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生物质成型燃料加工装备发展现状及趋势

放大字体  缩小字体 发布日期:2012-04-27  浏览次数:746
核心提示:摘要:从世界化石能源面临枯竭的角度出发,介绍了中国生物质资源状况和国内外生物质成型燃料成型技术及成型设备的应用现状,并针

摘要:从世界化石能源面临枯竭的角度出发,介绍了中国生物质资源状况和国内外生物质成型燃料成型技术及成型设备的应用现状,并针对中国的国情,提出了发展生物质成型燃料的途径和方法,以便充分、有效地利用农林剩余物等生物质资源。
关键词:生物质能源;成型燃料;常温成型
1生物质燃料及其成型技术
石油、天然气和煤炭等化石能源是世界经济的三大支柱能源,然而,这些能源的利用是以消耗地球的资源为代价的。据有关资料介绍,按目前矿物能源的消耗量,地球上的煤炭、石油、天然气、核能分别还可以使用220年、40年、60年和260年。生物能源由于具有可再生性、使用无公害等优点,被普遍认为是未来能源开发的热门领域。如今在世界范围内,生物质能仅次于煤炭、石油和天然气而居于能源消费总量的第4位,在整个能源系统中占有重要的地位,是人类赖以生存的能源之一。
我国森林面积17490.92万hm2,森林覆盖率18.21%,森林蓄积124.56亿m3。根据2005年3~6月由国家林业局能源办公室进行的“中国林木生物质资源调研”得出的数据表明:目前我国陆地林木生物质资源总量在180亿t以上,可用于生产生物质能源的约13亿t,主要是薪炭林(0.7亿t)、林业三剩物(10.3亿t)和平茬复壮的灌木(2亿t)。另外,据国家林业局2005年森林资源调查统计显示,还有2000万hm2的土地可用来种植能源林,这些能源林不仅每年能生产1.5亿t的木质生物质,同时还能起到环境治理和改善气候的作用。生物质作为能源利用的技术一般有三类:一是燃烧技术,通过直接燃烧或将生物质加工成成型燃料(如颗粒、块状、棒状燃料)然后燃烧,其主要目的是为了获取热量;二是生物化学转化技术,通过将不同原料(木材、小麦、甜菜等)先酸解或水解,然后微生物发酵,制取液体燃料或气体燃料;三是热化学转化技术,其可获得木炭、生物油和可燃气体等高品位能源产品,该项技术按其加工工艺的不同,又分为高温干馏、热解、生物质液化和气化等几种方法。相对而言,致密成型技术和直接燃烧技术成本较低,是林木生物质能源转化的可选择技术途径之一。
由于生物质原料产地分散、质地疏松、能量密度小,给采集、储运和使用带来许多不便。经致密成型加工后的生物质固体成型燃料,其粒度均匀、单位密度(可达到0.8~1.4g/cm3)和强度增加,便于运输和贮存,且燃烧性能明显改善。因此,生物质致密成型燃料是一种很有发展前景的可再生能源。
生物质致密成型技术是指应用机械加压(加热或不加热)的方法,将各类原来分散、没有一定形状、密度低的生物质原料压制成具有一定形状、密度较高的各种固体成型燃料的过程。按成型温度可分为加热成型和常温高压成型两种。
①加热成型:植物中含有的木质素是具有芳香族特性的结构单体,属非晶体,没有熔点但有软化点,当温度达70~110℃时开始软化且粘合力开始增加,在200~300℃时,软化程度加剧达到液化,此时施加一定的压力,使其与纤维素紧密粘接,并与邻近颗粒互相胶接,冷却后即可固化成型。生物质加热成型燃料就是利用生物质的这种特性,用压缩成型设备将经过干燥和粉碎的松散生物质原料在加压(0.5~1t/cm2)、加温(110~300℃)的条件下,使木质素软化并经挤压而成型,得到具有一定形状和规格的成型燃料。其固化成型的工艺流程一般为:原料→预处理(粉碎)→干燥→加热、成型→冷却包装。
②常温成型:生物质原料是由纤维构成的,被粉碎后的生物质原料质地松散,在受到一定的外部压力后,原料颗粒先后经历位置重新排列、颗粒机械变形和塑性流变等阶段,见图1。开始压力较小时,有一部分粒子进入粒子间的空隙内,粒子间的相互位置不断改变,当粒子间所有较大的空隙都被能进入的粒子占据后,再增加压力,只有靠粒子本身的变形去充填其周围的空隙。这时粒子在垂直于最大主应力的平面上被延展,当粒子被延展到与相邻的两个粒子相互接触时,再增加压力,粒子就会相互结合,这样,原来分散的粒子就被压缩成型,同时其体积大幅度减小,密度则显著增大。由于非弹性或粘弹性的纤维分子之间的相互缠绕和咬合,在外部压力解除后,一般都不能再恢复到原来的结构形状。应用这一原理,可以实现自然状态下的常温压缩成型。该成型技术的工艺流程为:原料→预处理(削片或粉碎)→成型→包装。它比加热成型技术减少了原料烘干、成型时加热和降温等3道工序,可节约能耗44%~67%。在能源紧缺的今天,常温成型是生物质成型燃料的发展方向。

