生物质成型设备（通用7篇）
生物质成型设备 篇1
0 引言
生物质能是世界上第三大能源,每年满足全世界14%的能源消耗,是一种取之不尽、用之不竭的可再生的清洁能源[1]。农业秸秆是生物质的重要组成部分,我国是一个农业大国,农业秸秆数量大、种类多、分布广,是农村方便的替代能源[2]。由于农业秸秆的热值低、容积密度小、物理形态不规则,给能源化利用带来很多困难,导致利用率低,大量被丢弃或在田间焚烧,造成资源浪费和环境污染[3]。生物质致密成型技术是解决以上问题的有效方法,即利用机械力将生物质压缩或挤压成为容积密度较大、热效率较高、便于运输和储藏的固体成型燃料。其容积密度可提高到原来的10倍以上(>600kg/m3),形状和尺寸统一,使用方便,易于燃烧,是煤和薪柴优秀的替代燃料[4]。
目前,生物质成型燃料主要有两种:颗粒燃料和压块燃料。颗粒燃料和压块燃料的加工原理和生产原料完全一致,只是外形尺寸和加工方法及设备不一致。从外形尺寸上来看,颗粒燃料尺寸较小,直径一般在6~12mm,长度一般为直径的4~5倍;而压块燃料尺寸较大,直径一般大于25mm,长度一般大于50mm[5]。从加工方法来看,颗粒燃料一般由制粒机挤压成型;而压块燃料一般由压块机挤压或压缩成型。另外,颗粒燃料对原料的加工条件一般高于压块燃料。在原料湿度较大、粒径较粗的条件下,可以加工出高质量的压块燃料。目前,加工颗粒燃料的制粒机主要有平模式和环模式两种,而加工压块燃料的压块机主要有活塞式、螺旋式和对辊式3种。本文首先全面介绍了各种主要的制粒机和压块机的组成及其工作原理,并对它们的工作条件和工作性能进行了对比分析,旨在为我国生物质成型设备的开发和研制提供参考,从而促进我国生物质成型燃料产业的发展。
1 国内外生物质成型燃料加工方法及设备
1.1 平模制粒机
平模制粒机是人们最早使用的颗粒燃料成型机。其主要工作部件是水平放置的平模和与其配合的两个圆柱形压辊。平模制粒机按照其工作时平模和压辊的运动方式可分为两种:一种是平模静止而压辊转动,称为动辊式;另一种为平模转动而压辊静止,称为动模式[6]。图1所示为动辊式平模制粒机。工作时,原料从料斗加入,由于重力和刮板的作用,原料被均匀地铺在平模上;同时电机转动,通过传动箱带动主轴转动,安装在主轴上的压辊由于主轴的带动和摩擦力的作用产生公转和自转,原料被压辊不断挤入平模孔内固化成型。平模制粒机的特点是结构简单、质量轻、移动性好、易于操作,而且价格便宜,操作过程中可视性好,易于监控产品质量,所以深受小型颗粒燃料加工厂及个体农户的青睐。但是,由于压辊在工作过程中内侧和外侧所碾压的距离不一致,导致其磨损不均匀,维护保养难度大;而且压辊和平模接触面小、压力小、产量低,颗粒成型质量较差。
1.电机2.传动箱3.主轴4.平模5.压辊6.料斗
1.2 环模制粒机
环模制粒机是平模制粒机的升级设备,是目前使用最广泛的颗粒燃料制粒机。它一般由输料箱、原料调节箱、制粒系统、减速箱和电机组成,如图2所示。
1.输料箱2.原料调节项3.制粒系统4.减速箱5.出料口6.电机
