生物質(zhì)源轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展

生物質(zhì)源轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展

0生物質(zhì)化學(xué)品水生能源也被稱為“綠色能源”，是指以生物為載體的能源。這是世界上能源資源的第四次可支配能源資源，除煤炭、石油和天然氣外，還可提供約14%的世界需求。生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換方式有生物質(zhì)氣化、生物質(zhì)固化和生物質(zhì)液化3種方式,生物質(zhì)固化后形成生物質(zhì)致密成型燃料。生物質(zhì)致密成型燃料技術(shù)是將經(jīng)過(guò)粉碎具有一定粒度的生物質(zhì)原料,在一定的壓力和溫度下將其擠壓制成密度較大、形狀規(guī)則的成型燃料的加工技術(shù)。其主要目的是將低密度的生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呙芏鹊纳镔|(zhì)燃料。致密成型后的生物質(zhì)燃料體積大大縮小,密度可達(dá)0.8~1.4g/cm3,含水率在12%以下,增加了單位體積的熱值(約16~21MJ/kg),能量與中質(zhì)煤相當(dāng),燃料特性明顯改善,使用方便、干凈衛(wèi)生,減少了運(yùn)輸和儲(chǔ)存成本,可作為生物質(zhì)高效燃燒爐、氣化爐和小型鍋爐的燃料。其適合在農(nóng)林廢棄物及農(nóng)林產(chǎn)品加工剩余物資源量大的區(qū)域,為家庭提供生活燃料,也可用于供熱和發(fā)電等,同時(shí)可以作為高品質(zhì)能源商品。生物質(zhì)致密成型燃料把農(nóng)、林業(yè)的廢棄物加工再利用轉(zhuǎn)化成生物質(zhì)能源,是解決生物質(zhì)資源浪費(fèi)和污染的一種重要技術(shù)手段,使其成為發(fā)電、供暖和家庭用能的一種重要的可再生能源資源。我國(guó)有9億農(nóng)村人口,2.2億農(nóng)戶,生物質(zhì)能占我國(guó)農(nóng)村能源消耗的68.7%,因此研究和利用生物質(zhì)致密成型技術(shù)對(duì)我國(guó)能源優(yōu)質(zhì)高效利用和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1生物質(zhì)致密成型燃料的發(fā)展歷程生物質(zhì)致密成型技術(shù)受到國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的普遍重視,并投入了大量的資金和技術(shù)力量研究和開(kāi)發(fā)生物質(zhì)致密成型設(shè)備,走在了該領(lǐng)域的前沿。成型燃料最早是英國(guó)一家機(jī)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,逐步發(fā)展到加工造紙廠的廢棄物。20世紀(jì)30年代,美國(guó)開(kāi)始研究致密成型燃料技術(shù),并研制了活塞-模具式成型機(jī),利用大壓力擠壓原料通過(guò)成型模具而形成致密成型燃料。20世紀(jì)50年代日本從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)后進(jìn)行了改進(jìn),研究應(yīng)用了螺旋式擠壓成型機(jī),并發(fā)展成了日本壓縮成型燃料的工業(yè)體系,并逐步推廣到了臺(tái)灣、泰國(guó)乃至歐洲國(guó)家和美國(guó)。同時(shí),現(xiàn)代化的活塞成型機(jī)在瑞典、德國(guó)得到推廣,以鋸末為原料的燃料塊在市場(chǎng)上有了競(jìng)爭(zhēng)力,之后又相繼產(chǎn)生了以油壓、水壓為動(dòng)力的活塞式生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備。20世紀(jì)70年代初,美國(guó)又研制開(kāi)發(fā)了內(nèi)壓滾筒式顆粒成型機(jī)。