（木材科学与技术专业论文）生物质成型燃料物理性能和燃烧特性研究.pdf

摘要 生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，它仅次于煤炭、石油和天然气而 居于世界能源消费总量的第四位，在整个能源系统中占有重要地位。由于它具有 来源广泛、可再生和环境友好等优点，因此越来越受到人们的广泛关注。生物质 成型燃料技术，具有成本低、投资少、见效快的特点，已成为我国利用生物质燃 料的主要技术之一。 本次课题研究所采用的生物质原料为芒草、木屑、稻壳和稻草，原料经粉碎、 筛选、干燥等前期处理后，采用新型机制木炭制棒机成型设备，把原料压缩为成 型燃料。试验研究了生物质成型燃料成型的影响因素、生物质成型燃料的物理性 能，分析了满足成型燃料运输、储存、搬运和燃烧等使用条件的要求。原料含水 率的高低，成型温度的大小和粒径的大小对生物质能否被压缩成型有着显著的影 响。原料的含水率、成型温度和粉碎粒径对松弛密度和耐久性的影响非常明显。 试验研究了生物质成型燃料的燃烧特性，主要包括了生物质的发热量测定，灰熔 点测定，燃烧动力学研究和燃烧速率研究。这些基础研究为生物质成型燃料的生 产、使用和燃烧设备的研制以及合理选择燃烧设备的种类提供基础数据。 关键词：生物质成型燃料松弛密度抗跌碎性抗渗水性燃烧特性 s t u d i e so nt h ep h y s i c a lp e r f b r m a n c ea n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e b i o m a s sd e n s i 6 c a t i o nb r i q u e t t i n gf u e l a b s t r a c t b i o e n e 玛yh a sb e e nt h ei n l p o r t a me n e 曙ym a tt h em a n k i n dd e p e n d e do nf o re x i s t e n c ea l l t l l et i m e ，i ti so i l l ys e c o n dt ot h ec o a l ，p e t l 0 l e 吼，加t l l m lg a sa n do c c u p yt h ef o 叭hmt h et o t a i 锄o u 王1 to ft h ee n e f g y - c o n s u m i n go ft h ew o r l d ，h a v i n gt h ei m p o 砘m tp o s i t i o ni nt i l ew h o l e e n e 唱ys y s c e m t h ea d v a n t a g es u c ha sb e i l l ge x t e n s i v e ，r e n e w a b l ea n de n v i r o 衄e n t 伍e n d l y t h a ti th a sm a k e si tb e e np 缸dc l o s ea m i o nb ym o r ea n dm o r e p e o p i ei i lr e c e n ty e a r s b i o m a s s s h 叩i n g 如e l t e c l l i l o l o g yh a sc h 觚l c t e r i s t i c s w i t hl o wc o s t ， l i t t l ei n v e s t m e n ta n di n s t a n t e 脓t i th a sa i r e a d yb e c o m eo n eo ft h em a i nt e c l u l o l o g i e st h a to u rc o 咖h a s b i o m a s sr a wm a t e r i a ls u c h 嬲a l 乒a l s s ，s a v 旧u s t ，r i c eh u s ka n ds 把删t i l a tt i l et e x ta d o p t t oc o n l p r e s si n t 0t h eb i o m a l s sd e n s i f i c a t i o nb r i q u e t t i n gn l e la r e rc r u s h i n g ，s c r e e i l i n g ，d 巧i n ga n d o t h e rm e t h o d si ne a r l i e rs t a g e b ym ec h a r c o a l o fn e wm e c h a l l i s m ，e x c e l l e m s h a p i n g a p p a m t u s t h ei n 丑u e n c i n gf a c t o ro fr e l a x i n gd e n s i t ) ，a n dd u r a b i l i 哆o ft h eb i o m a