生物質(zhì)致密成型技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

1、生物質(zhì)致密成型技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展               摘要：綜述了生物致密成型技術(shù)的原理、類別和特點(diǎn)，介紹了生物質(zhì)致密成型技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀，闡明了生物質(zhì)致密成型技術(shù)需要解決的問(wèn)題，提出了生物質(zhì)致密成型技術(shù)的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：生物質(zhì)成型；成型機(jī)；影響因素；發(fā)展方向 Abstract：The principle, classification and property of biomass briquette technologies and th

2、e influencing factors of biomass briquette were reviewed. The present development of biomass briquette technologies abroad and at home was introduced, the problems that should be solved for biomass briquette technologies were described, and the development direction of biomass briquette technologies

3、 in China was presented. Key words：biomass briquette; briquette machine; influencing factor development direction1生物質(zhì)致密成型技術(shù)的原理及工藝1.1生物質(zhì)致密成型原理生物質(zhì)致密成型技術(shù)是指具有一定粒度的農(nóng)林廢棄物（鋸屑、稻殼、樹枝、秸稈等）干燥后在一定的壓力作用下（加熱或不加熱）， 可連續(xù)擠壓制成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料的加工工藝，有些致密成型技術(shù)還需要加入一定的添加劑或黏結(jié)劑。一般生物質(zhì)致密成型主要是利用木質(zhì)素的膠黏作用。農(nóng)林廢棄物主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，木質(zhì)

4、素為光合作用形成的天然聚合體， 具有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，是高分子物質(zhì)，在植物中含量約為15%30%。當(dāng)溫度達(dá)到70100，木質(zhì)素開始軟化，并有一定的黏度。當(dāng)達(dá)到200300時(shí)，呈熔融狀，黏度變高。此時(shí)若施加一定的外力，可使它與纖維素緊密粘結(jié)，使植物體積大量減少，密度顯著增加，取消外力后，由于非彈性的纖維分子間的相互纏繞，其仍能保持給定形狀，冷卻后強(qiáng)度進(jìn)一步增加，成為成型燃料1。 生物質(zhì)原料經(jīng)擠壓成型后，體積縮小，密度可達(dá)1t/m3左右， 含水率在20%以下，便于貯存和運(yùn)輸2。成型燃料在燃燒過(guò)程中熱值可達(dá)16000kJ/kg左右，并且“零排放”，即基本不排渣、無(wú)煙塵、無(wú)二氧化硫等有害氣體，不污染環(huán)境

5、3，熱性能優(yōu)于木材，體積發(fā)熱量與中質(zhì)煤相當(dāng)，可廣泛用于民用炊事?tīng)t、取暖爐、生物質(zhì)氣化爐、高效燃燒爐和小型鍋爐4，是易于進(jìn)行商品化生產(chǎn)和銷售的可再生能源。 1.2 生物質(zhì)致密成型技術(shù)分類及特點(diǎn)生物質(zhì)致密成型工藝有多種，根據(jù)工藝特性的差別，可劃分為冷壓致密成型、熱壓致密成型和碳化致密成型。 （1）冷壓致密成型 冷壓致密成型一般是輥壓成型， 有水平軸式環(huán)模擠壓成型、垂直軸式環(huán)模擠壓成型和平面輥壓成型。冷壓致密成型工藝常用于含水量較高的原料。原料進(jìn)入成型室后，在壓輥或壓模的轉(zhuǎn)動(dòng)作用下，進(jìn)入壓模與壓輥之間，然后擠入成型孔，從成型孔擠出的原料被擠壓成型，再用切刀切割成一定長(zhǎng)度的顆粒狀或塊狀燃料。該機(jī)型主要

6、用于木材加工廠的木屑和秸稈碎料。成型設(shè)備一般比較簡(jiǎn)單，價(jià)格較低，但由于死角較大，引起無(wú)用能耗大，成型部件磨損較快。工作中易出現(xiàn)輥輪和成型孔堵塞現(xiàn)象。且由于燃料濕度較大，不含黏結(jié)劑，易吸濕變形，不利于長(zhǎng)期保存、運(yùn)輸和使用。（2）熱壓致密成型 熱壓致密成型有螺桿致密成型、 活塞致密成型和沖壓致密成型。熱壓致密成型工藝過(guò)程一般分為原料粉碎、干燥、擠壓、加熱、保型等幾個(gè)環(huán)節(jié)。螺桿致密成型機(jī)是開發(fā)應(yīng)用較早的生物質(zhì)熱壓成型設(shè)備，主要包括驅(qū)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件、進(jìn)料機(jī)構(gòu)、壓縮螺桿、成型套筒和電加熱等幾部分。工作過(guò)程是將粉碎后的生物質(zhì)經(jīng)干燥后，從料斗中加入，螺旋推擠進(jìn)入成型套筒中，并經(jīng)螺桿壓成帶孔的棒狀成品，連續(xù)從