工作时,原料由输料箱螺旋输送器输送到调节箱,根据不同的生物质原料要求将湿度调节到理想值,并充分搅拌后输送到制粒系统。制粒系统由1个环模和2~3个压辊组成(见图3),压辊和环模之间有一定的间隙。工作时,电机经减速器减速,带动压辊旋转,将环模和压辊之间的原料不断挤入环模模孔中,在高温、高压下原料固化成型并挤出模孔,环模外面的切刀及时将颗粒燃料切断,形成直径和长度一致的颗粒燃料。可见,环模制粒机和平模制粒机工作原理基本相同,只是环模替代平模后,增大了压辊和环模间的挤压面积,增加了挤压力,提高了工作效率,提高了颗粒燃料的品质。环模制粒机能够较好地解决压辊磨损不均匀的问题,有利于设备的维护和保养,延长设备使用寿命;但不足之处是环模制粒机结构复杂、能耗高、价格昂贵,所以目前主要适用于大、中型的颗粒燃料加工厂。
1.压辊2.环模3.切刀
1.3 活塞式压块机
活塞式压块机一般由活塞、模、螺旋输送器及料斗组成,如图4所示。工作时,活塞在机械或液压力的作用下做返复直线运动;活塞向左运动时,原料经料斗、螺旋输送器输送到活塞前方的压缩室内;活塞向右运动时,推动压缩室内的原料向前运动并压实成型;活塞继续前行,将压块燃料从出料孔推出,完成一个工作过程,可见活塞式压块机是间歇式生产。活塞式压块机在工作过程中原料翻转小,工作阻力较小,能耗较低。活塞式压块机有机械式和液压式两种,其中机械式工作压力高,产量也比较高,压块燃料品质也比较好,适用于大型压块燃料企业生产。
1.4 螺旋式压块机
螺旋式压块机(见图5)一般由料斗、加热元件、螺旋推进器、套筒、模和切刀组成。工作时,螺旋推进器高速旋转(600r/m),原料经料斗被持续向套筒推进;套筒在外层包裹的加热元件的作用下,温度升高到200~250℃,使表层原料受热软化并固结。在螺旋推进器推力、套筒阻力及原料颗粒间阻力的相互作用下,原料颗粒之间间隙减少,密度提高;在经过锥型模孔时,进一步挤压成型,成为密度较高的压块燃料,然后从出料口挤出,在切刀的切割作用下,形成直径和长度一致的压块燃料。与活塞式压块机相比,螺旋式压块机的生产是连续性的,机器运转平稳、质量较小、产品尺寸统一、品质好,而且在加工过程中,由于摩擦生热,部分原料在高温下碳化,有利于点火和燃烧。但是,原料在移动过程中由于不断翻转,与螺旋推进器和套筒的摩擦较大,机器工作部件磨损严重,能耗高。
1.活塞2.模3.螺旋输送器4.料斗
1.料斗2.加热元件3.螺旋推进器4.套筒5.模6.切刀
1.5 对辊式压块机
对辊式压块机由两个形状和尺寸相同的圆柱形对辊、螺旋推进器和料斗组成,如图6所示。圆柱对辊的表面具有成型窝眼,工作时原料在螺旋推进器和重力的作用下由料斗进入两个对辊之间填料空间,充实对辊上的窝眼;同时对辊绕水平方向的平行轴相向旋转,将窝眼中的原料对压成为饼状;对辊持续转动,窝眼中的饼状燃料随窝眼分离而落下,经出料口排除。可见,对辊式压块机也是持续性生产,其产量比前两种压块机要高;但是由于挤压时间短、燃料密度低,因此,品质较差[7]。
1.料斗2.螺旋输送器3.对辊
2 生物质成型燃料加工设备性能对比
在以上的生物质成型燃料设备中,对生物质颗粒原料的致密成型方法各有不同,加工出来的生物质成型燃料品质也不相同。本文从原料加工参数的要求(湿度和颗粒尺寸)、工作部件的磨损、能耗、产量、成型燃料容积密度、保养维护、燃烧性能以及不同用途的适应性等各方面对以上加工方法做一对比分析(见表1),为开发和研制我国的生物质成型设备提供参考。
3 结语
通过对比分析可以看出,在4种生物质成型设备中,螺旋式压块机对原料的要求最高,生产的压块燃料品质最好,燃烧性能最好;但磨损大,能耗高,产量低。对辊式压块机产量高,但是压块燃料品质差。而环模制粒机和活塞式压块机能耗小,产量较高,成型燃料品质也较好。