s sd e n s i f i c a t i o n b r i q u e t t i n gm e l 、a si n v e s t i g a t e di n l ee x p e r i n l e n t t t l e 印p l i e dc o n d i t i o n si n d u s t r i a l i z a t i o no f l et e c l u l o i o g ys u c ha st 姗s p o n a t i o n ，s t o m g ea n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s 、v e r ed e t e m l i n e d t h el e v e lo fm em o i s n 鹏c o n t e n to fm wm a t e r i a l s ，t h es i z eo fs h a p i n g t e m p e 均由l r ea n dm es i z e o f f o o t - p a m t 1 1 a tc o u l d c o m p r e s ss h 印i n ga n dh a v ep r o r n i n e n ti n n u e n c eo nt h e b i o m a s s m o i s t u r ec o m e n to fb i o m a s s ，s h a p i n gt e m p e r a t l j r e ：s i z ea 1 1 dt h ep u l v e r i z e ds i z ea 脏c t i er e l a x e dd e n s i 够a n dd u r a b i i i t ) ，o ft 1 1 eb r i 小l e t t e sb a d l y e x p e r i m e n th a ss t u d i e dt h eb i o m a s s s h a p i n gb 眦血gc h a r a c ：t e r i s t i co fm e l ，m a i n l yi n c l u d i n gt l l em e n s u r a t i o no fc a l o r i cv a l u eo f b i o m 2 l s sd e t e n i l i n e ，趾d 伊a ym e l t i n gp o i n ta n dm es t u d yo fb 删n gd y n 啪i c sa 1 1 db u n l i n g s p e e d t k st e x th a sc a r r i e do nm o r eo v e m l ls 砌i e so ni n n u e n c i n gf a c t o r s ，p h y s i c a lp e 面肌a n c e 孤l db u r i l i n gc h a r a c t e r i s t i co ft l l eb i o m a s sd e i l s i f i c a t i o n b r i q u e t t i n g 如e i 甜l do 虢r e dt h eb a s i c d a 妇f o rp r o d u c t i o 玛u s a g ea 1 1 dm a i l u f a c t u r eo ft h eb 咖n g a p p a r a t u s k e y w o r d s ： b i o r n a s sd e n s i f i c a t i o nb r i q u e t t i n gm e l r e l a ) 【d e l l s 毋 s h a t t e rr e s i s t a n c e w a t e rr e s i s t a n c ec o m b u s t i o nc h a r l a c t e r i s t i c 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在丈中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：两才雹穆 谢年占月，占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密影 ( 请在以上方框内打“ ” ) 学位论文作者( 本人签名) ：锎才席参考良n 孝年月6 日 指一引枞戳) 静彳加褂6 日 致谢 本课题是在导师孙军教授的悉心指导下完成的。从论文选题，到研究内容的安排、技 术路线的确定、试验结果的分析直至论文撰写的各个环节，都得到导师精心指导和亲切关 怀。几年来，在学习、工作、生活上导师都给了无微不至的关怀。导师严谨的治学态度， 广博的专业知识以及孜孜不倦的教诲令学生获益不浅。 在本文试验及论文进行中，我得到了邹玲工程师、桂冰教授、王志和副教授、周捍东 教授的热心支持、帮助和指导。