2国内外生物质致密成型技术现状
生物质燃料致密成型技术的研究始于20世纪初,到目前为止,世界各国研究的重点还是集中在生物质燃料的制造技术方面,主要是解决成型后的生物质燃料不松散、能长期存放等问题。
2.1国外发展情况
早在20世纪30年代,美国就开始研究压缩固体成型燃料技术,并研制了螺旋式挤压成型机,在加热温度为110~350℃、压力10MPa的条件下,能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料。日本于20世纪50年代从国外引进该项技术后进行了改进,并形成了日本压缩固体成型燃料的工业体系。从20世纪80年代开始,日本对生物质压缩成型燃料技术进行了探讨,对压缩过程中的动力消耗、压模的结构与尺寸、压缩燃料的含水率、压缩时的温度和压力以及原料的颗粒大小等进行了实验研究,进一步改进了生物质压缩成型技术,使之更趋于实用化。1984年日本的生物质成型燃料生产厂达到172家,生产总量达2.6×105t。泰国、印度、菲律宾等国从20世纪80年代开始也先后研制成了加粘结剂的生物质致密成型机。20世纪70年代后期,由于发生世界能源危机,石油价格上涨,使得欧洲许多国家(如瑞典、芬兰、比利时、法国、德国、意大利等)都十分重视生物质成型燃料技术的研究和开发,目前已形成产业化生产,成效显著。法国开始时用秸秆的压缩粒作为奶牛饲料,近年来也开始研究、生产块状燃料,由多种林业废弃物生产的压缩成型燃料已经达到了实用阶段。
德国研制的KAHI系列颗粒成型机可生产直径为3~40mm的生物质颗粒燃料,按生产率不同,所用电机的功率(20~400kW)也不同。瑞典是应用生物质成型燃料最好的国家之一,年生产生物质固体成型燃料总量超过200万t,截止到2006年,应用生物质能源的总量已达到总能耗的25%。这些国家应用生物质固体成型燃料主要用于热电联产、社区供暖和家庭采暖等,结合燃烧器具的研发,其热效率可达到80%~95%。
2.2国内发展情况
相对而言,我国在这方面的研发和生产起步较晚。我国从20世纪80年代起开始致力于生物质致密成型技术的研究。1998年江苏正昌粮机集团公司开发了内压环模式颗粒成型机(见图2),其生产能力为250~300kg/h,生产的颗粒成型燃料可用于家庭或暖房取暖;同年南京市平亚取暖器材有限公司从美国引进适用于家庭使用的取暖炉,通过国内消化吸收,形成了工业化生产,另外,还从美国引进了一套生产能力为1.5t/h的颗粒成型燃料生产线,1999年开始正式生产;老万生物质能科技有限公司成立于2002年,其公司的董事长从2000年就开始研发农作物秸秆类生物质颗粒燃料及其燃烧供暖设备,目前主要生产生物质颗粒燃料和各种用于燃烧颗粒燃料的燃烧器具,有暖风壁炉、水暖炉、炊事炉等系列炉具,这些炉具的热效率可达到86.07%,各项排放指标均达到了国家环保标准和欧洲现行的环保标准。
生物质颗粒燃料如图3所示。