参考文献
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生物质成型设备 篇2
关键词：秸秆,生物质,设备,动力,选型
前言
自温室气体导致全球性变暖, 引起一系列气候异常。虽然关于这个命题存在激烈争论, 但节能降耗、低碳减排、绿色环保等已经成为共识。开发太阳能、风能、水能、潮汐能等可再生能源成为能源开发的热点, 其中当然包括生物质再生能源。目前我国作为一农业大国, 收获农作物 (粮食、棉花和油料等) 之后, 有大量秸秆类废弃物, 实际上是丰富的生物质资源, 有资料介绍我国每年生产秸秆类生物质废弃物7.15亿t。这些生物质资源除少部分用作工业原料和饲料外, 大部分用作能源消耗, 虽然如此, 但利用极不合理, 大部分采用直接燃烧, 剩余部分多采用烧荒, 前者热利用率低, 后者则是一种能源无谓消耗, 并且这两种秸秆的燃烧都严重污染环境, 在机场附近地区的烧荒, 常影响到飞机的起降, 影响到机场的正常工作, 甚致酿成事故。将这些秸秆类废弃物和类似的生物质资源变废为宝, 转变为优质燃料, 不仅绿色环保, 节能减排, 而且可促进农业可持续发展。将秸秆类废弃物转变为优质燃料目前采用多种方法: (1) 气化法, 包括沼气方法, 是将这些秸秆类生物质, 还包括生活垃圾、人畜粪便、污水在特定环境下, 经细菌、发酵之后生成可燃气;在特种生成炉内, 在高温、厌氧 (有时还有高压) 条件下, 秸秆类生物质发生裂解, 干熘生成CO、H2等为主的燃气和焦油。 (2) 液化法, 利用水解技术和随后发酵技术, 在催化剂作用下, 生成生物酒精。这种生物酒精可以代替石油;生物质在一定环境如高温高压 (250~325℃;5~20MPa) 和催化剂存在条件下, 生物质裂解生成液态燃油。 (3) 压缩固化法, 生物质比重小、体积大, 如棉秆等自然堆积密度200~250kg/m3;稻壳90kg/m3;秸秆30~50kg m3;这对于运输和存放都带来巨大问题。在欧美等发达国家, 运用秸秆类生物质发电, 被认为零排放、绿色环保的发电技术, 丹麦因为采用这种技术, 竟然摆脱了石油进口。但是采用秸秆类生物质发电, 尤其是直接燃烧秸秆类生物质发电, 要求解决秸秆类生物质运输和存放问题。所以无论是将秸秆类废弃物转变为优质燃料, 或是运用秸秆类生物质发电, 都要求将其压缩、固化, 这是既解决运输也解决存放问题的方法。
秸秆类生物质成型的工艺: (1) 成熟秸秆类生物质自然干燥:使其含水量在15%以下; (2) 削片/粉碎:形成粒度0~5和0~10mm3, 试验表明差别不大; (3) 烘干:使其含水量在10%以下, 还有建议含水量在4%~18%, 此含水量在自然干燥下即可达到。而且认为适当含水量在加压成型时压强较小; (4) 送料; (5) 混料; (6) 预压; (7) 压制成型; (8) 卸料:将成型块卸下, 有的要求码垛或包装。
目前所看到的压缩固化设备, 包括了烘干、送料、混料、预压、压制成型各工艺工序, 有的还包括削片/粉碎。这类成套设备主要有以下几种输送、预压、压制成型方法。
1北京延庆等单位研制的秸秆成型机