在试验和论文写作过程中，师兄刘翔、徐德良、傅庚福， 师弟赵鹏、赵凯峰，师妹陈小娟，我的同学袁少飞、郝东恩和章欣都给予了大量支持与帮 助。 各方支持，未能尽列，值论文完成之际，向所有给与支持和帮助的老师、同学以及我 的家人表示最诚挚的谢意! 在论文完成的过程中，还参考了许多文献资料，在此，向各参考文献的作者、译者和 出版者一并表示感谢! 作者：谢启强 二零零八年六月 1 1 课题研究背景 1绪论 随着世界经济的发展、人口的剧增和人民生活水平的不断提高，世界能源需求量持续 增大，导致石油价格飞速增长，能源的供应不足已经成为制约国家经济发展的瓶颈。能源 是左右可持续发展进程的关键因素之一。2 0 0 4 年我国的能源消费已占世界能源消费总量 的1 3 6 ，在世界能源消费排名中居第二位，仅次于美国，能源消费总量为1 9 7 亿吨标 准煤，其中煤炭占6 9 o ，石油占2 2 3 ，天然气占2 5 ，可再生能源占6 2 n 1 。我国未 来能源结构政策的基本方略是“煤为基础、多元发展”。目前，我国面i 临着常规能源资源 的约束、过分依赖煤炭资源，在能源的使用过程中存在着污染严重、能源利用效率低等问 题。据美国化学与工程新闻杂志统计报道，2 0 0 4 年中国二氧化碳的排放量达到了3 1 7 6 亿吨，位居全球第二位，仅低于美国的排放量。由于二氧化碳属于温室气体，大量排放造 成了全球性的环境问题，已经引起了全社会的广泛关注。对于我国而言，由于煤炭是主要 的能源，减排二氧化碳的任务异常艰巨。 目前，我国国民经济的发展面临着能源资源的严重约束，石油的对外依存度越来越高， 石油资源的不稳定性，使经济发展产生了不确定性，这就要求我国改变目前的能源结构现 状，提高可再生能源的比例。从目前掌握的能源资源看，煤炭的剩余可采储量约为1 1 0 0 亿吨，石油的剩余可采储量约为2 4 亿吨，天然气的剩余可采储量约为2 万亿立方米。从 人均拥有量来看，煤炭、石油和天然气分别为世界人均水平的7 0 、1 0 和5 伽。按目 前剩余可采储量和能源消费量来看，煤炭还可开采2 2 0 年，石油还可开采4 0 年，天然气 还可开采6 0 年。其时间表均早于全球化石能源枯竭速度。虽然这只是一种理论性的算法， 今后能源资源还会不断地勘探出来，但足以说明我国面临严峻的能源资源形势。为了满足 经济的可持续发展，我们必须要改变国民经济的构成模式，努力提高能源利用率。据日本 瑞穗证券公司最近估计，目前中国每生产1 美元产值需使用原油为8 0 0 克，美国为2 3 0 克，日本为1 3 0 克。2 0 0 5 年5 月召开的中国能源战略高层论坛，出现这样一组数据：与 世界先进水平相比，我国在能源效率、单位产品能耗等方面仍然存在较大差距，主要产耗 比世界先进水平高4 0 。我国能源利用率为3 3 ，与世界先进水平相差l o 个百分点，节 能潜力巨大。我国除了要高效利用能源，全面建设高效节能型的社会外，还必须重视可 再生能源的开发利用，提高可再生能源在能源结构中的比例。因此，国家“十五”计划提 出“推行生物质能高效利用技术，加快开发生物质成型和高效自接燃烧设备的开发利用， 并制定了相关发展规划。我国2 0 0 5 年3 月出台的可再生能源法指出：“促进可再生能 源的开发利用，增加能源供应，改善能源结构，保障能源安全，保护环境，实现经济社会 的可持续发展”，“国家鼓励清洁、高效地开发利用生物质燃料。一 1 2 我国生物质能源开发利用的重要意义及利用概况 1 2 1 我国生物质能源开发利用的重要意义 我国是一个以煤炭为主的能源消耗大国，同时也是一个能源进口的国家，全国大气中 9 0 的s 0 。、8 0 的烟尘和8 5 c 0 。的排放是燃煤造成的，酸雨面积已超过我国国土面积 的3 0 口1 。为了减轻我国使用化石能源对环境造成的影响，同时减少对化石能源的依赖， 需要改变能源生产和消费方式，开发利用生物质能等可再生的清洁能源对建立可持续的能 源系统，促进国民经济发展和环境保护具有重大意义，主要表现在三个方面h 1 ： 1 ) 开发利用生物质能的经济意义 开发利用生物质能源，能开拓新的经济增长领域、促进经济转型、扩大就业的重要选 择。生物质能源资源分布广泛，各地区都具有一定的生物质能源开发利用条件。生物质能 源的开发利用主要是利用当地自然资源和人力资源，对促进地区经济发展具有重要意义。 同时，生物质能源也是高新技术和新兴产业，快速发展的生物质能源已成为一个新的经济 增长点，可以有效拉动装备制造等相关产业的发展，对调整产业结构，促进经济增长方式 转变，扩大就业，推进经济和社会的可持续发展意义重大。 2 ) 开发利用生物质能源的社会意义 农村是目前我国经济和社会发展最薄弱的地区，能源基础设施落后，全国还有约1 1 5 0 万人没有电力供应，许多农村生活能源仍主要依靠秸秆、薪柴等生物质低效直接燃烧的传 统利用方式提供。农村地区生物质资源丰富，加快生物质能源开发利用，一方面可以利用 当地资源，因地制宜解决偏远地区电力供应和农村居民生活用能问题，另一方面可以将农 村地区的生物质资源转换为商品能源，替代部分化石能源，缓解能源供需矛盾，使生物质 能源成为农村特色产业，有效延长农业产业链，提高农业效益，增加农民收入，改善农村 环境，促进农村地区经济和社会的可持续发展。 