年河南農業大學研制的HPB-IV型液壓驅動活塞式成型機和合肥天炎綠色能源開發有限公司TYK -Ⅱ秸稈成型機均采用一級螺旋預熱預壓,二級活塞壓縮技術,解決了普通成型機對原料含水率要求較高和模具易磨損的不足。為降低顆粒燃料成型的能耗,河南省科學院能源研究所研制了一種在常溫下生產顆粒燃料的環模顆粒成型機。2004年,清華大學和北京惠眾實科技有限公司開發的Highzones生物質固化成型技術,利用壓輥擠壓原理實現了生物質就地及時壓縮,其性能優于國際上現有的顆粒成型技術。目前,生物質致密成型技術已日趨成熟,并已部分實現商業化。
2、生物質致密成型工藝的研究現狀
    生物質致密成型工藝形式有多種,根據主要工藝特性的差別,可劃分為濕壓成型、熱壓成型、碳化成型、常溫成型4種基本類型。
2.1濕壓成型
    濕壓成型是在常溫下將原料水浸數日或將原料噴水,使其濕潤皺裂并部分降解,將其水分擠出,加黏結劑攪拌混合均勻,然后壓制成致密成型顆粒燃料。纖維原料經一定程度的腐化后,會損失一定的能量,但與一般風干原料相比,其擠壓、加壓性能會有明顯改善。
2.2常溫成型
    常溫成型是將原料在自然干燥含水率狀態下被粉碎成細小顆粒或纖維狀,然后壓制成顆粒、棒狀或塊狀燃料的成型工藝。常溫成型工藝是近年來研究利用的一種生物質成型新工藝,解決了以往壓縮成型設備對含水率和加熱溫度要求的限制,可實現生物質就地及時壓縮。同時,其針對生物質資源散拋型的特點,解決了其收集半徑問題,降低了壓縮成型顆粒燃料的綜合成本。
2.3熱壓成型
    熱壓成型是利用高壓力擠壓的同時增加生物質原料的溫度,使生物質所含木質素軟化作為黏結劑,然后壓制成顆粒、棒狀或塊狀燃料的成型工藝。熱壓成型是目前普遍采用的生物質壓縮成型工藝。生物質原料在壓縮過程中加熱,一方面可使原料中含有的木質素軟化,起到黏結劑的作用,另一方面還可使原料本身變軟,容易壓縮,但加熱的同時也增加了其功率的損耗。
2.4碳化成型
    碳化是在隔絕或限制空氣(氧)的條件下,將木材、樹皮、竹、麩皮等在400~600℃下加熱,得到氣體(以木材為原料時稱為木氣)、液體(木醋、焦油)和固體(炭)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,兩者合稱為碳化,但通常情況下碳化多指制炭。
3、生物質致密成型設備的研究現狀
    根據成型原理的不同生物質致密成型設備主要分為3類:螺旋擠壓式成型機、活塞沖壓式成型機和壓輥式成型機。成型技術已基本成熟,生物質致密成型顆粒燃料已經商品化,廣泛應用于供熱、取暖和發電領域,同時各國政府為促進生物質致密成型技術的發展提供了政策和資金上的支持(貼息、減稅等),生物質能源近年發展迅速。為規范和發展生物質致密成型顆粒燃料,歐盟(CEN/TC335和CEN/TC343)和美國(ASTME1756)制定了有關的質量標準,規定了成型顆粒燃料的熱值、堆積密度、尺寸形狀、灰分含量、含水率等的技術參數。
1.2國內研究現狀
    我國從20世紀80年代起開始致力于生物質壓縮成型技術的研究。湖南省衡陽市糧食機械廠于1985年研制了第一臺ZT - 63型生物質壓縮成型機,江蘇省連云港東海糧食機械廠于1986年引進了一臺OBM88棒狀燃料成型機。1993年前后,我國從國外引進了近20條生物質壓縮成型生產線,基本上都采用螺旋擠壓式,以鋸木屑為原料,生產“碳化”燃料。1994年河南農業大學、中國農機能源動力所分別研究出PB -I型、CYJ - 35型機械活塞沖壓式成型機,1998年河南農業大學研制出HPB -I型液壓活塞式雙向擠壓生物質成型機,2002年中南林學院也研制了相應設備。