中国林业科学研究院林产化学工业研究所于1998年研制成功了生物质颗粒燃料成型制造机,该机由旋风干燥装置、木质素加热软化装置和颗粒成型装置三大部分组成(见图4),总装机功率29kW,其中旋风干燥5kW、木质素加热软化7kW、颗粒挤压成型17kW。粉碎后的原料先经旋风干燥器干燥到颗粒成型要求的含水率,然后进入加热装置,物料在加热装置中加热到木质素软化的状态(110~180℃),在螺旋输送装置的作用下进入颗粒成型挤压装置,由于被软化的木质素具有一定的胶粘作用,在挤压下成型(颗粒状)并排出机器外。该机的生产率为120~240kg/h,能耗为120.8~241.7kW•h/t为了配合颗粒燃料成型机的研发,还研制了一种用于燃烧颗粒燃料的暖风炉,如图5所示,其具有清洁、燃烧效率高等特点。
原中南林学院从2002年起,在引进国外(瑞典)技术的基础上开发了生物质颗粒燃料成型机和使用颗粒燃料的环保节能灶和取暖炉。生物质颗粒燃料成型机(见图6)是在国产饲料制粒机的基础上结合瑞典生物质颗粒燃料成型机技术研制而成的。在吸收国外燃烧炉技术的基础上,结合我国实际情况开发的一种兼炊事与供热水相结合的颗粒生物质燃料燃烧灶如图7所示,该节能灶的燃烧室采用二次供氧方式,使燃料的燃烧更充分,提高了热能的利用率;环保节能取暖炉是在引进国外环保节能壁炉的基础上,结合我国的实际情况,通过改变外观尺寸、改进颗粒燃料供料系统、增加换热管面积等开发出的适合我国家庭使用的取暖炉。

与生物质颗粒燃料不同,棒状或块状燃料无需对原有以煤为燃料的灶具或锅炉进行改造就可直接使用。生物质棒状或块状成型设备应用较为普遍的是螺旋挤压成型机和活塞式冲压成型机两种。螺旋挤压成型机主要由挤出螺旋、挤出套筒、加热圈等组成,如图8所示。被粉碎的生物质原料在挤出螺旋的作用下被推入挤出套筒,在挤出套筒周围加热圈的作用下,生物质原料在挤出套筒内被加热到木质素软化状态并随生物质原料不断进入挤出套筒,由于受挤压及胶粘的共同作用使生物质成型。成型后的棒状燃料被源源不断地送出,燃料棒的长度可根据需要截断。目前这种螺旋挤压式的棒状燃料成型机主要用于生产木炭棒的原料棒,成型机的挤出螺旋由一台功率为11kW的电动机驱动,加热电热管的功率为5kW,成型燃料棒为中空结构,外径为48mm,内径为10mm,每分钟可生产长400mm的燃料棒2.5根,见图9和图10。

活塞式生物质棒状燃料成型机主要由活塞、加热圈和成型喉管组成,如图11所示。活塞由液压或机械驱动作往复运动,已粉碎的生物质原料在活塞的推动和加热圈的作用下,其木质素被软化而产生胶粘作用,在喉管处被挤压成型。河南农业大学研制的液压往复活塞双向挤压加热成型的棒状燃料成型机如图12所示,其主要用于农作物秸秆的成型,当加热温度达70~110℃时,秸秆中的木质素软化产生粘接作用,当温度达到160℃时木质素熔融,此时加压使纤维素紧密粘接而成型,该机每小时可生产棒状燃料60~80kg,燃料棒的密度为0.74~0.9g/cm3。
生物质加热成型技术的最大缺点是能耗较高,生产1t生物质成型燃料一般要耗电100kW•h。从降低生物质成型技术能耗的目的出发,2000年以后,一些科研院所和大专院校等开展了生物质常温成型技术研究。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式成型机,该机由一台17kW的主电机驱动环模和压辊实现颗粒成型的挤压,一台1.5kW的变频电机驱动螺旋供料装置为挤压装置供料,通过调整供电的频率可实现原料供应量的调整,颗粒燃料的生产效率可达到300~500kg/h。环模式成型机如图13所示。