3 ) 开发利用生物质能源的生态环境意义 目前，我国环境污染问题突出，生态系统脆弱，大量开采和使用化石能源对环境影响 很大，特别是我国能源消费结构中煤炭比例偏高，二氧化碳排放增长较快，对气候变化影 响较大。生物质能源清洁环保，开发利用过程不会增加温室气体排放。开发利用生物质能 源，对优化能源结构、保护环境、减排温室气体、应对气候变化具有十分重要的作用。 1 2 2 我国生物质能源利用概况 我国的生物质资源非常丰富，1 9 9 6 年我国的各种主要农作物秸秆( 稻秆、麦秆、玉米 秆等) 总量为7 0 5 亿t ，农业加工残余物( 稻壳、蔗渣等) 约为o 8 4 亿t ，薪材及林收加工 剩余物合理资源量为1 5 8 亿t ，人畜粪便生物质资源总量为4 4 3 亿t ，城市生活垃圾污 水中的有机物约0 5 6 亿t ，我国生物质能资源潜力折合成标准煤7 亿t 左右，而目前年 实际使用量约为为2 2 亿t 标准煤晦1 。因此，我国的生物质资源还有很大的开发潜力。我 国农村地域广阔、人口众多，每年要消耗众多的柴草，而绝大多数是使用传统的旧式炉灶， 2 直接燃烧干柴或农作物秸秆，其燃烧效率仅为5 卜1 0 ，浪费了大量的森林和植物资源。 生物质燃料是一种可再生的新能源，通过生物质燃料制备、高效燃烧器具的研发以及相关 技术的引进、消化吸收，并加以推广，使生物质的热能利用率大大提高，节省大量的森林 资源，开发利用生物质燃料不仅能缓解能源危机，而且可以减轻环境污染，同时也节约了 能源。要走可持续发展的道路，开发利用生物质燃料资源意义十分重大。 1 3 本课题研究的主要目的 在2 0 0 7 年中华人民共和国国家发展和改革委员会通过并发布实施的可再生能源中 长期发展规划中明确指出，“在生物质能利用技术状况中，重点发展生物质发电、沼气、 生物质固体成型燃料和生物液体燃料”。在本次课题研究中，笔者选取了生物质固体成型 燃料作为研究对象。规划中指出生物质固体成型燃料的发展目标：“到2 0 1 0 年，生物质 固体成型燃料年利用量达到1 0 0 万吨，而到2 0 2 0 年，生物质固体成型燃料年利用量达到 5 0 0 0 万吨”。所谓生物质固体成型燃料，是将生物质中的木质素在加热条件下软化使其 具有相当的粘着强度，然后通过机械的方式给生物质施加适当的压力，将分散的生物质转 化为具有一定形状和密度的固体成型燃料嘲。生物质经过干燥、粉碎，再经生物质成型设 备挤压成棒状、块状或颗粒等成型燃料，其密度可达o 8 1 3 5 9 c 历刁，体积压缩比为7 1 0 倍，便于储存、运输和处理：同时生物质成型燃料的设备简单，易于操作，价格相对 低廉，易于推广。成型燃料的燃烧与分散的生物质相比具有以下优点口】： ( 1 ) 成型燃料的密度远远大于原生物质，其结构与组织特征决定了挥发分的逸出速 度与传热速度都大大降低，挥发分逸出速度变缓，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。 ( 2 ) 挥发分燃烧所需要的氧气与外界扩散的氧气能够很好地匹配，挥发分能够充分 燃尽，又不过多的加入空气，减少了大量的气体不完全燃烧损失与排烟热损失。 ( 3 ) 挥发分燃烧后，剩余的焦炭骨架结构紧密，像型煤焦炭骨架一样，运动的气流不 能使骨架解体悬浮，这时炭的燃烧所需要的氧与静态渗透扩散的氧相当，从而减少了固体 不完全燃烧与排烟热损失，燃烧时间明显延长，燃烧相对稳定。 研究表明，生物质经固化以后，由于体积减少，密度增大，提高其运输和贮存能力， 改善生物质燃烧性能，燃烧效率平均提高2 0 9 6 ，同时扩大了应用范围，可以取代煤、燃气 等作为民用燃料进行炊事、取暖等，也可用于工业锅炉的燃料。 生物质能源的高效转化可以解决我国农村生物质燃料的污染及资源浪费问题，满足了 农村生产和生活对优质燃料的需求。生物质成型燃料技术，结合生物质的特点、符合我国 的国情，是目前生物质综合利用的最为现实有效的方法之一。生物质成型燃料技术的规模 化应用将为我国农村开辟新的能源利用途径，大大提高了生物质能源的利用效率，并从根 本上解决资源浪费问题，做到就地取材，充分利用当地的资源，满足了农村生产和生活能 源的大量需求，是改善农村居民生活环境的有效途径，可以有效提高农村居民的生活质量， 保护农业生态环境，同时增加农民的经济收入。建立可持续的生物能源系统，对保障我国 经济的可持续发展具有十分重要的意义。 3 1 4 本课题相关的研究进展 随着国际能源形势的紧张，以及诸如京都议定书等条约的生效，生物质固化技术 在国内外都有很大的发展。 美国在2 0 世纪3 0 年代就开始研究压缩成型燃料技术及燃烧技术，研制了螺旋压缩机 及相应的燃烧设备，并在1 9 7 6 年开发了生物质颗粒及成型燃烧设备哺m 1 。日本在2 0 世纪 3 0 年代开始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃物，1 9 5 4 年研制成棒状燃料成型机及 相应的燃烧设备，1 9 8 3 年前后从美国引进颗粒成型燃料成型技术及相应燃烧设备，并发 展成了日本压缩成型及燃烧的工业体系n 们。