亞洲除日本外,泰國(guó)、印度、菲律賓等國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始也都開(kāi)展了生物質(zhì)致密成型設(shè)備及成型工藝方面的研究。生物質(zhì)壓縮燃料在西歐國(guó)家以及日本等國(guó)現(xiàn)已成為一種產(chǎn)業(yè),印度和東南亞一些國(guó)家對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用也相當(dāng)重視。目前,國(guó)外(西歐、北美、日本等)生物質(zhì)致密成型技術(shù)已基本成熟,生物質(zhì)致密成型燃料已經(jīng)商品化,廣泛應(yīng)用于供熱、取暖和發(fā)電領(lǐng)域,同時(shí)各國(guó)政府為促進(jìn)生物質(zhì)致密成型技術(shù)的發(fā)展提供了政策和資金上的支持(貼息、減稅等),生物質(zhì)能源近年發(fā)展迅速。為規(guī)范和發(fā)展生物質(zhì)致密成型燃料,歐盟(CEN/TC335和CEN/TC343)和美國(guó)(ASTME1756)制定了有關(guān)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定了成型燃料的熱值、堆積密度、尺寸形狀、灰分含量、含水率等的技術(shù)參數(shù)。1.2生物質(zhì)成型技術(shù)我國(guó)從20世紀(jì)80年代起開(kāi)始致力于生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究。湖南省衡陽(yáng)市糧食機(jī)械廠于1985年研制了第一臺(tái)ZT-63型生物質(zhì)壓縮成型機(jī),江蘇省連云港東海糧食機(jī)械廠于1986年引進(jìn)了一臺(tái)OBM-88棒狀燃料成型機(jī)。1993年前后,我國(guó)從國(guó)外引進(jìn)了近20條生物質(zhì)壓縮成型生產(chǎn)線,基本上都采用螺旋擠壓式,以鋸木屑為原料,生產(chǎn)“碳化”燃料。1994年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)機(jī)能源動(dòng)力所分別研究出PB-I型、CYJ-35型機(jī)械活塞沖壓式成型機(jī),1998年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出HPB-I型液壓活塞式雙向擠壓生物質(zhì)成型機(jī),2002年中南林學(xué)院也研制了相應(yīng)設(shè)備。2006年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HPB-IV型液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)和合肥天炎綠色能源開(kāi)發(fā)有限公司TYK-Ⅱ秸稈成型機(jī)均采用一級(jí)螺旋預(yù)熱預(yù)壓,二級(jí)活塞壓縮技術(shù),解決了普通成型機(jī)對(duì)原料含水率要求較高和模具易磨損的不足。為降低顆粒燃料成型的能耗,河南省科學(xué)院能源研究所研制了一種在常溫下生產(chǎn)顆粒燃料的環(huán)模顆粒成型機(jī)。2004年,清華大學(xué)和北京惠眾實(shí)科技有限公司開(kāi)發(fā)的Highzones生物質(zhì)固化成型技術(shù),利用壓輥擠壓原理實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)就地及時(shí)壓縮,其性能優(yōu)于國(guó)際上現(xiàn)有的顆粒成型技術(shù)。目前,生物質(zhì)致密成型技術(shù)已日趨成熟,并已部分實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。2我國(guó)生產(chǎn)工藝的研究生物質(zhì)致密成型工藝形式有多種,根據(jù)主要工藝特性的差別,可劃分為濕壓成型、熱壓成型、碳化成型、常溫成型4種基本類型,如圖1所示。2.1裂并部分降解法濕壓成型是在常溫下將原料水浸數(shù)日或?qū)⒃蠂娝?使其濕潤(rùn)皺裂并部分降解,將其水分?jǐn)D出,加黏結(jié)劑攪拌混合均勻,然后壓制成致密成型燃料。