7、成型套筒中擠出。制約螺桿成型機(jī)發(fā)展的主要技術(shù)問(wèn)題是螺桿和成型套筒磨損嚴(yán)重，使用壽命短。活塞和沖壓式致密成型機(jī)改變了成型部件與原料之間的作用方式，在大幅提高成型部件使用壽命的同時(shí)，也降低了單位產(chǎn)品的能耗。原料經(jīng)粉碎后，通過(guò)機(jī)械或風(fēng)力形式送入壓縮間?；钊驔_頭前進(jìn)時(shí)，把原材料壓緊成型，并送入保型筒。活塞和沖壓成型機(jī)一般造價(jià)較高，且振動(dòng)噪聲大， 由于間斷擠壓，成型塊質(zhì)量有時(shí)有高低反差。特別是要求原料含水率較小，否則會(huì)使成型燃料膨脹、松散、甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)的“放炮”現(xiàn)象。（3）碳化致密成型 炭化成型工藝的基本特征是，首先將生物質(zhì)原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏結(jié)劑擠壓成型。由于原料纖維素結(jié)構(gòu)在炭化

8、過(guò)程中受到破壞，高分子組分受熱裂解轉(zhuǎn)換成炭，并放出揮發(fā)分，使成型部件的磨損和能耗都明顯降低。但炭化后的原料維持既定形狀的能力較差，所以一般要加入黏結(jié)劑5。碳化致密成型設(shè)備比較簡(jiǎn)單，類似于型煤成型設(shè)備。 2生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究重點(diǎn)2.1 壓縮特性分析 秸稈在壓縮過(guò)程中，是在一定壓力（溫度）下，通過(guò)秸稈的塑性變形和其本身的木質(zhì)素軟化固化成型的。在壓縮過(guò)程中可分為3個(gè)階段6：松軟階段（壓力0MPa8MPa），過(guò)渡階段（壓力8MPa13MPa）和壓緊階段（壓力13MPa30MPa）。在壓力較小時(shí)，壓塊密度隨壓力的增大顯著增大，但達(dá)到壓緊階段后，變化緩慢，趨于常數(shù)7。一般情況下，在壓力為15MPa時(shí)

9、，壓塊的成型效果就較好， 將壓力控制在1530 MPa范圍內(nèi)就可以達(dá)到成型。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者研究了生物質(zhì)壓縮力和壓縮密度的關(guān)系，建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。這些成果都是關(guān)于壓縮力、壓縮密度、壓縮量的關(guān)系，但不能估算最終的壓縮密度。2.2 原料的特性對(duì)成型的影響生物質(zhì)原料具有流動(dòng)性差、相互牽連力較大的特性，是成型喂入和壓縮的瓶頸。對(duì)于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，壓縮特性有很大的差異，并對(duì)成型過(guò)程和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響8。當(dāng)原料水分過(guò)高時(shí)，加熱過(guò)程中產(chǎn)生的蒸汽不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生爆鳴。但含水率太低，成型也很困難，這是因?yàn)槲⒘克謱?duì)木素的軟化、塑化有促進(jìn)作用。成型原

10、料的含水率一般在15%左右。植物秸稈易壓縮,在壓力作用下變形較大，壓縮比在912之間，木屑廢料較難壓縮，壓縮比在59之間。粒度小的原料容易成型，粒度大的較難壓縮。生物質(zhì)的特性對(duì)于解釋和說(shuō)明物質(zhì)的機(jī)械變化過(guò)程很有價(jià)值，但關(guān)于特性研究的報(bào)道不多。2.3 壓塊能耗的研究對(duì)于一個(gè)生物質(zhì)成型裝置來(lái)說(shuō)，能耗是一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)，能耗是指在單位時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)成型燃料所消耗的能量與該時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)的成型燃料質(zhì)量的比值。壓縮成型的能耗主要包括三部分：原料喂人所消耗的能量；物料與成型部件內(nèi)壁摩擦所消耗的能量；克服物料彈性變形所需的能量。影響成型機(jī)能耗的主要因素有:成型燃料的密度，生產(chǎn)率，物料的種類，粒度和含水率等。3

