第二章--生物质压缩成型技术

生物质资源转化与利用第二章生物质压缩成型技术生物质热化学法物理化学法压缩成型直接燃烧液化气化微生物法发酵生物化学法固体燃料高压蒸汽、热气流直接液化间接液化共液化氢气、木煤气木炭、生物油、木煤气、醋液氢气沼气、乙醇燃烧供热、木炭燃料油、化工原料甲醇、柴油、二甲醚、氢气化学品、液体燃料热裂解2.1生物质压缩成型技术的基本概念和发展压缩成型（固化成型）为什么要固化成型？在一定温度和压力作用下，利用木质素充当黏合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、块状或颗粒状的成型燃料。生物质压缩成型技术的概念木质素（碱性）木质素纤维传统生物质利用的特点1.燃烧效率低（15~20%）2.燃烧不均匀、不完全3.CO、PM10、PM2.5排放多PM，英文全称为particulatematter(颗粒物）。PM2.5是指大气中直径小于或等于2.5微米的颗粒物PM2.5在显微镜下的样貌压缩生物质的特点密度可达1.1~1.4t/m3能量密度与中质煤相当燃烧特性明显改善，火力持久、黑烟少，炉膛温度高便于运输和储存可替代薪柴和煤作为生活及生产用的能源成型燃料经炭化后变为机制木炭，商业价值和市场良好生物质固体成型燃料的应用家庭炊事，取暖用能工业锅炉和电厂的燃料替代煤、天然气、燃料油等化石能源生物质压缩成型技术分类按成型物形状按广义分棒状成型颗粒状成型圆柱状成型常温湿压成型热压成型（最普遍）炭化成型冷压成型固体成型生物质压缩成型技术的发展国外发展状况（自学）我国发展状况（自学）2.2生物质压缩成型原理纤维素：加热到约150oC时不发生显著变化，超过此温度会由于脱水而逐渐焦化。半纤维素：热解一般发生在200~300oC，在高温区域，木聚糖热解产物大部分是挥发分和焦炭，焦炭产量约10~20%。木质素：100oC开始软化，160oC开始熔融形成胶体物质。压缩成型工艺过程原料干燥成型利用炭化木炭压缩成型的原理用成型机将松散的生物质原料在高压条件下，依靠机械与生物质之间及其生物质相互之间摩擦产生的热量或外部加热，使木质素软化，经压缩成型得到具有一定形状和规格的新型燃料。生物质压缩成型的黏结机制生物质成型块的品质受到诸多因素影响----根本上影响或制约着成型块内部的黏结方式和黏结力大小，造成成型块物理品质的差异。1962年，德国Rumpf，黏结力类型和黏结方式分类：固体颗粒桥接或架桥非自由移动黏结剂作用的黏结力自由移动液体的表面张力和毛细压力离子键的分子吸引力（范德华力）或静电引力固体粒子间的充填和嵌合生物质压缩成型的粒子特性构成生物质成型块的主要物质形态为不同粒径的粒子，粒子在压缩过程中表现出的充填特性、流动特性和压缩特性对生物质的压缩成型有很大影响。生物质压缩通常分为两个阶段压缩初期，较低的压力传递至生物质颗粒中，使原先松散堆积的固体颗粒排列结构开始改变，内部空隙率减少。压力逐渐增大时，生物质大颗粒在压力作用下破裂，变成更加细小的粒子，发生变形或塑性流动，粒子开始填充空隙，粒子间更加紧密地接触，一部分参与应力储存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。生物质压缩成型的电势特性根据传统的动电学理论，一旦固体颗粒与液体接触，在固体颗粒表面会发生电荷的优先吸附现象，这使固相表面带电荷，与固体表面接触的周围液体会形成相反电荷的扩散层，构成了双电层。固体颗粒表面和液体内部的电势差，F（电势）对生物质颗粒的压缩成型起排斥作用。减小F，可少加或不加黏结剂情况下，提高成型块强度。某些有机化合物可以作为添加剂，中和F电势，例如聚环氧乙烷。生物质压缩成型的化学成分因素生物质的组织结构和组成成分不同造成生物质成型块的物理品质出现较大差异。