近年来在有关单位参与下, 延庆县农委系统研制成功的秸秆成型机, 是利用粉碎成10mm3的秸秆类生物质进行加工的。它由倾斜成45°的螺旋输送机 (输送机的螺旋外径200mm, 螺距120mm, 生产率0.72~1t/h) 把粉碎好的秸秆类生物质进行输送和预压。经过预压粉碎的秸秆先被送到并联垂直向下输送原料的螺旋输送机, 经进一步预压, 被推入活塞往复运动的缸腔内, 完成最后的挤压, 呈圆柱形直径30~50mm (根据要求压缩密度不同而不同) 的压块被挤出。该机主要性能指标:生产率:0.7~1t/h;主机功率:30kw;45°螺旋输送机功率:1.5kw;垂直螺旋输送机功率:1.0kw;产品 (秸秆块) 密度:0.7~1.0t/m3。
2大连庄河干沟村秸秆压缩机
该机安装于手扶拖拉机上, 它分为:动力单元;秸秆送料单元;秸秆轧辊单元。其轧辊单元包括一对轧辊上设有三角形压片的轧辊;一对切辊, 切辊上配有切刀。
其工作过程是将手扶拖拉机开到收获后的地里, 将地里不堆垛、不捆扎的秸秆由输送带送入机器, 压轧成带有沟槽的板, 经切断后, 轻轻搬开, 捆札成长方形捆。其轧制压强0.7t/cm2, 出料密度接近一般板材。压缩比为1/14, 加工1t秸秆耗用1.5L柴油。 (中国专利200520128973.X)
3双环形压模秸秆颗粒成型机
和上述设备类似, 是用带有双环形模槽的轧辊, 空心的轧辊面上开有整齐排列的表面大, 内小的锥形孔, 小孔和直圆柱孔相连, 所用秸秆原料 (高粱、玉米、水稻、小麦、棉花、大豆等的秸秆) 要求粉碎成1mm3的粉料, 被轧挤从直柱孔呈颗粒排出, 落在空心的轧辊内置的出料导向板上, 而排出。最后产品约计1~6mm直径的颗粒。 (中国专利200510017434.3) 。
以上两类轧辊挤压的成型机器都具有单位能耗大、设备磨损严重的缺点。
4螺旋挤压成型机
这种在欧美应用得比较多的秸秆挤压成型机, 它也是在秸秆经自然干燥、粉碎、混料等预处理后输送进入机器, 和许多螺旋挤压成型机器 (如焊条压涂机) 原理一样。在秸秆螺旋挤压成型机中, 为防止物料和进行挤压的螺旋轴一起旋转, 螺旋挤压成型机的外管内表面开10mm的槽, 螺旋轴的螺旋片外径可逐渐减小形成挤压锥, 也可螺旋轴径逐渐加大形成挤压锥, 可见螺旋挤压轴加工比较精细, 要求比较高。螺旋挤压成型机的外管常缠绕电热丝, 以便供加热用。目前, 这种机器仍然存在单位能耗过高, 有的高达125kwh/t。更重要的是机器的螺旋轴磨损严重, 寿命不高, 通常只有60~80h, 而且加工制造成本高。即使如此, 这种机器仍是广泛应用的秸秆压缩成型机。
5液压秸秆成型机
这种设备目前有多种申请专利的形式。以北京海淀区苏州街技术促进中心的专利为例:
其压制秸秆类生物质产品呈蜂窝状圆块。其成套设备包括了破碎机 (采用飞刀切碎) 、混料机 (具有使切碎的秸秆物料混合和‘熟化’过程) 、压制成型机和输送装置。
其主机, 即液压的压制成型机有3个工位, 在第1个工位, 混合和‘熟化’的切碎的秸秆物料被从上往下充满在该位的缸腔内, 然后转到第2个工位, 被液压驱动的活塞挤压, 活塞上有圆柱头, 以便在压成的秸秆成型园块上形成蜂窝状孔, 转到第3个工位, 呈蜂窝状圆块的秸秆类生物质产品被推出。据 (中国专利200510017434.3) 资料介绍:压制成本50元/t;物料加工前不需烘干和加热, 综合成本不大于250元/t, 比煤炭价格低40%;生产率:生产线班产达4~5t;热值:3500~4500kcal/kg (1cal=4.1868J即相当于14653.8~18840.6k J/kg) ;据说在做经济分析时, 统计用2块该秸秆类生物质蜂窝状压块, 在生物质燃炉 (专门炉具) 中, 可燃50分钟, 够做3㎏米饭、4菜1汤。剩余产品是0.5kg炭。与之类似还有双头液压压制成型机。