7 0 年代后期，由于出现世界能源危机，石 油价格上涨，西欧一些国家( 荷兰、瑞典、比利时、芬兰、丹麦等) 开始重视压缩成型技术 及燃烧技术的研究，各国先后有了冲压式成型机、颗粒成型等各类成型机及配套的燃烧设 备n 2 婚儿“1 。亚洲一些国家( 泰国、印度、韩国和菲律宾等) 在2 0 世纪8 0 年代已建了不少生 物质固化、炭化专业生产厂，并研制出相应的燃烧设备。日本、美国及欧洲一些国家生物 质成型燃料燃烧设备已经定型，并形成了产业化，在加热、供暖、干燥、发电等领域已普 遍推广应用n 5 1 。 我国的生物质固化技术开始于“七五”期间，现已达到工业化生产规模。从2 0 世纪 8 0 年代引进螺旋推进式秸秆成型机，生物质压缩成型技术的研究开发己有二十多年的历 史，陕西省武功县轻工机械厂研制的螺旋推进式秸秆成型机，辽宁省能源研究所研制的颗 粒成型机，南京林产化工研究所研制的多功能成型机，河南农业大学机电工程学院研制的 活塞式液压成型机，在国内都已形成了产业化。2 0 世纪9 0 年代以来，我国部分省市能源 部门、乡镇企业及个体生产者积极引进成型技术，创办生产企业，全国先后4 0 多个中小 型企业开展了这方面的工作，并进行了产业化生产，形成了固化成型的良好势头n 创m 1 。目 前国内已开发完成的固化成型设备有2 大类：棒状成型机和颗粒状成型机，并且主要是螺 旋挤压式成型机和液压冲压式成型机n 胡n 引。但国产成型加工设备在设计制造及引进过程 中，关键技术难以解决，对生物质成型燃料燃烧理论及燃烧特性方面的研究不够深入，先 进的生物质成型燃料专用燃烧设备少，这些都不同程度地存在着技术及工艺方面的问题， 这就有待于去深入研究探索、试验、开发。尽管生物质成型设备还存在着一定的问题，但 生物质成型燃料有许多独特优点：便于储存、运输：使用方便、卫生；燃烧效率高； 是清洁能源，有利于环保。因此，生物质成型燃料在我国一些地区已进行批量生产，并 形成研究、生产、开发的良好势头。在我国未来的能源消耗中，生物质成型燃料将占有越 来越大的份额n 4 1 。 查找相关文献资料n 们啪儿2 ，目前科研人员研究的主要内容是以下几个方面：( 1 ) 生物 质压缩成型工艺研究，具体的分为常温湿压成型、热压成型和炭化成型和冷压态成型，而 目前使用最多的压缩成型技术是热压成型工艺。( 2 ) 成型设备的研究，具体的包括螺旋挤 压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机，成型设备的不同，成型燃料的形状 也不同，具体的分为棒状，块状和颗粒状。目前研究最多的是棒状和颗粒状成型燃料。( 3 ) 成型过程中影响因素的研究，具体如下：成型过程中的含水率要求，并且对于常见的生 物质都给出了一个适当的参考范围；成型压力对成型燃料理化性能的影响，并且也得出 4 了相应的变化规律；成型过程中粒径对成型燃料的影响。对于成型过程中的加热温度， 含水率变化时对成型温度的影响，研究的相对较少，据所查的资料，还没有给出一个适合 的变化规律。目前研究的对象主要是玉米杆、小麦杆等北方产的作物，对于稻草，稻壳的 研究还有待进一步的加深。因此在本次研究中，这是笔者重点研究的一部分内容。 1 5 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容为生物质固体成型燃料的成型、物理特性、燃烧特性分析。 本课题中，固体成型燃料的原料为木材加工剩余物、芒草、稻壳和稻草。木材加工剩 余物主要是木材企业的废弃物，本课题试验使用的木材加工剩余物是杨树木屑，随着杨树 产业的不断发展，仅江苏省就有8 0 以上的企业是以杨树为主要生产原料恤1 ，杨树来源是 江苏苏北地区。芒草作为江西鄱阳湖地区盛产的秸秆类物质，在当地每年有着丰富的产量， 目前的用途主要是当作燃料进行直接燃烧。南京林业大学对芒草当作人造板的原料进行了 长期的研究，目前已准备工业化生产，芒草的叶子部分和一些不合格的芒草不能当作人造 板的原料，但可作为能源燃料的原料，原料来源是丰富的，试验用的芒草是当年收割的。 试验中使用的稻壳取自南京市溧水县。稻草是取自南京市六合区农村地区。根据目前生物 质固体成型燃料工艺和设备，制作固体成型燃料的原料一般要求粒径在1 c m 以下，含水率 不超过1 5 ，稻壳和木屑完全符合要求。芒草和秸秆要经过粉碎和干燥等工艺处理。每 年一到收获的季节，秸秆就在田里直接焚烧，不仅浪费了大量的能源，还造成了环境污染。 因此将农林废弃物经过处理后制作成固体成型燃料，是利用这些废弃物的有效途径之一。 在本课题的试验过程中，试验因子及其因子水平的设置依据为： ( 1 ) 参考固体成型燃料的已有研究成果； ( 2 ) 依据木材企业木废料形态与特性； ( 3 ) 依据木材企业原料种类、能源利用的现状： ( 4 ) 依据粮食加工企业稻壳的形态与特性； ( 5 ) 根据农作物秸秆的现有的使用情况； 成型燃料的物理品质受原料种类、原料的粉碎粒度、原料含水率、成型压力、成型温 度、压模几何形状、保型时间等众多因素的影响，目前人们主要是研究原料的种类、原料 的粉碎粒度、原料含水率、成型压力、压模几何形状、保型时间等因素，并且得出了相应 的变化规律。