生物质固体成型燃料研究现状及发展前景

摘要:概述了国内外**生物质固体颗粒燃料**技术及设备的研究现状。讨论了生物质固体成型燃料的成型机理和影响因素,主要概括了几种成型工艺及设备的优缺点。最后指出我国生物质固体成型燃料存在的问题和今后的发展趋势。
关键词:生物质;固体成型燃料;成型工艺;成型设备
    近年来全球经济快速、持续发展,各国对能源的需求与日俱增,导致现有的化石能源迅速消耗,已逐渐面临枯竭,能源危机日益凸显。据报道,全世界的石油、天然气按其储量和需求量推算,只能够维持到21世纪中叶,而煤炭也只能够开采200年左右,并且使用化石能源造成严重的污染。因此从保护人类生态环境和自然资源的角度出发,寻求一种新的安全、清洁、可持续发展的能源体系迫在眉睫。 
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   生物质能源是一种可再生、环境友好型的清洁能源,具有良好的产业化前景和巨大的发展潜力,在各国的能源结构中占有重要的地位。副。其中,生物质固体成型燃料技术是生物质能源转化与利用的主要发展方向之一。经研究发现,生物质固化成型以后其燃烧性能平均提高20%,燃烧时的温室气体排放量仅为煤炭的1/9,NOx和SOX的排放量分别为煤炭的1/5和1/10。生物质固体成型燃料具有原料丰富、生产工艺简单、操作方便、成本低等优点。成型燃料的热效率高,燃烧性能好,便于贮运,易于实现产业化,适合大规模使用,可用于农村家庭炊事、取暖用能需求,可为城镇社区供热提供清洁燃料,还可用于蔬菜、瓜果温室大棚和园林花卉暖房的保温取暖用能以及工业锅炉和电厂的燃料,是替代煤炭的理想燃料。近些年我国生物质固体成型燃料生产量和需求量都在急剧增加,2009年总产量约76.6万吨,预计到2015年将达到2000万吨。我国是农业生产大国,生物质资源非常丰富,农作物秸秆的年产量超过7亿吨,折合成标准煤约为3.5亿吨。此外,林木业生物质资源约13亿吨,为生物质固体成型燃料的发展提供了保证。综合开发和利用生物质固体成型燃料具有可观的经济前景和显著的社会效益。因此本文作者对生物质固体成型燃料的研究现状、成型工艺及成型设备进行了总结,并分析了生物质固体成型燃料未来的发展趋势。 1、生物质固体成型燃料研究现状
    生物质固体成型燃料是将木材加工剩余物、农作物秸秆等生物质原料粉碎到一定的粒度,在50~200MPa和150~300℃,或不加热或不加黏结剂的条件下,压缩成棒状、块状、粒状等具有一定密实度的成型物。近年来,生物质固体燃料作为极具竞争力的燃料发展十分迅速。
1.1国外研究现状
    国外对生物质固体成型燃料技术的研究起步较早,美国于20世纪30年代就开始研究林木生物质压缩成型技术,并研制了螺旋压缩机。日本在1948年首次申报了关于利用木屑为原料生产棒状成型燃料的专利,并且于50年代研究出独特的致密成型燃料技术体系。70年代后期出现世界能源危机,西欧许多国家也开始重视生物质成型技术的研究,并研发了冲压式成型机、颗粒成型机及其配套的燃烧设备。生物质成型燃料燃烧设备在美国、日本及欧洲一些国家已经比较成熟,形成了产业化,在供暖、加热、干燥、发电等领域已普遍使用。2005年,世界生物质固体成型燃料产量已超过了420万吨,其中欧洲地区产量达300多万吨,到2008年总产量达1160万吨,欧洲地区达740万吨。 1.2国内研究现状
    我国生物质固体成型技术的开发研究工作起步较晚。20世纪80年代,湖南省衡阳市粮食机械厂研制了第一台ZT-3型生物质压缩成型机,随后江苏省连云港东海粮食机械厂研制了OBM-88型棒状燃料成型机。中国林业科学研究院林产化学工业研究所与东海粮食机械厂合作,于1990年完成了国家“七五”攻关项目——木质棒状成型机的开发研究,建立了年产1000t的棒状成型燃料生产线。“八五”期间,中国农机院能源动力研究所、辽宁省能源研究所、中国林业科学研究院林产化学工业研究所、中国农业工程研究设计院,对生物质冲压式和挤压式压块技术及装置、烧炭技术及装置、多功能燃烧炉技术进行了攻关,解决了林木生物质压缩成型的关键技术,使我国在该领域的研究和开发水平上了一个新台阶。20世纪90年代中后期,湖南农业大学、中国农机院能源动力研究所分别研究出PB-1型、CYJ-35型机械冲压式成型机;河南农业大学研制出HPB-1型液压驱动活塞式成型机;中国林业科学研究院林产化学工业研究所研制了内压环模颗粒成型机。21世纪初,河南农业大学研究出液压驱动双头活塞式秸秆成型机。中国林业科学研究院林产化学工业研究所研究了生物质成型燃料深加工制备成型炭生产过程中热解温度对气一固产物性能的影响,研究表明:分别以木屑、玉米秸秆、稻壳为原料,就气体产物而言,热解气体热值在200~450℃温度范围内,在450℃左右时气体热值达到最大值,然后有所下降。就固体产品而言,随着最终精炼温度的提高,成型炭产品的挥发分含量递减,而固定碳含量及产品热值递增,但700℃以后其增加幅度变小。其中以木屑为原料制成的成型炭产品热值最高,品质最好。
玉米秸秆块状生物质颗粒燃料.jpg