纖維原料經(jīng)一定程度的腐化后,會(huì)損失一定的能量,但與一般風(fēng)干原料相比,其擠壓、加壓性能會(huì)有明顯改善。2.2網(wǎng)狀或網(wǎng)狀燃料的成型工藝常溫成型是將原料在自然干燥含水率狀態(tài)下被粉碎成細(xì)小顆?；蚶w維狀,然后壓制成顆粒、棒狀或塊狀燃料的成型工藝。常溫成型工藝是近年來(lái)研究利用的一種生物質(zhì)成型新工藝,解決了以往壓縮成型設(shè)備對(duì)含水率和加熱溫度要求的限制,可實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)就地及時(shí)壓縮。同時(shí),其針對(duì)生物質(zhì)資源散拋型的特點(diǎn),解決了其收集半徑問(wèn)題,降低了壓縮成型燃料的綜合成本。2.3顆粒、網(wǎng)狀或惡意程序的壓制熱壓成型是利用高壓力擠壓的同時(shí)增加生物質(zhì)原料的溫度,使生物質(zhì)所含木質(zhì)素軟化作為黏結(jié)劑,然后壓制成顆粒、棒狀或塊狀燃料的成型工藝。熱壓成型是目前普遍采用的生物質(zhì)壓縮成型工藝。生物質(zhì)原料在壓縮過(guò)程中加熱,一方面可使原料中含有的木質(zhì)素軟化,起到黏結(jié)劑的作用,另一方面還可使原料本身變軟,容易壓縮,但加熱的同時(shí)也增加了其功率的損耗。2.4氣體以木材為原料碳化是在隔絕或限制空氣(氧)的條件下,將木材、樹(shù)皮、竹、麩皮等在400~600℃下加熱,得到氣體(以木材為原料時(shí)稱為木氣)、液體(木醋、焦油)和固體(炭)等產(chǎn)物的技術(shù)。以生產(chǎn)炭為主要目的的技術(shù)稱為制炭,以氣體或液體的回收利用為重點(diǎn)的技術(shù)稱為干餾,兩者合稱為碳化,但通常情況下碳化多指制炭。3我國(guó)生產(chǎn)工具致密形成設(shè)備的研究根據(jù)成型原理的不同生物質(zhì)致密成型設(shè)備主要分為3類:螺旋擠壓式成型機(jī)、活塞沖壓式成型機(jī)和壓輥式成型機(jī),如圖2所示。3.1成型工藝對(duì)螺旋式成型影響螺旋式擠壓成型機(jī)是靠外部加熱維持成型溫度為150~300℃,將木質(zhì)素、纖維素等軟化,形成黏結(jié)劑,螺桿連續(xù)擠壓生物質(zhì)通過(guò)成型模具形成生物質(zhì)致密成型燃料,如圖3所示。螺旋式擠壓成型機(jī)是目前國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的技術(shù),螺旋式擠壓成型機(jī)啟動(dòng)時(shí)成型部件和物料溫度低于成型溫度,因此需要用電熱元件加熱成型部件。為避免成型過(guò)程中原料水分的快速汽化造成成型塊的開(kāi)裂和“放炮”現(xiàn)象發(fā)生,一般將原料的含水率控制在8%~12%之間,成型壓力的大小隨原料和所要求成型塊密度的不同而異,一般在50~200MPa之間,其相對(duì)密度通常介于1.0~1.4g/cm3之間,燃料的形狀通常為燃料棒。螺旋擠壓式成型機(jī)以其運(yùn)行平穩(wěn)、生產(chǎn)連續(xù)、所成型棒易燃等特性在成型機(jī)市場(chǎng)中一直占據(jù)主導(dǎo)地位。目前,制約螺旋式成型機(jī)商業(yè)化利用的主要技術(shù)問(wèn)題一個(gè)是成型部件,尤其是螺旋桿和成型套筒磨損嚴(yán)重,使用壽命短;另一個(gè)問(wèn)題是單位產(chǎn)品能耗高,并且生產(chǎn)率相對(duì)較低,成型過(guò)程對(duì)物料含水率、顆粒大小等有嚴(yán)格要求,因此成型工藝不好掌握。為了解決螺桿首端承磨面磨損嚴(yán)重的問(wèn)題,現(xiàn)在大多采用表面硬化方法對(duì)螺桿型部位進(jìn)行處理,另一種方法就是徹底改變這種成型工藝,活塞式成型機(jī)的研制成功在較大程度上解決了螺旋擠壓式成型方式存在的成型件磨損嚴(yán)重、能耗高的問(wèn)題。3.2基于傳動(dòng)的傳動(dòng)式成型活塞沖壓式成型機(jī)由外部加熱維持成型溫度為160~200℃,將木質(zhì)素、纖維素等軟化,形成黏結(jié)劑,高壓力的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)推動(dòng)生物質(zhì)通過(guò)成型模具形成生物質(zhì)致密成型燃料,結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。