在本次课题中，在预备试验中发现原料的含水率、成型温度和原料粒径对生 物质燃料能否成型影响显著，因此在本次试验中试验因子选取为含水率、成型温度和原料 粒径。 本课题研究的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 生物质成型燃料工艺参数的研究 在生物质固体成型燃料的成型试验中，结合已有的固体成型燃料的研究结果，本文 主要分析木材加工剩余物、芒草、稻壳和稻草这四种原料、不同含水率、不同粒径级( 稻 壳除外) 及成型过程中的加热温度对固体成型燃料成型的影响，为固体成型燃料的成型 技术提供理论依据。目前科研人员研究结果表明：成型压力对成型效果有着显著的影响， 因此笔者在本次试验中没有把成型压力作为一个影响因素。在作粒径对固体成型燃料的 成型影响试验中，将木材加工剩余物、芒草和稻草的粒径级别分为0 1 0 唧，1 0 2 0 舢，2 0 3 0 衄；材料的含水率范围选取5 5 1 5 ，成型过程中的加热温度选取为1 1 0 2 6 0 。 ( 2 ) 生物质成型燃料物理特性的研究 固体成型燃料成型以后，对燃料进行物理性能试验研究。生物质成型燃料的松弛密 度和耐久性是评价生物质成型燃料品质的重要性能指标，耐久性一般包括生物质成型燃 料的抗跌碎性、抗变形性、抗渗水性和平衡含水率( 抗吸湿性) 等几个指标。由于成型燃 料在存储、运输和使用过程中要满足一定的要求，这就对成型燃料的物理性能有着一定 的要求。因此在本次试验中，主要是根据成型燃料在存储、运输和使用过程中的要求， 选定成型燃料物理特性的测试项目，主要是对固体成型燃料的松弛密度、抗跌碎性和抗 渗水性进行研究，得出原料的含水率、加热温度和粒径大小对生物质成型燃料物理性能 的影响规律，为成型设备的研制及生产过程中的控制提供基础参数。 ( 3 ) 成型燃料燃烧特性的研究 本文对固体成型燃料的燃烧特性方面的研究，主要包括对四种原料的发热量、影响 燃烧速率因素的研究、灰熔点，同时本文使用热分析天平研究木材加工剩余物、芒草、 稻壳和稻草的t g 、d t g 、d t a 曲线，分析固体成型燃料的燃烧动力学特性，确定四种原料 的着火点。通过本文的试验研究掌握生物质固体成型燃料燃烧特性的基本数据和规律， 从而为使用固体成型燃料和相关燃烧设备的设计提供理论依据。在固体成型燃料的发热 量试验中，本文主要测定了四种固体成型燃料的发热量，这是作为一个燃料必须具备的 一个基础数据。在固体成型燃料燃烧速度的试验中，本文主要考虑不同的材料、不同的 炉膛温度、不同的通风量和不同的成型燃料质量对固体成型燃料燃烧速度的影响，成型 燃料质量的不同，反映的是不同的比表面积对燃烧速率的影响。在固体成型燃料的灰熔 点试验中，本文主要研究固体成型燃料燃烧后的灰分进行灰熔点的测定。由于原料总类 的不同，同种原料生长地的不同，都会对燃料的灰熔点产生影响。灰熔点测定的目的， 是为了合理选择成型燃料的燃烧设备和燃烧方式，为燃烧设备的研制提供基础数据。 6 2 生物质成型燃料成型工艺及方案选择 2 1 生物质成型燃料成型工艺 生物质压缩成型在加工方式上可分为冷压成型与热压成型，干态成型与湿压成型，根 据主要工艺特征的差别，可将这些工艺从广义上分为常温湿压成型、热压成型和炭化成型 和冷压态成型n 钔侧乜钔，现简单介绍如下。 1 ) 常温湿压成型工艺 纤维类原料经一定程度的腐化后，纤维变得柔软、湿润皱裂并部分降解，易于压缩成 型。利用简单的模具，将部分降解后的农林废弃物中的水分挤出，即可形成低密度的压缩 成型燃料块。该设备一般比较简单，容易操作，适用于含水量较高的原料，但成型过程中 成型部件磨损较快，烘干费用高，多数产品燃烧性能较差。在泰国、菲律宾等国得到一定 程度的发展，被当地称为“绿色碳 ，在燃料市场上具有一定的竞争能力 2 ) 热压成型工艺 热压成型工艺的流程为：原料粉碎干燥混合挤压成型一冷却包装。根据原料被加 热的部位不同，将其划分为两类：一类是原料只在成型部位被加热，称为“非预热热压成 型工艺 ；另一类是原料在进入压缩机构之前和在成型部位被分别加热，称为“预热热压 成型工艺 ，可以根据实际需要选择生产工艺，目前应用最多的就是热压成型技术。 3 ) 炭化成型工艺 根据工艺流程不同，炭化成型工艺又可分为两类：一类是先成型后炭化；其工艺流程 为：原料一粉碎干燥一成型一炭化一冷却包装；另一类是先炭化后成型；其工艺流程为： 原料一粉碎除杂一炭化一混合粘结剂一成品干燥、包装。原料纤维结构在炭化过程中受到 破坏，使其挤压成型特性得到改善，成型部件的机械磨损和挤压过程中的能量消耗降低。 但是，炭化后的原料在压缩成型时一般要加入一定量的粘结剂。否则需要较高的成型压力， 提高成型机的造价。 4 ) 冷压成型工艺 生物质冷压成型工艺即在常温下将生物质颗粒高压挤压成型的过程。其粘接力主要是 靠挤压过程所产生的热量，使得生物质中木质素产生塑化粘接。冷压成型工艺一般需要很 大的成型压力，为了降低成型压力，可在成型过程中加入一定的粘结剂。 2 2 生物质成型燃料成型机类型比较 目前世界上所研究的生物质燃料成型设备主要有三种类型，分别是螺旋挤压式成型 机、活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机，现简单介绍如下。 