11、國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)致密成型研發(fā)概況3.1 國(guó)內(nèi)情況 在生物質(zhì)成型方面，近年來(lái)國(guó)內(nèi)科研單位加大了研究力度，取得了明顯進(jìn)展。清華大學(xué)清潔能源研究與中心已開發(fā)出生物質(zhì)顆粒燃料冷成型技術(shù)和設(shè)備，并在北京懷柔區(qū)組織了示范項(xiàng)目9，環(huán)境與工程系也有相關(guān)研究10。浙江大學(xué)生物機(jī)電工程研究所能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在生物質(zhì)成型理論、成型燃料燃燒技術(shù)等方面進(jìn)行了研究11。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與江蘇正昌集團(tuán)、牧羊集團(tuán)等國(guó)內(nèi)知名機(jī)械裝備制造商研究生產(chǎn)生物質(zhì)利用設(shè)備12，山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院13、華中科技大學(xué)化學(xué)與化工系14、北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院等都對(duì)生物質(zhì)成型燃料進(jìn)行了研究。中國(guó)林科院林產(chǎn)化學(xué)研究所從20世紀(jì)80年代

12、開始研究開發(fā)林木生物質(zhì)原料和農(nóng)業(yè)廢棄物的成型技術(shù)。東南大學(xué)、中科院廣州能源研究所、 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)機(jī)院可再生能源與環(huán)境研究所等也進(jìn)行了一些特色研究15。國(guó)內(nèi)一些生產(chǎn)顆粒飼料的廠家也開始在原設(shè)備的基礎(chǔ)上生產(chǎn)生物質(zhì)致密成型燃料。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從1992年開始相繼開發(fā)生產(chǎn)了液壓式、輥壓式和螺桿式生物質(zhì)致密成型機(jī)，并以進(jìn)行小批量生產(chǎn)，取得了較好的社會(huì)效益和效益。3.2 國(guó)外情況美國(guó)在20世紀(jì)30年代就開始研究生物質(zhì)致密成型燃料技術(shù)及其燃燒技術(shù)，并研制了螺旋壓縮機(jī)及相應(yīng)的燃燒設(shè)備16，日本在20世紀(jì)40年代開始研究機(jī)械式活塞式致密成型技術(shù)處理林業(yè)廢棄物，與1954年成功研制

13、出了單頭、多頭螺桿擠壓棒狀致密成型機(jī)17，80年代建立了年產(chǎn)600t的固體原料工廠（煤75%，生物質(zhì)25%）18。在亞洲，泰國(guó)、印度等國(guó)也建立了不少生物質(zhì)致密成型燃料專業(yè)生產(chǎn)廠。目前，德國(guó)有100多家顆粒成型燃料工廠，主要以木屑、木片、枝、邊角料等生物質(zhì)為原料。瑞典有生物質(zhì)顆粒成型燃料加工廠10多家，的年生產(chǎn)能力達(dá)到了20多萬(wàn)噸19。 1         4生物質(zhì)致密成型技術(shù)的問(wèn)題和建議4.1 成型機(jī)的問(wèn)題生物質(zhì)成型機(jī)目前初具規(guī)模，但要真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化， 還有一些技術(shù)障礙亟待解決。現(xiàn)在大部分機(jī)組可靠性能差，運(yùn)行不平穩(wěn)

14、，易損件使用壽命太短，維修和更換不方便。技術(shù)較成熟的螺旋擠壓式成型機(jī)的螺桿壽命極其有限，由于物料的壓縮是靠螺桿和出料套筒配合完成的， 螺桿的幾何尺寸和出料筒的幾何尺寸必須在一定的范圍內(nèi)，才能在較快的擠出速度下獲得較大密度的成型燃料20。螺桿是在較高溫度和壓力下工作的，與物料始終處于干摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致螺桿的磨損非?？臁Ｂ輻U磨損到一定程度時(shí)，會(huì)與出料套筒失去尺寸配合，使成型無(wú)法進(jìn)行。總體上來(lái)看，液壓活塞式和輥壓式致密成型機(jī)較為合理，建議加大研制力度，開發(fā)出適合生物質(zhì)特性的致密成型機(jī)。 4.2 成型原料問(wèn)題生物質(zhì)原料的特點(diǎn)是具有季節(jié)性、分散性，因此嚴(yán)重的影響了生物質(zhì)致密成型燃料的化生產(chǎn)，根據(jù)特色，必須

