生物质源转换技术的发展

生物质源转换技术的发展

0生物质化学品水生能源也被称为“绿色能源”，是指以生物为载体的能源。这是世界上能源资源的第四次可支配能源资源，除煤炭、石油和天然气外，还可提供约14%的世界需求。生物质能源转换方式有生物质气化、生物质固化和生物质液化3种方式,生物质固化后形成生物质致密成型燃料。生物质致密成型燃料技术是将经过粉碎具有一定粒度的生物质原料,在一定的压力和温度下将其挤压制成密度较大、形状规则的成型燃料的加工技术。其主要目的是将低密度的生物质转变为高密度的生物质燃料。致密成型后的生物质燃料体积大大缩小,密度可达0.8~1.4g/cm3,含水率在12%以下,增加了单位体积的热值(约16~21MJ/kg),能量与中质煤相当,燃料特性明显改善,使用方便、干净卫生,减少了运输和储存成本,可作为生物质高效燃烧炉、气化炉和小型锅炉的燃料。其适合在农林废弃物及农林产品加工剩余物资源量大的区域,为家庭提供生活燃料,也可用于供热和发电等,同时可以作为高品质能源商品。生物质致密成型燃料把农、林业的废弃物加工再利用转化成生物质能源,是解决生物质资源浪费和污染的一种重要技术手段,使其成为发电、供暖和家庭用能的一种重要的可再生能源资源。我国有9亿农村人口,2.2亿农户,生物质能占我国农村能源消耗的68.7%,因此研究和利用生物质致密成型技术对我国能源优质高效利用和生态环境可持续发展具有重要的意义。1国内外研究现状1.1生物质致密成型燃料的发展历程生物质致密成型技术受到国外发达国家的普遍重视,并投入了大量的资金和技术力量研究和开发生物质致密成型设备,走在了该领域的前沿。成型燃料最早是英国一家机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,逐步发展到加工造纸厂的废弃物。20世纪30年代,美国开始研究致密成型燃料技术,并研制了活塞-模具式成型机,利用大压力挤压原料通过成型模具而形成致密成型燃料。20世纪50年代日本从国外引进技术后进行了改进,研究应用了螺旋式挤压成型机,并发展成了日本压缩成型燃料的工业体系,并逐步推广到了台湾、泰国乃至欧洲国家和美国。同时,现代化的活塞成型机在瑞典、德国得到推广,以锯末为原料的燃料块在市场上有了竞争力,之后又相继产生了以油压、水压为动力的活塞式生物质压缩成型设备。20世纪70年代初,美国又研制开发了内压滚筒式颗粒成型机。亚洲除日本外,泰国、印度、菲律宾等国从20世纪80年代开始也都开展了生物质致密成型设备及成型工艺方面的研究。生物质压缩燃料在西欧国家以及日本等国现已成为一种产业,印度和东南亚一些国家对这项技术的研究与应用也相当重视。目前,国外(西欧、北美、日本等)生物质致密成型技术已基本成熟,生物质致密成型燃料已经商品化,广泛应用于供热、取暖和发电领域,同时各国政府为促进生物质致密成型技术的发展提供了政策和资金上的支持(贴息、减税等),生物质能源近年发展迅速。为规范和发展生物质致密成型燃料,欧盟(CEN/TC335和CEN/TC343)和美国(ASTME1756)制定了有关的质量标准,规定了成型燃料的热值、堆积密度、尺寸形状、灰分含量、含水率等的技术参数。1.2生物质成型技术我国从20世纪80年代起开始致力于生物质压缩成型技术的研究。湖南省衡阳市粮食机械厂于1985年研制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机,江苏省连云港东海粮食机械厂于1986年引进了一台OBM-88棒状燃料成型机。1993年前后,我国从国外引进了近20条生物质压缩成型生产线,基本上都采用螺旋挤压式,以锯木屑为原料,生产“碳化”燃料。1994年河南农业大学、中国农机能源动力所分别研究出PB-I型、CYJ-35型机械活塞冲压式成型机,1998年河南农业大学研制出HPB-I型液压活塞式双向挤压生物质成型机,2002年中南林学院也研制了相应设备。2006年河南农业大学研制的HPB-IV型液压驱动活塞式成型机和合肥天炎绿色能源开发有限公司TYK-Ⅱ秸秆成型机均采用一级螺旋预热预压,二级活塞压缩技术,解决了普通成型机对原料含水率要求较高和模具易磨损的不足。为降低颗粒燃料成型的能耗,河南省科学院能源研究所研制了一种在常温下生产颗粒燃料的环模颗粒成型机。