1 ) 螺旋挤压式成型机 螺旋挤压式成型机利用螺杆挤压生物质，靠外部加热，维持成型温度为1 5 0 3 0 0 使木质素、纤维素等软化，挤压生物质成棒状，成型燃料形状通常为直径5 0 _ 6 0 咖或 7 8 0 _ _ 9 0 姗的空心燃料棒，成型燃料的长度可以根据使用要求进行调节。螺旋挤压式成型 机开发应用最早，当前应用最为普遍的成型设备。它具有机运行平稳、生产连续性好等优 点，生产棒状成型燃料具有投资少，设备简单，容易操作等优点，但螺杆磨损严重、使用 寿命短以及单位产品能耗高。 2 ) 活塞冲压式成型机 活塞冲压式成型机的成型是靠活塞的往复运动实现的。按驱动力不同分为机械式和液 压式两种。机械式冲压成型机是利用飞轮储存的能量带动冲压活塞；而液压式冲压成型机 是利用液压油缸所提供的压力，带动冲压活塞使生物质冲压成型。这类型的优点是通常不 需要用电加热，与螺旋挤压式成型机相比，明显改善了成型部件磨损严重的问题，但成型 物密度稍低，容易松散。由于存在较大的振动负荷，所以机器运行稳定性差，噪音较大润 滑油污染也较严重。 3 ) 压辊式颗粒成型机 压辊式成型机的基木工作部件由压辊和压模组成。压模有圆盘或圆环形两种，压模上 加工有成型孔，原料进入压辊和压模之间，在压辊的作用下被压入成型孔内。燃料形状为 圆柱形或棱柱形。成型时一般不需要外部加热，可根据原料状况添加少量粘结剂，对原料 的含水率要求较宽，一般在l 卜4 0 下均能很好成型。 活塞冲压式成型机和压辊式颗粒成型机生产过程中噪音较大，设备体积大，一次性投 资较多，不利于大规模的推广应用。螺旋挤压式成型运行稳定，技术门槛低，生产效率较 高，生产成本较低，一次性投资较少等优点。由于生物质分布比较分散，收集成本较大， 不适宜大范围内的收集，否则增加了生产成本，降低了生物质成型燃料的市场竞争力，客 观上限制了生产生物质成型燃料企业的规模不宜太大，采用螺旋挤压成型机设备和成熟的 热压成型工艺技术进行生物质成型燃料的生产，有助于推广生物质成型燃料的生产。因此 在本次试验研究中是采用螺旋挤压成型机设备和成熟的热压成型工艺技术进行生物质成 型燃料的压制。 2 3 成型机简介 该设备是由北京首钢华禹铸造厂生产的新型机制木炭制棒机，它利用螺杆挤压生物 质，靠外部加热，维持成型温度为1 5 0 3 0 0 使木质素、纤维素等软化，挤压生物质成 棒状，成型燃料形状为直径5 0 _ _ 6 0 舳的空心燃料棒。新型机制木炭制棒机结构图如2 1 。 该设备已经应用于工业化生产，可对一些木屑、秸秆、稻壳等进行压缩成型。该设备主要 包括电机、螺旋杆、成型套筒和电加热圈等四部分。成型筒内径为6 0 衄左右。成型机电 机额定功率为1 5 k w ，电压3 8 0 v ；额定工作压力为3 5 m p a ，成型套筒外辅2 2 0 v 电加热套， 电加热功率为两个2 k w 和一个1 5 k w ，由热电偶探测并传感温度。本文中主要是利用它来 做成型试验。 8 图2 1 新型机制木炭制棒机 f i 9 2 1n e wm a c h i n eo fm a k i n gc h a r c o a ls y s t e m 2 4 生物质成型机理 生物质主要是由纤维素、半纤维素和木质素( 木素) 构成的。纯纤维素呈白色，密度 1 5 0 一1 5 6 9 c m 3 ，比热o 3 2 一o 3 3 。在水分存在时，纤维素可以结合成团状，当含水率在 3 0 w b 左右时，较小的力即可使纤维素形成一定的形状；当含水率在1 0 左右时，需对其 施加较大的压力，才能消除其应力和张力使其成型，但成型后结构牢固不反弹。 木素是具有芳香族特性的结构单体，是由苯基丙烷中元构成的一维空间聚合物。在阔 叶木、针叶木中木素含量为2 7 一3 2 ( 干基) ，禾草类中木素含量为1 4 _ - 2 5 。虽然在各 种植物中都含有木素，但木素的结构非常复杂，各种植物的木素结构均不相同，即使在同 一植物中，木素的结构因存在的部位不同而大不相同。木素属非晶体，没有熔点但有软化 点。木素在适当温度下( 1 3 卜2 0 0 ) 会软化，此时加以一定的扭力使其与纤维素紧密粘 接并与相邻颗粒互相胶接，生物质颗粒开始重新排列位置关系，内部相邻生物质颗粒相互 胶接，排解出分子结构中的空气，并发生机械变形和塑性流变。在垂直于最大应力方向 上，粒子主要以相互啮合的形式结合，而在垂直于最小应力方向上，粒子主要以相互靠紧 结合的形式结合。随外力的增大，生物质体积大幅度减少，容积密度显著增大，秸秆在压 模内部胶合豁结，在外部由于高温引起部分木质素、纤维素裂解析出焦油或发生焦化，推 出压模冷却后即可固化成型而不会散开，并具有一定的形状和强度。正是由于秸秆中木质 素具有这种特性，生物质热压成型工艺不需任何添加剂或粘结剂，既降低生产成本，又减 小压模壁挤压摩擦阻力，节约生产能耗，提高生产能力，也符合环保的要求。生物质成型 9 燃料就是利用这一原理挤压制成的。使用螺旋挤压式挤压机，其特点是成型燃料的密度大， 表面质量好，效率高。生物质固化成型的工艺过程如下：原料一预处理( 削片或粉碎) 干 燥一加热一成型。 