清华大学清洁能源研究与教育中心通过对具有纤维结构生物质材料的研究和分析,研制出了另一种常温成型颗粒燃料生产设备,如图14所示。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,然后放入机器中便可制成颗粒状燃料,生产率可达到600kg/h,能耗低于国外同类设备的能耗,颗粒成型燃料产品的强度、热值均大于国外同类产品。该项技术已在北京的密云和怀柔等地推广应用。
在生物质块状燃料常温成型方面,首钢研制了一种机械活塞冲压式生物质块状燃料成型机,如图15所示。原料成型靠活塞的往复运动实现,其进料、压缩和出料过程都是间歇式的,即活塞每工作一次可以形成一个压缩块。在压缩管内,前一块与后一块挤在一起,但有边界,当压缩块燃料从成型机的出口处被挤出时,在自重的作用下能自动分离。

北京林业大学在研究生物质常温成型机理的基础上,研制、开发了一种液力双向挤压的生物质成型燃料常温成型机,如图16所示。该机的装机功率为22kW,加工能力为500~600kg/h,实际成型能耗不大于40kW•h/t。生物质成型块的密度可以通过设备液压系统的压力来调整,既能满足加工畜牧业养殖所需的粗饲料要求,又可满足生物质成型燃料加工的要求,最大密度可达1.2g/cm3。

生物质成型燃料加工装备发展趋势生物质能源是可再生的能源,在化石能源面临枯竭的今天,世界上发达国家都在研究和开发这种能源。我国对生物质能源的开发也十分重视,国家投入了大量的人力和财力鼓励在该方面的研发,但在生物质成型燃料的加工和应用方面还处于起步阶段。①国家对生物质成型燃料生产和应用的相关政策将不断完善。生物质成型燃料被国际上公认为清洁燃料,瑞典、德国、芬兰等发达国家对应用生物质成型燃料都有特殊的补贴和减免税收等鼓励政策。我国长期以来主要以消耗化石能源为主,对生物质能源的应用还处在起步阶段,目前只是对以生物质能发电、风能发电、太阳能发电等的电价有特殊的补贴政策,对应用生物质成型燃料进行工业生产、供热及人们的日常生活等相关的鼓励政策尚在研讨和论证之中。随着国际上对减少CO2排放的呼声越来越高和化石能源的日益减少的情况下,相关鼓励应用生物质成型燃料的政策将会逐步出台。

②生物质成型燃料加工装备的发展应与原料来源相结合。用于加工生物质成型燃料的原料主要是农作物秸秆、林业“三剩物”和平茬复壮的灌木,这些原料的特点是密度小,产地分散。生物质成型燃料的成本在很大程度上取决于原料的成本,而用于加工成型燃料的原料价格又取决于其运输的距离。因此,用于加工生物质成型燃料的设备除尽可能降低能耗外,还要与原料基地建设相结合,其加工能力要与所能提供的原料量相适应。
③进一步研究生物质的成型机理,改进设备的设计,最大限度地减少易损件和降低设备的成型能耗。目前市场上已形成产品的生物质成型燃料成型设备主要以加热成型为主,存在能耗较高、成型部件(挤压螺旋、成型模具、环模、压辊等)易磨损等问题。应通过对生物质材料成型机理的研究,改变成型方式,尽可能地减少物料与成型模具之间形成的摩擦,从而增加成型模具的使用寿命,降低成本。
④结合我国国情,研发以生物质成型燃料为燃烧物的分布式微型供热、发电一体化集成装备,充分利用局部地区的生物质资源,减少生物质松散物料的运输距离,解决当地群众的生产、生活用电和冬季供暖问题。
参考文献:略

 
 
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