其進(jìn)料、壓縮和出料都是間歇進(jìn)行的,即活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)1次形成1個(gè)壓縮周期?；钊麤_壓式成型機(jī)通常用于生產(chǎn)實(shí)心燃料棒或燃料塊,其密度介于0.8~1.1g/cm3之間,成型密度稍低容易松散。其中,液壓沖壓式成型機(jī)對(duì)原料的含水率要求不高,允許加工的原料含水率高達(dá)20%左右。活塞沖壓式成型機(jī)明顯改善了成型部件磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象,其使用壽命200h以上,而且單位產(chǎn)品能耗也有較大幅度的下降?；钊耐鶑?fù)驅(qū)動(dòng)力國(guó)際上有3種形式:機(jī)械、油壓、水壓,這3種形式相比機(jī)械式推廣面較大,近幾年液壓式發(fā)展很快。3.2.1機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定性差一般采用發(fā)動(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)飛輪,利用飛輪儲(chǔ)存能量通過(guò)曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)活塞做高速往復(fù)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生沖壓力將生物質(zhì)壓縮成型。曲柄連桿機(jī)構(gòu)活塞式成型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)能力大,每分鐘可以沖壓270次;但振動(dòng)負(fù)荷較大,造成機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定性差,噪音較大,還存在潤(rùn)滑油污染較嚴(yán)重等問(wèn)題。目前,為改善發(fā)展中國(guó)家尤其是一些相對(duì)落后國(guó)家人民的生活用燃料問(wèn)題,國(guó)外設(shè)計(jì)了一種人力或畜力牽引的凸輪活塞式生物質(zhì)致密成型機(jī),主要由預(yù)壓縮和凸輪活塞壓縮兩部分組成,優(yōu)化設(shè)計(jì)后的凸輪壓力角能夠很好地滿足生物質(zhì)成型曲線(成型壓力與體積減小量的關(guān)系曲線)的要求,很好地滿足了生物質(zhì)成型要求,使系統(tǒng)性能達(dá)到了最佳。同時(shí),解決了曲柄連桿機(jī)構(gòu)缺乏緩沖而引起的成型機(jī)振動(dòng)問(wèn)題,制造成本低,適宜農(nóng)村地區(qū)推廣。3.2.2液壓驅(qū)動(dòng)4-2液壓驅(qū)動(dòng)活塞成型機(jī)是油泵在電機(jī)的帶動(dòng)下,把電能轉(zhuǎn)化成液體的壓力能,驅(qū)動(dòng)活塞沖壓生物質(zhì)原料通過(guò)成型套筒制成生物質(zhì)致密成型燃料。由于液壓動(dòng)力本身的特點(diǎn),使其在一個(gè)成型周期(預(yù)壓緊→塑性變形→保型→停歇換向)內(nèi),各段所需的壓強(qiáng)實(shí)現(xiàn)“按需增能”,從而可使成型燃料單位產(chǎn)品能耗大大降低。液壓驅(qū)動(dòng)活塞成型機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是容易應(yīng)用,維護(hù)簡(jiǎn)單,運(yùn)行穩(wěn)定性得到極大的改善,產(chǎn)生的噪音非常小,改善了操作環(huán)境。不足之處是成型密度偏低,成品機(jī)械性能偏低,這是由于活塞的運(yùn)動(dòng)速度較機(jī)械式低很多。所以,其生產(chǎn)率要受到一定程度的影響。目前,液壓驅(qū)動(dòng)活塞成型機(jī)的研究方向是分析不同生物質(zhì)原料的成型機(jī)理和如何提高其成品的密度和機(jī)械性能。