块状稻壳生物质颗粒燃料.jpg


玉米秸秆颗粒燃料.jpg


玉米秸秆块状生物质颗粒燃料.jpg


2、生物质固化成型工艺
2.1生物质固化成型机理
    生物质主要由纤维素、半纤维素和木质素组成。木质素是具有芳香族特性的结构单体,由苯基丙烷单元构成的三维空间聚合物,属非晶体,没有熔点但有软化点。在70~110℃时软化,具有一定的黏性,在200~ 300℃时成熔融状,黏性增加,此时施加一定的压力,可使其与纤维素、半纤维素等紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接,冷却后即可固化成型。
2.2生物质固化成型的影响因素
      影响生物质燃料固化成型的因素主要有生物质原料的种类、原料含水率、原料粒度、成型压力、成型温度、成型方式、黏结剂等。生物质原料在压缩成型过程中,粒子发生变形后以相互啮合的形式结合,而粒子层之间以相互贴合的形式结合。一般来说纤维植物秸秆和小颗粒的原料容易被压缩,而木材和较大颗粒的原料难以被压缩。但是对于不同工艺,不同设备,成型条件也各不相同。姜洋等研究发现,在常温下原料中纤维素的含量决定了成型的难易程度,纤维素含量越高,成型越容易,同时原料的粒径和含水率分别在1-5mm和12%-18%时,压缩后成型燃料的密度最大。周春梅等以玉米秸秆和小麦秸秆为原料,对生物质秸秆的不同成型工艺进行了系统的成型试验研究,结果表明,最适宜的原料水分含量为10%~15%,在相同的成型压力下,原料粒度越小成型后的燃料密度越大,强度越高,成型效果越好,在冷压成型条件下,满足成型指标所需成型压力为2MPa,加入8%玉米淀粉时成型压力降到1MPa。热成型温度为110℃时,只需要0.5MPa。
2.3生物质固化成型工艺类型
    生物质压缩成型工艺有多种分类方式,可以根据原料在压缩成型工艺时是否添加粘结剂分为:加粘结剂和不加粘结剂的成型工艺。根据压缩压力的大小分为:高压压缩(>100MPa);采用加热的中等压力压缩(5~100 MPa);添加黏结剂的低压压缩(<5MPa)。从广义上将生物质压缩成型工艺分为湿压成型、热压成型、炭化成型3种主要形式。

