第二章-生物质压缩成型燃料技术(上)

生物质压缩成型技术过度的资源、能源消耗和不可逆转的环境破坏，导致人类生活环境出现了严重的生态危机——地球“发烧”了中国二氧化碳排放量已超过美国，成为二氧化碳排放量最大的国家。专家预测，如不加以控制，到2030年中国二氧化碳排放量将达到8兆吨/年，相当于目前全世界的排放量的三分之一。削减CO2排放是降低温室气体效应最有效、最得力的措施之一！！减少石油、煤等高污染石化资源利用，充分利用低污染的生物质能源势在必行。生物质压缩成型燃料是生物质能源转化利用的一个重要领域。欧洲、美国、日本等发达国家生物质成型燃料产业发展已进入商品化阶段，拥有成熟的技术，完整的标准体系和不断增长的市场。国外生物质成型燃料产业发展现状以德国为例40多座生物质燃料厂，240万吨1100多个生物质工业供暖设施超过10万台民用生物质颗粒采暖炉200多座生物质热电联供厂，2008年供电超过1170万千瓦时可再生能源供热的92%来自于生物质能，其中77.8%来自于生物质成型燃料成型燃料厂经销商炉具制造商锅炉制造商配件商协会及组织德国2008年可再生能源供热统计生物质成型燃料（民用）生物质成型燃料（工业）生物质成型燃料（热电联产）液态生物质燃料生物质燃气垃圾类生物质太阳能供热深层地热浅层地热国内生物质成型燃料产业发展现状生物质资源丰富400004500050000550006000065000万吨秸秆产量599615930761704618035731856767573435439859570605026115061647粮食产量504544941751230508394621845264457064307046947484024974650150199619971998199920002001200220032004200520062007我国粮食与秸秆产量发展趋势（根据中国农业年鉴整理）我国秸秆年产量约7亿吨，另有约1.2亿吨稻壳、蔗渣、花生壳等剩余物。据农业部对粮食产量预测分析，到2020年我国主要作物的秸秆总量将达到8亿吨。我国林木生物质资源预测（亿吨）220250200205210215280201610-129-118-108-1012-143456810120501001502002503002006年2007年2008年2009年2010年2015年2020年生物总量可获得量可利用量我国现有生物质成型燃料生产厂近200家。秸秆燃料厂主要分布在华北、华中和东北等地；木质颗粒燃料厂主要集中在华东、华南、东北和内蒙等地。国内现有成型设备生产厂家100多家，主要分布在河南、河北、山东等地区。国内生物质燃烧技术生物质成型燃料村镇应用炉具生物质工业锅炉生物质电站锅炉生物质炉具和锅炉近来也有长足发展，如广州迪森、重庆良奇、山东多乐、湖南万家、张家界三木、北京桑普和北京老万等。但由于种种原因，使用可靠、技术先进、价廉物美、能批量投入工业生产、满足广大用户使用要求的产品并不多。生物质成型燃料产业发展意义液态技术（生物乙醇、甲醇和生物柴油）新能源风能太阳能地热能潮汐能生物质能利用形式气态技术（生物沼气、垃圾沼气、木质气）固态技术农林废弃物直燃、压缩成型（发电、供热）•能源问题﹖•环境问题﹖•三农问题﹖农林废弃物资源化利用改善农村能源结构提高农民收入、增加农民就业岗位新的、可再生的替代能源优化能源结构、增加能源供给提高能源使用效率CO2零排放、SO2、氮氧化物低排放减少秸秆焚烧污染空气有助于解决我国三大战略难题生物质成型燃料生物质燃料二氧化碳零排放植物生长期吸收二氧化碳生物质燃料燃烧排放的CO2是植物生长期所吸受的，不会增加大气中CO2的总量。国际上称之为CO2零排放，也称碳中性。