2006年河南農業大學研制的HPB - IV型液壓驅動活塞式成型機和合肥天炎綠色能源開發有限公司TYK -Ⅱ秸稈成型機均采用一級螺旋預熱預壓,二級活塞壓縮技術,解決了普通成型機對原料含水率要求較高和模具易磨損的不足。為降低顆粒燃料成型的能耗,河南省科學院能源研究所研制了一種在常溫下生產顆粒燃料的環模顆粒成型機。2004年,清華大學和北京惠眾實科技有限公司開發的Highzones生物質固化成型技術,利用壓輥擠壓原理實現了生物質就地及時壓縮,其性能優于國際上現有的顆粒成型技術。目前,生物質致密成型技術已日趨成熟,并已部分實現商業化。
2、生物質致密成型工藝的研究現狀
    生物質致密成型工藝形式有多種,根據主要工藝特性的差別,可劃分為濕壓成型、熱壓成型、碳化成型、常溫成型4種基本類型。
2.1濕壓成型
    濕壓成型是在常溫下將原料水浸數日或將原料噴水,使其濕潤皺裂并部分降解,將其水分擠出,加黏結劑攪拌混合均勻,然后壓制成致密成型顆粒燃料。纖維原料經一定程度的腐化后,會損失一定的能量,但與一般風干原料相比,其擠壓、加壓性能會有明顯改善。
2.2常溫成型
    常溫成型是將原料在自然干燥含水率狀態下被粉碎成細小顆粒或纖維狀,然后壓制成顆粒、棒狀或塊狀燃料的成型工藝。常溫成型工藝是近年來研究利用的一種生物質成型新工藝,解決了以往壓縮成型設備對含水率和加熱溫度要求的限制,可實現生物質就地及時壓縮。同時,其針對生物質資源散拋型的特點,解決了其收集半徑問題,降低了壓縮成型顆粒燃料的綜合成本。
2.3熱壓成型
    熱壓成型是利用高壓力擠壓的同時增加生物質原料的溫度,使生物質所含木質素軟化作為黏結劑,然后壓制成顆粒、棒狀或塊狀燃料的成型工藝。熱壓成型是目前普遍采用的生物質壓縮成型工藝。生物質原料在壓縮過程中加熱,一方面可使原料中含有的木質素軟化,起到黏結劑的作用,另一方面還可使原料本身變軟,容易壓縮,但加熱的同時也增加了其功率的損耗。
2.4碳化成型
    碳化是在隔絕或限制空氣(氧)的條件下,將木材、樹皮、竹、麩皮等在400~600℃下加熱,得到氣體(以木材為原料時稱為木氣)、液體(木醋、焦油)和固體(炭)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,兩者合稱為碳化,但通常情況下碳化多指制炭。
3、生物質致密成型設備的研究現狀
    根據成型原理的不同生物質致密成型設備主要分為3類:螺旋擠壓式成型機、活塞沖壓式成型機和壓輥式成型機。
3.1螺旋擠壓式成型機
    螺旋式擠壓成型機是靠外部加熱維持成型溫度為150~300℃,將木質素、纖維素等軟化,形成黏結劑,螺桿連續擠壓生物質通過成型模具形成生物質致密成型顆粒燃料。
    螺旋式擠壓成型機是目前國內比較常見的技術,螺旋式擠壓成型機啟動時成型部件和物料溫度低于成型溫度,因此需要用電熱元件加熱成型部件。為避免成型過程中原料水分的快速汽化造成成型塊的開裂和“放炮”現象發生,一般將原料的含水率控制在8%~12%之間,成型壓力的大小隨原料和所要求成型塊密度的不同而異,一般在50~200MPa之間,其相對密度通常介于1.0~1.4g/cm3之間,燃料的形狀通常為燃料棒。螺旋擠壓式成型機以其運行平穩、生產連續、所成型棒易燃等特性在成型機市場中一直占據主導地位。