主要成分：纤维素、半纤维素、木质素其他成分：单宁、果胶质、萃取物、色素、灰分木质素：最好的内在黏结剂水分可降低木质素的玻璃化转变温度，使生物质在较低温度下成型其他黏结剂：腐殖质、树脂、蜡质等2.3生物质压缩成型的主要影响因素原料种类的影响原料含水率的影响原料粒度的影响成型压力的影响温度的影响原料种类的影响原料的种类不但影响成型质量，如成型块的密度、强度、热值等，而且影响成型机的产量及动力消耗。难于压缩，即在压力作用下变形较小易于压缩，即在压力作用下变形较大木材（秸秆）植物纤维原料含水率的影响无论是颗粒燃料还是块状燃料，含水率严重影响常温成型产品质量和产量。适宜的含水率一般在12~18%，最佳含水率在15%左右。含水率小于15%，燃料密度随含水率的增加呈增大趋势，含水率大于15%，燃料密度快速下降，成型块表面有裂纹，甚至不能成型。原料含水率/%468101214木屑不成型成型成型成型成型不成型秸秆不成型成型成型成型成型不成型原料含水率的影响，对比生活中的和面水太少水太多水适中原料粒度的影响对于某一确定的成型方式，原料的粒度大小应不大于某一尺寸。粒度小延伸率或变形率大容易压缩粒度大延伸率或变形率大小难压缩原料粒度影响成型机的效率和成型物的质量原料粒度较大成型机不能有效地工作，能耗大，产量小原料粒度不均匀表面将产生裂纹，密度和强度降低特殊：冲压成型要求粒度较大，粒度较小容易脱落成型压力的影响常温成型，在比较大的压力下，可以获得密度高的成型燃料。对于环模压缩，由于难以测量成型压力，一般以压缩比大小来表示成型压力的相对大小。压缩比增大，燃料密度增加一般情况，压力较小时，密度随压力增加而增加的幅度较大，而压力增大到一定值以后，成型块的密度增加变得缓慢。压力和密度的关系：P=crmc,m为经验常数，适用于1~2MPa温度的影响加热的作用可使原料中含有的木质素软化，起到黏结剂的作用。使原料本身变软，变得容易压缩。温度过低，传入套筒的热量少，不足以使原料中的木质素塑化，加大原料与套筒之间的摩擦，无法成型；温度过高，原料分解严重，输送过快，不能形成有效压力，无法成型。原料温度/oC180200220240260280木屑不成型不成型成型缓慢成型较快成型快不成型秸秆不成型不成型成型缓慢成型较快成型快表面炭化2.4生物质压缩成型工艺技术压缩成型工艺类型螺旋挤压成型技术活塞挤压技术压辊式成型技术工作原理：采用压轮和模具之间挤压力摩擦力相互作用原理，使物料获得成型。物料在加工过程中无需加入任何添加剂或粘结剂。热压缩对成型前粉料含水率有严格要求，8~12%。螺旋挤压式成型机是最早研制生产的热压成型机，其原理是利用螺杆输送推进和挤压生物质。加热器加温时由温控器自动控制在设定的温度值。这类成型机具有运行平稳、生产连续、所产成型棒易燃等特性。其主要技术问题是成型部件磨损严重，使用寿命短，单位产品能耗高。螺旋挤压式成型机生活中的螺旋挤压活塞挤压式成型机中原料的成型是靠柱塞的往复运动实现的。利用外力，通过曲柄连杆机构，带动柱塞。将松散的生物质挤压成生物质成型块。与螺旋挤压式成型机相比，由于改变了成型部件与原料的作用方式，改善了成型部件磨损严重的现象，其使用寿命有所提高，单位产品能耗也有下降，但由于机械驱动柱塞式成型机存在较大的振动负荷，易造成机器运行稳定性差，噪音较大。活塞挤压式成型机生活中的活塞挤压古法榨油螺旋挤压式和活塞冲压式两者的技术对比参数螺旋挤压式活塞冲压式参数螺旋挤压式活塞冲压式原料最佳含水率/%8～910～15密度/（t/m3）1～1.41～1.2接触部位磨损在螺旋处有较大的磨损活塞和模有轻度磨损维护费低高工作方式连续间断燃烧性能非常好一般动力消耗/[（kW·h）/t]6050均匀性均匀不均匀压辊式成型机主要用于生产颗粒状成型燃料。压辊式成型机的基本工作部件由压辊和平模组成，其中压辊可以绕自己的轴转动，压辊的外刷加工有齿或槽，用于压紧原料而不致打滑。