燃烧排放二氧化碳生物质成型燃料生物质成型燃料产业链原料规模收集能源作物种植原料收集原料分散收集燃料生产粉碎调制成型冷却包装生产流程民用炉具工业锅炉电站锅炉往复式炉排锅炉循环流化床锅炉热水锅炉蒸汽锅炉生物质炊事炉炊事取暖两用炉生物质取暖炉燃烧设备水冷震动式锅炉燃料销售生物质成型燃料产业循环示意图（1）生物质压缩成型燃料技术：在一定温度和压力下，利用木质素充当黏合剂，将各类分布散、形体轻、储运困难、使用不便的生物质原料（农作物秸秆、稻壳、锯末、木屑等）经压缩成型和炭化工艺，加工成具有一定几何形状、密度较大的成型燃料，以提高燃料的热值，改善燃烧性能，使之成为商品能源。也称为“压缩致密成型”、“致密固化成型”、“生物质压块”。一、基本概念⑵生物质压缩成型燃料：松散的秸杆、籽壳、树枝、锯末等纤维质、木质生物质废料经热挤压工艺制成的固形燃料。①生物质压缩成型燃料类型：粒状、棒状、块状等②用途：家庭取暖炉小型热水锅炉热风炉小型发电设施等等。③生物质压缩成型燃料特点：密度高、强度大：体积缩小6~8倍，密度约为1.1~1.4t/m3；热值高：热值可达到16.7MJ/kg，能源密度相当于中质烟煤；燃烧性能好：使用时火力持久，炉膛温度高，燃烧特性明显得到改善。形状和性质均一：便于运输和装卸、适应性强、燃料操作控制方便等。二、生物质压缩成型原理（一）压缩过程中生物质的粒子特性⑴生物质压缩成型过程中粒子状态变化生物质压缩成型分为两个阶段。第一阶段，初期，较低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，生物质内部空隙率减少。第二阶段，压力逐渐增大时，生物质大颗粒在压力作用下破裂，变成更加细小粒子，并发生变形或塑性流动，粒子开始充填空隙，粒子间更加紧密地接触而互相啮合，一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。⑵成型物内部粒子的粘结机制1962年德国的Rumpf针对不同材料的压缩成型，将成型物内部的粘结力类型和粘结方式分成5类:①固体颗粒桥接或架桥(Solidbridge)；②固体粒子间的充填或嵌合；③自由移动液体的表面张力和毛细压力；④非自由移动粘结剂作用的粘结力；⑤粒子间的分子吸引力(范德华力)或静电引力。⑶压缩过程的影响粒子变化的因素①含水率。生物质内适量的结合水和自由水是一种润滑剂，使粒子间内摩擦变小，流动性增强，从而促进粒子在压力作用下滑动而嵌合。②颗粒尺寸。•构成成型块的粒子越细小，粒子间充填程度就越高，接触越紧密；•当粒子的粒度小到一定程度(几百至几微米)后，成型块内部结合力方式和主次甚至也会发生变化，粒子间分子引力、静电引力和液相附着力(毛细管力)开始上升为主导地位。（二）压缩成型时生物质的化学成分变化（1）木质素是生物质固有的最好内在粘接剂。木质素100℃才开始软化，160℃开始熔融形成胶体物质。在压缩成型过程中，木质素在温度与压力的共同作用下发挥粘结剂功能，粘附和聚合生物质颗粒，提高了成型物的结合强度和耐久性。（2）水分是一种必不可少的自由基。•水分流动于生物质团粒间，在压力作用下，与果胶质或糖类混合形成胶体，起粘结剂的作用。•水分还有降低木质素的玻变(熔融)温度的作用，使生物质在较低加热温度下成型。（3）半纤维素与纤维素的作用。半纤维素水解转化为木糖，也可起到粘结剂的作用。纤维素分子连接形成的纤丝，在粘聚体内发挥了类似于混凝土中“钢筋”的加强作用，成为提高成型块强度的“骨架”。（4）其它化学成分的作用。•生物质所含腐殖质、树脂、蜡质等对压力和温度比较敏感。当采用适宜温度和压力时，也有助于在压缩成型过程中发挥粘结作用。•生物质中的纤维素、半纤维素和木质素在不同高温下，都能受热分解转化为液、固和气态产物。•将生物质热解技术与压缩成型工艺结合，利用热解反应产生的热解油或木焦油作为黏结剂，有利于提高粒子间的黏聚作用，提高成型燃料的品位和热值。二、生物质压缩成型的工艺流程⑴生物质收集工厂化加工主要涉及的问题：①加工厂的服务半径；②农户供给加工厂的原料的形式；③原料状况。⑵物料粉碎木块、树皮、植物秸杆等尺寸较大的原料要时行粉碎，粉碎作业尽量在粉碎机上完成；锯末、稻壳等只需清除尺寸较大的异物，无需粉碎。