从以上介绍多种类的秸秆类生物质压缩成型设备看出, 首先是设备不易出故障, 目前液压技术比较成熟, 市场易于提供成套液压件。而螺旋挤压轴加工比较精细, 要求比较高, 必须有专门企业加工, 而且它还易于磨损;而第1种类型设备如果磨损了 (如第1种在调试压缩比过程中, 发生出料口导管挤裂情况, 在使用过程中, 发生这种情况, 就需到专门厂家配件) , 是相当麻烦的;第2和3种类型设备其轧辊磨损, 亦须要专门厂家配修。其次要求低的单位消耗功率, 这就决定了产品的成本, 前列的几种, 在相当的加工能力条件下, 装机功率都在35kw左右;液压秸秆成型要低, 因此才会有较低的综合成本。第三, 从前分析可知能否降低运输成本, 是利用秸秆类生物质用作燃料或用来发电的关键之一, 为此, 通常使秸秆类生物质加工范围不超过2~3km。这就要求成套设备能简单化, 能装载在一辆汽车拖挂车上, 可以在一片地方进行加工完后, 随时移动到另一加工点。
秸秆类生物质利用通常要进行压缩固化, 以便用作燃料, 解决农村、农民家用, 或供专门发电站用作燃料。这是一项绿色环保, 开发可再生能源的极具潜力的途径。也不失为农民兄弟一种就业途径。所列秸秆类生物质固化方法都是可行的, 但相比较液压秸秆成型设备更有优势, 这方面希望国家根据《国家可再生能源法》给予进一步实践支持, 使7.15亿t的秸秆类生物质真正充分利用起来。
参考文献
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生物质成型设备 篇3
1 生物质固化成型燃料的特点
生物质固化成型燃料 (简称:生物质燃料, 俗称:秸秆煤) , 是指在不需任何添加剂和粘合剂的情况下, 利用新技术及专用设备将各种农作物秸秆、木屑、锯末、花生壳、玉米芯、稻壳、麦糠、树枝叶、甘草、菌菇棒、可回收垃圾等压缩碳化成型密度为0.7 kg/dm3以上的清洁燃料, 不仅储存、运输、使用方便, 而且清洁环保, 燃烧效率高, 既可作为农村居民的炊事和取暖燃料, 也可作为城市分散供热的燃料。其特点是:
(1) 可再生性。生物质属可再生资源, 生物质能由于通过植物的光合作用可以再生, 与风能、太阳能等同属可再生能源, 资源丰富, 可保证能源的永续利用。
(2) 低污染性。生物质的硫含量、氮含量低, 燃烧过程中生成的SOx、NOx较少, 初步计算, 为煤炭排放量的1/20。生物质作为燃料时, 排放的二氧化碳相当于其在生长时吸收的二氧化碳的量, 因而对大气的二氧化碳净排放量按照国际惯例为零排放, 可有效地减轻温室效应。
(3) 广泛分布性。生物质燃料的原料随处可见, 缺乏煤炭的地域, 可充分利用生物质能。
(4) 生物质燃料总量十分丰富。生物质能是世界第四大能源, 仅次于煤炭、石油和天然气。
2 生物质固化成型燃料的生产方式和基本性能