2004年,清华大学和北京惠众实科技有限公司开发的Highzones生物质固化成型技术,利用压辊挤压原理实现了生物质就地及时压缩,其性能优于国际上现有的颗粒成型技术。目前,生物质致密成型技术已日趋成熟,并已部分实现商业化。2我国生产工艺的研究生物质致密成型工艺形式有多种,根据主要工艺特性的差别,可划分为湿压成型、热压成型、碳化成型、常温成型4种基本类型,如图1所示。2.1裂并部分降解法湿压成型是在常温下将原料水浸数日或将原料喷水,使其湿润皱裂并部分降解,将其水分挤出,加黏结剂搅拌混合均匀,然后压制成致密成型燃料。纤维原料经一定程度的腐化后,会损失一定的能量,但与一般风干原料相比,其挤压、加压性能会有明显改善。2.2网状或网状燃料的成型工艺常温成型是将原料在自然干燥含水率状态下被粉碎成细小颗粒或纤维状,然后压制成颗粒、棒状或块状燃料的成型工艺。常温成型工艺是近年来研究利用的一种生物质成型新工艺,解决了以往压缩成型设备对含水率和加热温度要求的限制,可实现生物质就地及时压缩。同时,其针对生物质资源散抛型的特点,解决了其收集半径问题,降低了压缩成型燃料的综合成本。2.3颗粒、网状或恶意程序的压制热压成型是利用高压力挤压的同时增加生物质原料的温度,使生物质所含木质素软化作为黏结剂,然后压制成颗粒、棒状或块状燃料的成型工艺。热压成型是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。生物质原料在压缩过程中加热,一方面可使原料中含有的木质素软化,起到黏结剂的作用,另一方面还可使原料本身变软,容易压缩,但加热的同时也增加了其功率的损耗。2.4气体以木材为原料碳化是在隔绝或限制空气(氧)的条件下,将木材、树皮、竹、麸皮等在400~600℃下加热,得到气体(以木材为原料时称为木气)、液体(木醋、焦油)和固体(炭)等产物的技术。以生产炭为主要目的的技术称为制炭,以气体或液体的回收利用为重点的技术称为干馏,两者合称为碳化,但通常情况下碳化多指制炭。3我国生产工具致密形成设备的研究根据成型原理的不同生物质致密成型设备主要分为3类:螺旋挤压式成型机、活塞冲压式成型机和压辊式成型机,如图2所示。3.1成型工艺对螺旋式成型影响螺旋式挤压成型机是靠外部加热维持成型温度为150~300℃,将木质素、纤维素等软化,形成黏结剂,螺杆连续挤压生物质通过成型模具形成生物质致密成型燃料,如图3所示。螺旋式挤压成型机是目前国内比较常见的技术,螺旋式挤压成型机启动时成型部件和物料温度低于成型温度,因此需要用电热元件加热成型部件。为避免成型过程中原料水分的快速汽化造成成型块的开裂和“放炮”现象发生,一般将原料的含水率控制在8%~12%之间,成型压力的大小随原料和所要求成型块密度的不同而异,一般在50~200MPa之间,其相对密度通常介于1.0~1.4g/cm3之间,燃料的形状通常为燃料棒。螺旋挤压式成型机以其运行平稳、生产连续、所成型棒易燃等特性在成型机市场中一直占据主导地位。目前,制约螺旋式成型机商业化利用的主要技术问题一个是成型部件,尤其是螺旋杆和成型套筒磨损严重,使用寿命短;另一个问题是单位产品能耗高,并且生产率相对较低,成型过程对物料含水率、颗粒大小等有严格要求,因此成型工艺不好掌握。为了解决螺杆首端承磨面磨损严重的问题,现在大多采用表面硬化方法对螺杆型部位进行处理,另一种方法就是彻底改变这种成型工艺,活塞式成型机的研制成功在较大程度上解决了螺旋挤压式成型方式存在的成型件磨损严重、能耗高的问题。3.2基于传动的传动式成型活塞冲压式成型机由外部加热维持成型温度为160~200℃,将木质素、纤维素等软化,形成黏结剂,高压力的活塞往复运动推动生物质通过成型模具形成生物质致密成型燃料,结构原理如图4所示。其进料、压缩和出料都是间歇进行的,即活塞往复运动1次形成1个压缩周期。活塞冲压式成型机通常用于生产实心燃料棒或燃料块,其密度介于0.8~1.1g/cm3之间,成型密度稍低容易松散。其中,液压冲压式成型机对原料的含水率要求不高,允许加工的原料含水率高达20%左右。活塞冲压式成型机明显改善了成型部件磨损严重的现象,其使用寿命200h以上,而且单位产品能耗也有较大幅度的下降。活塞的往复驱动力国际上有3种形式:机械、油压、水压,这3种形式相比机械式推广面较大,近几年液压式发展很快。