3.1  湿压成型湿压成型技术是在常温下,通过特殊的挤压方式,使粉碎的生物质纤维结构互相镶嵌包裹而形成颗粒,该成型技术对原料的含水率要求不高,利用水对纤维素的润涨作用,使其加压成型得到了很明显的改善。湿压成型有环模成型、平模成型、对辊成型、刮板成型等多种机具类型,但是目前该技术在国内应用并不广泛。
2.3.2热压成型热压成型技术是在较高的温度下使木质素软化,起粘结剂的作用,在一定的压力作用下将粉碎的生物质材料挤压成型。热压成型工艺中采用的成型设备主要有螺旋挤压成型机、机械驱动活塞式成型机、液压驱动活塞式成型机等,热压成型是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。
2.3.3炭化成型炭化成型是将生物质原料进行炭化或者是部分炭化,再加入一定量的粘结剂挤压成一定形状和尺寸的木炭棒。炭化成型有2种常见的情况:一种是先用成型机将原料压缩成型,然后用炭化炉将成型后的燃料棒炭化;另一种是先将原料炭化后再成型。表1是3种成型工艺的优缺点对照。
成型工艺 优点 缺点
湿压成型 (1)原料含水率要求不高,适用广;
(2)工艺环节简单、能耗低 (1)产品密度较低,燃烧性能差;
(2)成型时压力高,成型部件磨损较快
热压成型 (1)产品密度高;
(2)产品性能好,燃烧效率高;
(3)成型过程运行平稳、连续型好; (1)原料含水率要求高,控制在8%到12%;
(2)生产过程中出现“放炮”现象;
(3)工艺环节复杂,成本较高。
碳化成型 (1)能耗低
(2)对成型部件磨损小 (1)成品定形能力差;
(2)工艺环节复杂,成品燃烧性能差;3、生物质固化成型设备
    目前,生物质固体成型燃料的成型设备主要有螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式成型机3种形式。其中,螺旋挤压式成型机和活塞冲压式采用的是热压成型工艺,而压辊式成型机采用的是冷压成型工艺,压辊式成型机又分环模成型机和平模成型机。
3.1螺旋挤压式成型设备
    螺旋挤压成型的机理是生物质原料被送到螺旋压缩成型机械中,在动力机械的带动下锥形螺杆推动原料进入压缩成型筒内,锥形螺杆和压缩成型筒挤压物料使内压应力越来越大,在压缩成型筒的顶端达到最大内压应力而成型,再经过一段应力松弛段,被推出螺旋压缩成型机械,成为成型物料。螺旋挤压成型设备在目前市场上应用最为普遍。
3.2活塞冲压式成型设备
    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。液压冲压式成型机对原料的含水率要求较为宽松,常用于生产实心的燃料块或燃料棒,密度在800—1100 kg/m3之间,燃料块比较容易松散,但在压缩过程中一般不需要加热,从而减小了成型部件的损耗。河南农业大学研制的活塞冲压式成型机,用于生产直径约为100mm、密度为1000。1200kg/m3的棒状燃料,经过10年的试验研究,已改进4代机型。
3.3压辊式成型设备
    压辊式成型机主要用于生产颗粒状成型燃料,其基本工作部件主要由压辊和压模组成,根据压模的形状不同又可分为:平模成型机和环模成型机。压辊可以绕自身的轴转动,压辊的外周加工有齿或槽,使压紧原料而不致打滑。压模上加工有成型孔,物料进入压辊和压模之间,在压辊的作用下被压人成型孔内,成型为圆柱形或棱柱形,最后切段成颗粒状成型燃料。压辊式成型机生产时依靠物料挤压时产生的摩擦热即可使物料软化具有一定的粘合作用,一般不需要额外加热,若原料中木质素含量较低,黏合力较小可适量添加少许粘结剂。该设备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1000一1400kg/m3之间。农业部规划设计研究院在北京市大兴区研制开发的适宜于农作物秸秆的HM-485型环模式成型机,建成了年产2万吨的生物质固体成型燃料生产线,并投产运行,该成型机生产率达1.5t/h,关键部件寿命达400h以上。
3种成型设备优缺点的对比见表3。
设备 优点 缺点
螺旋挤压式成型设备 (1)运行稳定、生产连续;
(2)成品密度高、质量好、可碳化、易燃烧;
(3)结果简单,设备投资少。 (1)能耗高,生产率低;
(2)螺旋杆易损件寿命短;
(3)对原料含水率要求;
(4)设备配套性能差。
活塞冲压式成型设备 (1)成品密度较高;
(2)对原料含水率要求不高。 (1)生产率不高;
(2)产品质量不够稳定;
(3)产品不适宜碳化;
(4)成型套筒易磨损。
压辊式成型设备 (1)生产率高;
(2)不需要外部加热;
(3)对原料含水率要求不高。 (1)成型模具及压辊易磨损,寿命短,材料要求高;
(2)对原料的适应性较差。4、生物质固体成型燃料技术的问题分析及发展趋势
    我国生物质固体成型燃料技术经过近年的快速发展已经取得了显著的成就,但是与国外先进的成型技术相比还有一定的差距,主要表现在对原料要求高、生产率低、成型能耗高、主要部件工作寿命短、机器故障率高、成本偏高以及成型燃料深加工技术欠缺等方面。导致这些问题的主要原因有两个:一是长期以来,我国可再生能源缺乏明确的发展目标,技术基础薄弱,资金投人较少;二是设备制造能力和技术研发能力相对薄弱,技术和设备较多依靠进口,同时对可再生能源资源评价、技术标准、产品检测、认证体系还不够完善,没有形成支撑可再生能源产业发展的技术服务体系。综合来看,我国生物质固体成型技术发展趋势主要是大力发展便于在生物质原料产地推广使用的成型设备,消除生物质燃料规模化应用中原料收集、运输、储存成本高这一“瓶颈”。同时增加成型设备的基础研究,尽可能以常温固化成型技术为主,解决关键部件的材料磨损过快问题,降低成型时能量损耗,增加成型模具的使用寿命,降低成本。。
5、结语
    目前,我国生物质成型燃料开发利用正处于快速发展阶段,相关企业和科研单位研发的技术与设备为生产规模化奠定了基础。同时国家在“十二五”期间也必然将加大对生物质固体成型燃料的新能源开发利用力度,同时从资金、技术、电价、税收等方面制定一系列扶持政策,降低生物质成型燃料的研发和生产成本,推进生物质成型燃料产业的健康发展。
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