平模上加工有成型孔，原料进入压辊和环模之间，在压辊的作用下被压入成型孔内。从成型孔内压出的原料就变成园柱形或棱柱形。压辊挤压式成型机平模颗粒成型机结构示意图生活中的平模成型压辊式环模成型机生物质成型套筒炭化成型工艺（1）先成型后炭化工艺原料粉碎干燥成型炭化冷却包装（2）先炭化后成型工艺原料粉碎除杂炭化混合黏结剂挤压成型成品干燥包装炭化成型工艺的特点：炭化过程高分子组分受热裂解转化成炭，并释放出挥发分，因而其挤压加工性能得到改善，功率消耗也明显下降。炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差，故成型时一般都要加入一定量的黏结剂。冷压缩成型工艺在常温下，将生物质颗粒通过特殊的挤压方式成型的过程。其黏结力主要是靠挤压过程所产生的热量，是生物质中的木质素产生塑化黏接。黏结剂的选择至关重要。对原料含水率要求不高。颗粒成型机理不同，冷压缩技术的工艺只需要粉碎和压缩两个环节。特点：与热压缩相比，冷压缩一般需要的压力特别大，但具有原料适用性广，设备系统简单、体积小、质量轻、价格低、可移动性强、颗粒成型能耗低、成本低等优点。2.5生物质成型燃料的性能指标1.生物质成型燃料的物理特性（直接决定成型燃料的使用要求、运输要求和收藏条件）松弛密度耐久性2.生物质成型燃料的燃烧特性生物质成型燃料的物理特性（1）松弛密度生物质成型块在出模后，由于弹性变形和应力松弛，其压缩密度逐渐减小，一定时间后密度趋于稳定，此时成型块的密度成为松弛密度。松弛密度比模内的最终压缩密度小，通常采用无量纲参数---松弛比，即模内物料的最大压缩密度与松弛密度的比值描述成型块的松弛密度。影响因素：生物质的含水率、组成成分。提高松弛密度采用适宜的压缩时间，控制成型块在模具内的应力松弛和弹性变形，阻止成型块出模后压缩密度的减小趋势。生物质粉碎尽可能减小粒度，适当提高生物质压缩成型的压力、温度或添加黏结剂，最大限度降低成型块内部的空隙率，增强结合力。造成松弛的原因之一，参考弹性形变（2）耐久性反映成型块的黏结性能，是由成型块的压缩条件及松弛密度决定的。耐久性体现在成型块的不同使用性能和储藏性能方面，具体细化为：抗变形性----采用强度试验测量其拉伸强度和剪切强度，用失效载荷值表示成型块的强度；抗跌（滚）碎性----用跌落试验和翻滚试验或冲击试验来检验；抗渗水性----计算成型块在一定时间内进入水中的吸水率，或记录成型块在水中完全剥落分解的时间；抗吸湿性生物质成型燃料的燃烧特性生物质成型燃料密度较大，挥发分的溢出速度和传热速度都比生物质大大降低。燃烧开始时，挥发分慢慢分解，燃烧处于动力区，随着挥发分燃烧逐渐进入过渡区和扩散区，燃烧速度适中，能够使挥发分放出的热量及时传递给受热面，排烟热损失低。同时，挥发燃烧所需的氧与外界扩散的氧匹配较好，挥发分燃烧完全，能量损失和排烟热损失小。挥发分燃烧完毕，剩余的焦炭骨架结构紧密，运动的气流不能使骨架悬浮，骨架保持层状燃烧，形成层状燃烧核心。这是炭燃烧所需的氧气与静态渗透扩散的氧相当，燃烧稳定、完全，减小了能量及热损失。2.6生物质压缩成型应用实例生物砖料是以第二次石油危机为契机，由日本北海道开发的，作为煤油的代替燃料，以煤（75%）、生物质（25%）相混合，不使用黏结剂，高压形成的复合固体燃料。秸秆成型燃料是生物质经脱水、粉碎、成型等程序制备成的致密固体燃料。1吨蒸汽锅炉所用各种常规燃料能耗费用对比表燃料名称柴油(kg)天然气(M3)电(kwh)生物质颗粒燃料(kg)热值(kCal)1020085008604400±100燃料价格(元)7.83.70.81.3每吨蒸汽能耗6877780170每吨蒸汽费用(元)530285624221生物质颗粒在家庭应用上的效果比较