3.2.3血壓驅(qū)動(dòng)激活機(jī)理水壓式體積大,投資多,驅(qū)動(dòng)力小,生產(chǎn)能力低,生產(chǎn)率一般在0.25t/h,有的可達(dá)到0.35t/h。3.3壓輥式成型主要工藝特性壓輥式成型機(jī)主要用于生產(chǎn)顆粒狀成型燃料,基本工作部件由壓輥和壓模組成,與飼料工業(yè)中的制粒原理相同。根據(jù)壓模形狀的不同,壓輥式成型機(jī)可分為環(huán)模成型機(jī)、平模成型機(jī)和對(duì)輥式成型機(jī)。由于成型過(guò)程中原料和機(jī)器部件之間的摩擦作用可將原料加熱到100℃左右,因此成型過(guò)程中一般不需要外部加熱,可根據(jù)原料狀況添加少量粘結(jié)劑。其對(duì)原料的含水率要求較寬,一般在10%~40%之間均能很好的成型,顆粒成型燃料的密度一般為1.0~1.4g/cm3,但壓輥式成型機(jī)存在噪聲大、宜堵塞、振動(dòng)大的問(wèn)題。3.3.1壓模圈加工環(huán)模顆粒成型機(jī)主要工作部件是壓力室的壓輥和壓模圈。壓模圈的周?chē)@有許多成型孔,在壓模圈內(nèi)裝有兩對(duì)壓輥,壓輥外圈加工有齒或槽,用于壓緊原料不打滑;壓輥裝在一個(gè)不動(dòng)的支架上,壓輥能跟隨壓模圈的轉(zhuǎn)動(dòng)而自轉(zhuǎn),壓輥與壓模圈保持很小的間隙。工作時(shí)壓模圈由驅(qū)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)作等速順時(shí)針回轉(zhuǎn),進(jìn)入壓模圈的生物質(zhì)原料被轉(zhuǎn)動(dòng)著的壓模圈帶入壓輥和壓模圈之間,生物質(zhì)原料被兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)件逐漸擠壓通過(guò)壓?？紫蛲鈹D出,再由固定不動(dòng)的切刀將其切成短圓柱狀顆粒,如圖5所示。3.3.2旋轉(zhuǎn)壓輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平模顆粒成型機(jī)的壓模為一水平固定圓盤(pán),在圓盤(pán)與壓輥接觸的圓周上開(kāi)有成型孔,送料器把原料均勻地撒布于固定壓模表面;然后旋轉(zhuǎn)的壓輥將原料擠入平模?？?壓出圓柱狀的生物質(zhì)成型燃料,再被與主軸同步旋轉(zhuǎn)的切刀切斷成要求的顆粒長(zhǎng)度,如圖6所示。由于壓輥和壓模之間在工作過(guò)程中存在相對(duì)滑動(dòng),可起到原料磨碎作用,所以允許使用粒徑稍大的原料,特別適用于壓制纖維性原料。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造簡(jiǎn)單,造價(jià)低廉等特點(diǎn)。平模方式很難產(chǎn)生40MPa以上的壓力,所以只用于生產(chǎn)密度較低的顆粒燃料。3.3.3成型工藝的應(yīng)用,根據(jù)社會(huì)面對(duì)輥顆粒成型機(jī)是利用相互滾壓的兩中空滾筒成線速度差速運(yùn)動(dòng),兩滾筒之間形成擠壓腔,將原料擠壓通過(guò)筒壁的成型模腔制成生物質(zhì)顆粒燃料,如圖7所示。生物質(zhì)材料的力傳導(dǎo)性極差,擠壓成型時(shí)由于滾筒間存在線速度差(n1≠n2),使物料在進(jìn)入成型模腔之前,在擠壓腔先被施加一剪切力,可使纖維素分子團(tuán)錯(cuò)位、變形、延展成薄片,縮短力傳導(dǎo)距離,在較小的壓力下,使其相鄰相嵌、層層相疊、嚴(yán)密包裹重新組合而成型。同時(shí),呈片狀的粒子在正壓力的作用下,一部分粒子變形后進(jìn)入片狀粒子間的間隙縫,形成上下嚙合的狀態(tài),從而制成的顆粒燃料具有特定的結(jié)構(gòu)模型,具有很好的力學(xué)性能。利用這一成型機(jī)理制造的對(duì)輥顆粒成型機(jī)具有體積小、能耗低,可以實(shí)現(xiàn)自然含水率生物質(zhì)不用任何添加劑、粘結(jié)劑的常溫壓縮成型。若與聯(lián)合收割機(jī)配套,可以實(shí)現(xiàn)能源與糧食一起收獲。此技術(shù)簡(jiǎn)稱為Highzones技術(shù),由清華大學(xué)和北京惠眾實(shí)科技有限公司開(kāi)發(fā)。4生物質(zhì)致密成型理論指導(dǎo)與技術(shù)研