本次试验就是利用螺旋式挤压成型机，改变原料的含水率、粒径和成型过程中的加热 温度，得出不同条件下的成型燃料，进而对它们进行物理特性和燃烧特性等方面的试验研 究，为降低成型燃料包装、运输和贮存成本，保证成型燃料进入锅炉时的必要物理性状， 为成型燃料在现有锅炉中的高效燃烧、研制适用燃烧设备，或成型燃料的进一步炭化加工， 提供理论依据和基础资料。 1 0 3 生物质成型燃料物理特性研究 由于生物质材料的种类和成分不同，特别是受压缩方式和压缩条件的影响，其成型燃 料的品质特性存在较大差异。在生物质成型燃料的各种品质特性中，除燃烧特性外，成型 燃料的物理特性是最重要品质特性，它直接决定了成型燃料的使用要求、运输要求和贮藏 条件。良好的物理特性能够降低成型燃料包装、运输和贮存成本，能够保证成型燃料进入 锅炉时的必要物理性状，而松弛密度和耐久性是衡量成型块物理品质特性的两个重要指标 【拍】【2 7 】 o 松弛密度和耐久性受原料种类、粉碎粒度、原料含水率、成型压力、成型温度、压模 几何形状、保型时间等众多因素的影响，本章主要从原料种类、粉碎粒度、原料含水率和 成型过程中的加热温度等外在可变影响因素进行实验分析，从成型燃料物理品质的角度， 研究不同种类生物质粉碎粒度、原料含水率变化和成型过程中的加热温度对成型燃料松弛 密度和耐久性的影响。 3 1 试样工业分析测定 了解试验物料的基本物理特性，可以为高压成型机理的分析和实验研究提供必要的参 数依据，所以实验过程中要对物料的一些基本物理机械特性等指标进行测试，在这里主要 是测试原料的工业分析。 3 1 1 试验设备 ( 1 ) s a r t o r i u sb s 2 2 4 s 电子天平。最大量程2 2 0 9 ； 最小分度0 o 0 0 1 9 。北京赛多 利斯仪器有限公司 ( 2 ) d h g c 型全自动电脑干燥箱。控温范围：1 0 2 5 0 ；恒温波动值：1 ：控温 精度：1 ；杭州蓝天化验仪器厂 ( 3 ) 可控温马弗炉。s x f 程控器；温度范围：室温1 2 0 0 燃烧室尺寸： 3 0 0 木2 0 0 木1 2 0 咖；杭州蓝天化验仪器厂 ( 4 ) 万能粉碎机。型号：f w 8 0 ；转速：1 0 0 0 0 r m i n ；体积：由1 3 0 2 5 0 ；刀片材料： 不锈钢。 3 1 2 工业分析结果 由于我国还没有生物质的工业分析标准，因此参照煤的工业分析方法即g b 2 1 2 9 对本 试验的试样进行工业分析。试样工业分析结果见表3 1 ： 表3 1 试样工业分析结果 t a b l e 3 1r e s u l t so fu l t i m a t ea n a l y s i so fs a m p l e s 从试验结果可以看出，生物质挥发分含量非常高，灰分含量很少，这样在使用中着火 容易，而且灰分少，不用专门的储灰场。 3 2 生物质成型燃料松弛密度的研究 燃料棒被挤压成型后含水率会发生变化，同时由于弹性变形、吸收水分和应力松弛， 其压缩密度会逐渐减小，随着放置时间的延长最终趋于稳定。此时成型燃料的样品质量m 与体积v 的比值就是成型燃料的松弛密度p 。样品的质量可用天平称出，而体积可以测得 样品的直径和长度直接计算出。一般认为松弛密度大于或接近1 9 c m - 3 的成型燃料无论对 于燃烧、存储和运输都是比较理想的瞳引。因此在本次试验中研究的重点是根据不同的生物 质原料，在含水率变化时，需要多高的成型加热温度，以及粒径级别多少时，才能得到较 为理想的松弛密度。 3 2 1 原料含水率对生物质成型燃料松弛密度的影响 3 2 。1 1 试验设计 试验的主要目的是总结出试验原料在某一特定压力下，不同含水率对其松弛密度的影 响，做出燃料棒松弛密度与含水率的影响曲线。 将芒草、木屑、稻壳和稻草四种原料做压缩成型试验成型温度设定为1 4 0 、1 7 0 、 2 0 0 、2 3 0 和2 6 0 ，对多个含水率进行压缩成型试验，找出成型效果较佳的含水率条 件。 3 2 1 2 含水率对生物质成型燃料松弛密度的影响 不同的试样，其纤维素、半纤维素和木质素的含量不同，在热压成型时对含水率的要 求也不同。在本次试验中，试验的含水率参照春季和秋季的气干平衡含水率，选取不同的 含水率数值。试验中，芒草的含水率分别取6 3 7 、7 1 5 、8 8 1 、1 0 6 3 、1 2 3 7 、1 4 5 2 ；木屑的含水率分别取5 8 6 、6 9 8 、8 0 1 、9 4 5 、1 2 0 2 、1 4 3 l 1 2 ；稻草的含水率分别取5 5 2 、6 3 l 、8 2 4 、9 8 5 、1 1 9 8 ，1 4 1 2 。成型 过程中温度选取1 4 0 、1 7 0 、2 0 0 、2 3 0 和2 6 0 ，粒径为0 5 衄，依次进行压缩 成型试验，试验结果见表。稻壳的含水率分别取7 7 6 、8 9 0 、1 0 8 2 、1 2 5 6 、 1 4 8 9 ，成型过程中温度选取1 4 0 、1 7 0 、2 0 0 、2 3 0 和2 6 0 ，稻壳粒径不经过 处理，依次进行压缩成型试验，试验结果见表3 2 3 5 。 表3 2 芒草成型燃料松弛密度随含水率变化的试验数据 1 a b l e3