    目前,制約螺旋式成型機商業化利用的主要技術問題一個是成型部件,尤其是螺旋桿和成型套筒磨損嚴重,使用壽命短;另一個問題是單位產品能耗高,并且生產率相對較低,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。為了解決螺桿首端承磨面磨損嚴重的問題,現在大多采用表面硬化方法對螺桿型部位進行處理,另一種方法就是徹底改變這種成型工藝,活塞式成型機的研制成功在較大程度上解決了螺旋擠壓式成型方式存在的成型件磨損嚴重、能耗高的問題。
3.2活塞沖壓式成型機
    活塞沖壓式成型機由外部加熱維持成型溫度為160~200℃,將木質素、纖維素等軟化,形成黏結劑,高壓力的活塞往復運動推動生物質通過成型模具形成生物質致密成型顆粒燃料。其進料、壓縮和出料都是間歇進行的,即活塞往復運動1次形成1個壓縮周期。
    活塞沖壓式成型機通常用于生產實心燃料棒或燃料塊,其密度介于0.8~1.1g/cm3之間,成型密度稍低容易松散。其中,液壓沖壓式成型機對原料的含水率要求不高,允許加工的原料含水率高達20%左右。活塞沖壓式成型機明顯改善了成型部件磨損嚴重的現象,其使用壽命200h以上,而且單位產品能耗也有較大幅度的下降。
    活塞的往復驅動力國際上有3種形式:機械、油壓、水壓,這3種形式相比機械式推廣面較大,近幾年液壓式發展很快。
3.2.1機械驅動活塞成型機
    一般采用發動機或電動機帶動飛輪,利用飛輪儲存能量通過曲柄連桿機構帶動活塞做高速往復運動,產生沖壓力將生物質壓縮成型。曲柄連桿機構活塞式成型機結構簡單,生產能力大,每分鐘可以沖壓270次;但振動負荷較大,造成機器運行穩定性差,噪音較大,還存在潤滑油污染較嚴重等問題。
    目前,為改善發展中國家尤其是一些相對落后國家人民的生活用燃料問題,國外設計了一種人力或畜力牽引的凸輪活塞式生物質致密成型機,主要由預壓縮和凸輪活塞壓縮兩部分組成,優化設計后的凸輪壓力角能夠很好地滿足生物質成型曲線(成型壓力與體積減小量的關系曲線)的要求,很好地滿足了生物質成型要求,使系統性能達到了最佳。同時,解決了曲柄連桿機構缺乏緩沖而引起的成型機振動問題,制造成本低,適宜農村地區推廣。
3. 2.2  液壓驅動活塞成型機
    液壓驅動活塞成型機是油泵在電機的帶動下,把電能轉化成液體的壓力能,驅動活塞沖壓生物質原料通過成型套筒制成生物質致密成型顆粒燃料[2,23矧。由于液壓動力本身的特點,使其在一個成型周期(預壓緊→塑性變形→保型→停歇換向)內,各段所需的壓強實現“按需增能”,從而可使成型顆粒燃料單位產品能耗大大降。
    液壓驅動活塞成型機的優點是容易應用,維護簡單,運行穩定性得到極大的改善,產生的噪音非常小,改善了操作環境。不足之處是成型密度偏低,成品機械性能偏低,這是由于活塞的運動速度較機械式低很多。所以,其生產率要受到一定程度的影響。目前,液壓驅動活塞成型機的研究方向是分析不同生物質原料的成型機理和如何提高其成品的密度和機械性能。
3.2.3水壓驅動活塞成型機
    水壓式體積大,投資多,驅動力小,生產能力低,生產率一般在0. 25t/h,有的可達到0.35t/h。
3.3壓輥式成型機
    壓輥式成型機主要用于生產顆粒狀成型顆粒燃料,基本工作部件由壓輥和壓模組成,與飼料工業中的制粒原理相同。根據壓模形狀的不同,壓輥式成型機可分為環模成型機、平模成型機和對輥式成型機。
    由于成型過程中原料和機器部件之間的摩擦作用可將原料加熱到100℃左右,因此成型過程中一般不需要外部加熱,可根據原料狀況添加少量粘結劑。其對原料的含水率要求較寬,一般在10%~40%之間均能很好的成型,顆粒成型顆粒燃料的密度一般為1.0~1.4g/cm3,但壓輥式成型機存在噪聲大、宜堵塞、振動大的問題。
3. 3.1環模顆粒成型機