对颗粒成型燃料，一般需要将90%左右的原料粉碎到2mm以下，必要时原料需进行二次甚至三次粉碎。常用粉碎机械：锤片式粉碎机。⑶干燥干燥处理的原因：水分含量超过经验值上限时，加工过程中当温度升高时，体积突然膨胀，易发生爆炸造成事故；水分含量过低时，会使范德华力降低，物料难以成型。物料湿度一般要求在10～15%之间，间歇式或低速压缩工艺中可适当放宽。常用干燥机有回转圆筒干燥机、立式气流干燥机。出料口排湿口驱动装置干燥筒进料口热风炉①回转圆筒干燥机：构造：优点：生产能力大，运行可靠，操作容易，适应性强，流体阻力小，动力消耗低。缺点：设备复杂，体积庞大，一次性投资高，占地面积大。干燥过程：原料进入干燥筒；干燥筒作低速回转运动。干燥筒向出口方向下倾2～10°，并在筒内安装有抄板。物料在随干燥筒回转时被抄起后落下，由热风发生炉产生的热风加热干燥；由于干燥筒的倾斜及回转作用，原料被移送到出料口排出机外。干燥筒内操作方式：逆流操作—干燥器内传热与传质推动力比较均匀，适用于不允许快速干燥的热敏性物料。干燥处理后物料含水率较低。顺流操作—适用于原料含水量较高，允许干燥速度快，在干燥过程中不分解，能耐高温的非热敏性物料。上干燥管下干燥管分离器热风炉加料口出料口抽风机②立式气流干燥设备：构造：特点：原料在气流中分散性好，故干燥有效面积大，干燥强度高，生产能力大，从而干燥时间大大缩短；干燥过程中采用顺流操作，入口处气温高而原料温度大，能充分利用气体的热能，故热效率高；设备简单，占地面积小，一次性投资少，可同时完成输送作业，工艺流程简化，便于实现自动化作业。干燥过程：热风发生炉产生的热风在抽风机作用下被吸入干燥管道内；同时，被干燥的原料由加料口加入与热风汇合，二者在干燥管内充分混合并向前流动，完成干燥过程。干燥后的物料被吸入离心分离器分离，然后从出料口排出。湿空气被风机抽出排放。⑷预压缩为提高生产率，在推进器进刀前先把松散的物料预压一下，然后再推入成型模具。多采用螺旋推进器、液压推进器。⑸压缩F1—机器主推力，F2—摩擦力，F3—模具壁的向心反作用压力，α—模具内壁的倾斜夹角。影响F1大小的是F2和料块的密度、直径等，影响F2大小的是α和模具的温度。α是成型模设计的关键因素，它随着料块的直径、密度、原料类型而有不同的要求。α的确定需要经过试验，一般从3°开始，用插入法进行调试。模具设计有内模和外模，外模是不变的，内模可以调换。⑹加热棒形成型机的加热温度一般在150~300℃之间；颗粒成型机没有外热源加热，但成型过程中原料与机器工作部件之间的摩擦作用可将原料加热到100℃左右。加热方式：电阻丝加热、导热油加热。应先预热后开机。也可加大成型模内壁的夹角，利用挤压过程中产生摩擦热加热。但动力消耗大，螺旋头和模具磨损加剧，一般30~50h就得更换螺旋头。⑺添加黏结剂目的：①增加压块的热值，同时增大黏结力。方法：加入10%~20%的煤粉或炭粉。注意事项：添加要均匀，避免因相对密度不同造成不均匀聚结；②纯增加黏结力，减少动力输入。要求：生物质颗粒尺寸要小，便于黏结剂均匀接触。一般在预压前输送的过程中添加，以便于搅拌。⑻保型目的：使已成型的生物质棒消除部分应力，使料块形状固定下来。方法：在生物质成型后的那段套筒内进行。此段套筒内径略大于压缩成型的最小部位直径，成型料进入后适量膨胀，消除部分应力。保型套筒端部有开口，用以调整保型套筒的保型能力。保型筒直径的影响：若保型筒直径过大，生物质会迅速膨胀，容易产生裂纹；直径过小，应力得不到消除，出品后会因温度突然下降发生崩裂或粉碎。三、生物质压缩成型的工艺类型热压缩成型技术冷压缩成型技术炭化成型技术湿压成型热压成型炭化成型干燥不炭化炭化低密度成型块生物质成型块成型炭块挤压成型生物质压缩成型的工艺形式生物质燃料⑴“热压缩”颗粒成型技术定义：是把粉碎后的生物质在220~280℃高温及高压下压缩成1t/m3左右的高密度成型燃料。“热压缩”技术的工艺由粉碎、干燥、加热