15、考慮生物質(zhì)的收集半徑。建議采取分散設(shè)點(diǎn)加工及就地使用和集中調(diào)配使用的方法。解決上述問(wèn)題。考慮到收集范圍問(wèn)題，生物質(zhì)致密成型設(shè)備的生產(chǎn)率不宜過(guò)大。 4.3 配套設(shè)備問(wèn)題由于成型機(jī)對(duì)原料的粒度和含水率要求較高， 而成型設(shè)備自動(dòng)化低、粉碎、干燥、進(jìn)料和包裝設(shè)備沒(méi)有形成配套的生產(chǎn)線，工作時(shí)原料往往達(dá)不到生產(chǎn)要求。建議在研制和生產(chǎn)生物質(zhì)致密成型設(shè)備的同時(shí)，要配套相應(yīng)的粉碎和干燥設(shè)備。 5生物質(zhì)致密成型技術(shù)的前景生物質(zhì)成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是絕對(duì)的環(huán)保性和良好的性。以往由于對(duì)其不完全了解，造成推廣受到一定程度的限制?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著該技術(shù)一些關(guān)鍵問(wèn)題的解決，保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識(shí)的日益加強(qiáng)和國(guó)家相應(yīng)配套政策的通過(guò)， 市場(chǎng)

16、覆蓋率將逐漸擴(kuò)大。同時(shí)必須清楚地認(rèn)識(shí)到，由于多種因素影響，短期內(nèi)不能期望出現(xiàn)全面應(yīng)用。我國(guó)生物質(zhì)致密成型裝備的研究與制造起步較晚，今后應(yīng)在設(shè)備實(shí)用性、降低能耗、減輕磨損、原料適用性、系列化等方面下功夫，為大規(guī)模開發(fā)利用生物質(zhì)能提供必要的技術(shù)儲(chǔ)備21。 1 陳 軍，陶占良. 能源化學(xué)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社 2004.2 張百良. 能源工程學(xué)M. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社 1999.3 杜德利，王 鎮(zhèn). 生物質(zhì)致密成型產(chǎn)品的生產(chǎn)及應(yīng)用J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)2006，22（增1）：146-150.4 蔣劍春. 國(guó)外木質(zhì)成型燃料J.林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè)，1986,（6）:35-36.5 袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍.

17、生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)M.北京：化學(xué)工業(yè)出版社 20056 邢 蕾，王述洋，等. 秸稈壓縮成型試驗(yàn)與分析J.佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)， 2005,23(4):574-576.7 回彩娟，俞國(guó)勝. 影響生物質(zhì)塊狀燃料常溫高壓致密成型因素的研究J.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2005（11）；10-14.8 盛奎川. 棉稈切碎及壓縮成型的試驗(yàn)研究J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999, 12(4):221-224.9 車戰(zhàn)斌.生物質(zhì)就地及時(shí)壓縮成型技術(shù)-Highzones技術(shù)J.中國(guó)能源，2005,27(1):28-31.10 徐康富，馬永亮，常新蓮， 郝吉明.生物質(zhì)型煤成型技術(shù)開發(fā)實(shí)驗(yàn)研究J.環(huán)境污染與防治，2002, 24

18、(5): 261-264.11? 盛奎川， 吳 杰.生物質(zhì)成型燃料的物理品質(zhì)和成型機(jī)理的研究進(jìn)展J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004,20(2):242-245.12 陳永生，沐森林等 生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的發(fā)展J.太陽(yáng)能 2006,4:15-18. 13 董玉平，高名望等. 秸稈類生物質(zhì)固化成型有限元模擬J.山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2005,35(5): 9-13.14 唐衛(wèi)軍，肖 波，楊家寬，王秀萍.生物質(zhì)轉(zhuǎn)化利用技術(shù)研究進(jìn)展J.再生資源研究， 2003 4:30-32.15 李美華，俞國(guó)勝. 生物質(zhì)燃料成型技術(shù)研究現(xiàn)狀J.木材加工機(jī)械，2005 236-240.16 劉圣勇. 國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)致密成型燃料及燃燒設(shè)備研究與開發(fā)現(xiàn)狀J.可再生能源 2002（4）:14-15.17 Cliffe K R, Patumsawad S. Co-combustion of waste from olive oil production with coal in a flu