    環模顆粒成型機主要工作部件是壓力室的壓輥和壓模固。壓模圈的周圍鉆有許多成型孔,在壓模圈內裝有兩對壓輥,壓輥外圈加工有齒或槽,用于壓緊原料不打滑;壓輥裝在一個不動的支架上,壓輥能跟隨壓模圈的轉動而自轉,壓輥與壓模圈保持很小的間隙。工作時壓模圈由驅動軸驅動作等速順時針回轉,進入壓模圈的生物質原料被轉動著的壓模圈帶人壓輥和壓模圈之間,生物質原料被兩個相對旋轉件逐漸擠壓通過壓模孔向外擠出,再由固定不動的切刀將其切成短圓柱狀顆粒。
3.3.2平模顆粒成型機
    平模顆粒成型機的壓模為一水平固定圓盤,在圓盤與壓輥接觸的圓周上開有成型孔,送料器把原料均勻地撒布于固定壓模表面;然后旋轉的壓輥將原料擠入平模模孔,壓出圓柱狀的生物質成型顆粒燃料,再被與主軸同步旋轉的切刀切斷成要求的顆粒長度,由于壓輥和壓模之間在工作過程中存在相對滑動,可起到原料磨碎作用,所以允許使用粒徑稍大的原料,特別適用于壓制纖維性原料。其具有結構簡單,制造簡單,造價低廉等特點。平模方式很難產生40MPa以上的壓力,所以只用于生產密度較低的顆粒燃料。
3.3.3對輥顆粒成型機
    對輥顆粒成型機是利用相互滾壓的兩中空滾筒成線速度差速運動,兩滾筒之間形成擠壓腔,將原料擠壓通過筒壁的成型模腔制成生物質顆粒燃料。
    生物質材料的力傳導性極差,擠壓成型時由于滾筒間存在線速度差,使物料在進入成型模腔之前,在擠壓腔先被施加一剪切力,可使纖維素分子團錯位、變形、延展成薄片,縮短力傳導距離,在較小的壓力下,使其相鄰相嵌、層層相疊、嚴密包裹重新組合而成型。同時,呈片狀的粒子在正壓力的作用下,一部分粒子變形后進入片狀粒子間的間隙縫,形成上下嚙合的狀態,從而制成的顆粒燃料具有特定的結構模型,具有很好的力學性能。利用這一成型機理制造的對輥顆粒成型機具有體積小、熊耗低,可以實現自然含水率生物質不用任何添加劑、粘結劑的常溫壓縮成型。若與聯合收割機配套,可以實現能源與糧食一起收獲。此技術簡稱為Highzones技術,由清華大學和北京惠眾實科技有限公司開發。
4、結論
    生物質能源被認為是今后主要的新能源之一,具有顯著的經濟性和社會效益,同時有利于環境保護。由于大多數的農林廢棄物都是低密度散狀物料,因此必須經過致密成型加工以方便運輸、儲存和燃燒,然而致密成型加工必將增加生物質燃料的成本。目前,我國采用的生物質致密成型技術主要有螺旋式、活塞式和壓輥式3種擠壓方式。這幾種燃料制造技術均為傳統生產工藝,由于散狀生物質材料的力傳遞距離小,只有3~5mm,實際生產中,擠壓過程中的正壓力不能傳導到成型腔中。利用傳統工藝原理進行致密成型顆粒燃料的加工中,普遍存在著成型設備能耗高、磨損嚴重和使用壽命短等問題,造成生物質致密成型顆粒燃料的成本偏高,嚴重影響生物質致密成型技術及致密成型顆粒燃料的發展和推廣。因此,研究生物質致密成型機理和新的成型工藝,進一步降低能耗、減少能耗、減少加工成本,減少對原料成型條件的限制等問題,將是生物質致密成型顆粒燃料推廣應用的關鍵,同時還需國家和地方政府為生物質致密成型顆粒燃料的發展提供相關的配套政策。國外生物質資源發展的成功經驗表明,政策的刺激對生物質能源的發展具有很大的推動作用。近幾年來,國家及有關部門一直在組織進行生物質廢棄物的清潔、方便能源利用技術研究,并以取得了一些成果。這些技術已日趨成熟,并取得了一定程度的推廣,雖然應用比例雖小,卻是發展方向,也是今后國家扶持發展的對象,對于保護生態環境、發展可持續生態農業十分有利,同時具有較大的市場開發潛力。

 
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