3.2.1机器运行稳定性差一般采用发动机或电动机带动飞轮,利用飞轮储存能量通过曲柄连杆机构带动活塞做高速往复运动,产生冲压力将生物质压缩成型。曲柄连杆机构活塞式成型机结构简单,生产能力大,每分钟可以冲压270次;但振动负荷较大,造成机器运行稳定性差,噪音较大,还存在润滑油污染较严重等问题。目前,为改善发展中国家尤其是一些相对落后国家人民的生活用燃料问题,国外设计了一种人力或畜力牵引的凸轮活塞式生物质致密成型机,主要由预压缩和凸轮活塞压缩两部分组成,优化设计后的凸轮压力角能够很好地满足生物质成型曲线(成型压力与体积减小量的关系曲线)的要求,很好地满足了生物质成型要求,使系统性能达到了最佳。同时,解决了曲柄连杆机构缺乏缓冲而引起的成型机振动问题,制造成本低,适宜农村地区推广。3.2.2液压驱动4-2液压驱动活塞成型机是油泵在电机的带动下,把电能转化成液体的压力能,驱动活塞冲压生物质原料通过成型套筒制成生物质致密成型燃料。由于液压动力本身的特点,使其在一个成型周期(预压紧→塑性变形→保型→停歇换向)内,各段所需的压强实现“按需增能”,从而可使成型燃料单位产品能耗大大降低。液压驱动活塞成型机的优点是容易应用,维护简单,运行稳定性得到极大的改善,产生的噪音非常小,改善了操作环境。不足之处是成型密度偏低,成品机械性能偏低,这是由于活塞的运动速度较机械式低很多。所以,其生产率要受到一定程度的影响。目前,液压驱动活塞成型机的研究方向是分析不同生物质原料的成型机理和如何提高其成品的密度和机械性能。3.2.3血压驱动激活机理水压式体积大,投资多,驱动力小,生产能力低,生产率一般在0.25t/h,有的可达到0.35t/h。3.3压辊式成型主要工艺特性压辊式成型机主要用于生产颗粒状成型燃料,基本工作部件由压辊和压模组成,与饲料工业中的制粒原理相同。根据压模形状的不同,压辊式成型机可分为环模成型机、平模成型机和对辊式成型机。由于成型过程中原料和机器部件之间的摩擦作用可将原料加热到100℃左右,因此成型过程中一般不需要外部加热,可根据原料状况添加少量粘结剂。其对原料的含水率要求较宽,一般在10%~40%之间均能很好的成型,颗粒成型燃料的密度一般为1.0~1.4g/cm3,但压辊式成型机存在噪声大、宜堵塞、振动大的问题。3.3.1压模圈加工环模颗粒成型机主要工作部件是压力室的压辊和压模圈。压模圈的周围钻有许多成型孔,在压模圈内装有两对压辊,压辊外圈加工有齿或槽,用于压紧原料不打滑;压辊装在一个不动的支架上,压辊能跟随压模圈的转动而自转,压辊与压模圈保持很小的间隙。工作时压模圈由驱动轴驱动作等速顺时针回转,进入压模圈的生物质原料被转动着的压模圈带入压辊和压模圈之间,生物质原料被两个相对旋转件逐渐挤压通过压模孔向外挤出,再由固定不动的切刀将其切成短圆柱状颗粒,如图5所示。3.3.2旋转压辊结构设计平模颗粒成型机的压模为一水平固定圆盘,在圆盘与压辊接触的圆周上开有成型孔,送料器把原料均匀地撒布于固定压模表面;然后旋转的压辊将原料挤入平模模孔,压出圆柱状的生物质成型燃料,再被与主轴同步旋转的切刀切断成要求的颗粒长度,如图6所示。由于压辊和压模之间在工作过程中存在相对滑动,可起到原料磨碎作用,所以允许使用粒径稍大的原料,特别适用于压制纤维性原料。其具有结构简单,制造简单,造价低廉等特点。平模方式很难产生40MPa以上的压力,所以只用于生产密度较低的颗粒燃料。3.3.3成型工艺的应用,根据社会面对辊颗粒成型机是利用相互滚压的两中空滚筒成线速度差速运动,两滚筒之间形成挤压腔,将原料挤压通过筒壁的成型模腔制成生物质颗粒燃料,如图7所示。生物质材料的力传导性极差,挤压成型时由于滚筒间存在线速度差(n1≠n2),使物料在进入成型模腔之前,在挤压腔先被施加一剪切力,可使纤维素分子团错位、变形、延展成薄片,缩短力传导距离,在较小的压力下,使其相邻相嵌、层层相叠、严密包裹重新组合而成型。同时,呈片状的粒子在正压力的作用下,一部分粒子变形后进入片状粒子间的间隙缝,形成上下啮合的状态,从而制成的颗粒燃料具有特定的结构模型,具有很好的力学性能。利用这一成型机理制造的对辊颗粒成型机具有体积小、能耗低,可以实现自然含水率生物质不用任何添加剂、粘结剂的常温压缩成型。若与联合收割机配套,可以实现能源与粮食一起收获。此技术简称为Highzones技术,由清华大学和北京惠众实科技有限公司开发。4生物质致密成型理论指导与技术研