目前主要是通过生物质成型设备把含水率10%～30%的秸秆等, 通过揉丝、粉碎等方式进行前期处理后再压制成型, 代替燃煤作为燃料使用。不同的秸秆成型最佳点不同, 即成型湿度点不同, 一般含水率为18%～22%, 锯末、麦草、芦苇、麦壳、稻壳是较难成型的生物质。锯末是因为不同种锯沫的混杂, 其木质素在木材切割过程中析出, 导致含量下降造成的, 因此压制时基准含水率仅在13%～16%, 很难掌握, 压制成型后密度均在0.9 kg/dm3以上;麦草等因为蜡质层封闭木质素的析出, 硅含量高, 导致难以压制, 一般采用回性脱蜡法可解决。目前个别采用生石灰、粘合剂等化学物质增加粘合成形效果的做法, 已经失去绿色清洁能源的意义。
(1) 秸秆燃料成型后的主要技术参数。密度0.70～1.40 kg/dm3, 灰分1%～20%, 水分≤15%。热值14 226～18 828kJ/kg, 秸秆成型燃料块的热值因秸秆的种类差异而不同。以玉米秸秆为例:热值约为标准煤的0.7～0.8倍, 即1.25 t的玉米秸秆成型燃料块相当于1 t煤的热值, 玉米秸秆成型燃料块在配套的下燃式生物质燃烧炉中燃烧, 其燃烧效率是燃煤锅炉的1.3～1.5倍, 因此1 t玉米秸秆成型燃料块的热量利用率与1 t煤的热量利用率相当。
(2) 秸秆压块燃烧后的废气排放。CO零排放, NO214 mg/m3 (微量) , SO246 mg/m3, 远低于国家标准, 可忽略不计;烟尘低于127 mg/m3, 远低于国家标准。
(3) 燃煤锅炉可以直接使用生物质成型燃料。生物质燃料燃烧排放物完全符合环保标准, 是国家相关部门认可的现代化清洁能源, 通过使用不同形式的锅炉试验表明, 现有的燃煤锅炉完全适应生物质燃料。
(4) 生物质燃料燃烧后的灰分处理。生物质燃料燃尽率可达96%, 剩余4%的灰分可以回收做钾肥, 实现了“秸秆-燃料-肥料”的有效循环。
(5) 生物质燃料的特点。生物质成型燃料挥发份高, 易析出, 碳活性好, 易燃, 灰分少, 点火快, 更加节约燃料, 降低使用成本。
3 生物质秸秆固化成型设备的开发研究和技术对比
生物质燃料固化成型技术是生物质成型燃料产业化的核心。生物质成型技术是指在一定温度与压力作用下, 将分散的、形状各异的生物质原料压制成密度较大的、具有各种规格的成型燃料的高新技术。该技术在我国起步较晚, 使用的原料主要以农作物秸秆为主。生物质固化成型设备的开发利用主要是为了满足生物质固化成型加工生产的需要, 其技术的研究核心是秸秆的适应性和生产的可靠性, 其技术及发展进程决定着生物质固化成型行业的稳定发展及健康发展, 必须尽快跨入世界先进行列, 被人们所认识, 被社会所接受。
3.1 生物质固化成型设备
按照生产方式分为颗粒压制成型设备和块状压制成型设备, 两者对比见表1。目前块状压制成型设备逐渐被用户认识和接受, 更适合生物质固化成型燃料生产的需要。
3.2 我国行业推广和市场应用的成型设备
从机械性能和构造原理上划分主要包括螺旋挤压式成型机、机械活塞冲压式成型机、环模辊压式和液压活塞冲压式成型机四种;外观上又区分为平模机、环模立式、环模卧式 (环模平放) 生物质成型设备等。
螺旋挤压成型机、机械活塞成型机与液压活塞成型机总体看起步较早, 渐近成熟, 但生产效率低, 能耗较高, 其实际生产率在100～300 kg/h, 主要工作部件寿命低, 难以适应工业化生产;平模机、环模机起步较晚, 发展较快, 占据了行业市场较高份额, 主要工作部件寿命长, 符合工业化发展趋势;从技术指标来看, 平模机、环模辊压式成型机生产率高, 生产成本低, 有一定技术含量, 配有热处理工艺, 成形效果好, 适合规模化工厂生产, 已被生产企业广泛使用。现将平模和环模两种形式做一比较:
(1) 在使用方式上, 环模机主机转速一般为125～190 hn/min, 喂入量大, 工作效率稳定, 产量高, 耗电少, 生产密度具有可调性;而平模机由于其转速低于环模机等原因, 一般为120 hn/min左右, 其产量小于环模机, 由于其压轮与模具间配合间隙为稳定安装, 压制密度大, 不能调整, 一定条件下满足不了多方面需要。平模机虽具有结构优势, 但产能较低, 若需要产能在600 kg/h以上的设备, 使用环模机乃是最佳选择。
(2) 在机械结构上, 环模机压轮与模具一般不直接接触, 减少了硬性摩擦, 因此生物质固化成型设备的主要易损件相对使用寿命较长, 而平模机结构简单, 制造技术低, 易生产, 但压轮与模具多硬性接触, 损耗大。
(3) 在工作形式上, 平模机物料自身重量垂直进入压制室, 环模机物料采用机械强迫进料, 高速旋转离心分布进入离心制粒室。因此环模立式相对增加了机械动力损耗, 加大了机械使用动力, 但目前环模卧式基本解决了这项技术难题。
3.3 环模卧式的特点
(1) 结构简单, 便于维修调整, 调整用时是同类机型的1/5。
(2) 能耗低。在相同条件下 (同密度、水分、生产率) 比同类机型耗能低30%。
(3) 适应面宽。该设备可以适应多种类固体有机物使其致密压缩成型, 特别是水分的要求, 比同类机型高5%。
(4) 成型密度大, 生产率高, 已进入产业化批量生产。其他类别产品同级技术尚属样品试制阶段。
(5) 与其他类型固化成型机比, 该设备具有生产成本低、生产效率高、对作业环境的适应性强等明显优势。
综合比较, 环模卧式是目前较为理想的选择性设备。
4 目前生物质成型设备市场现状
(1) 设备机组可靠性能较差。目前, 成型设备的可靠性是成型燃料产业化的主要制约因素, 包括主要工作部件的工作寿命短, 设备系统配合协调能力差, 运行不稳定等。比如, 技术比较成熟的螺杆挤压式成型机, 其螺杆磨损寿命不足100 h。尽管国内不少厂家及科研单位对此进行了研究, 一定程度上提高了成型部件的耐磨性, 有的部件寿命已达到500 h, 但其成本较高, 生产工艺复杂。即使从国外进口的此类成型机组, 也存在同样的问题。总之, 目前国内生物质成型机普遍生产能力偏低, 单位能耗过大, 成型设备的工作可靠性差, 仍需要大量的科技投入, 以进行技术创新与技术改进。自20世纪80年代以来, 我国的生物质成型技术开发与研究已经取得了较大的发展, 全国研究生产成型设备的企业或科研单位已有数十家。中国生物质成型燃料产业化雏形正在形成, 但是, 要使之走向成熟, 真正实现产业化, 还需要克服一些制约因素, 解决一些技术障碍。
(2) 成型设备适应范围小, 规范标准不统一。国内外相关研究机构众多, 但是并没有形成统一的理论体系和标准体系。现有成型机械 (系统) 千差万别, 适用范围受到局限。比如, 不同成型机械对原料的粒度和含水率要求各不相同。成型技术的研究与应用受当地资源的影响, 也受技术本身的局限, 不易形成统一的设计标准与规范, 因此现有成型设备往往很难适用于形态多样的原料。
(3) 设备连续运行能力低。由于原料的供应受季节、成本、运输半径等影响, 难以满足连续生产的需求, 设备只好间歇工作, 一年中有多半时间处于闲置状态, 导致资源浪费, 设备自然损耗严重, 增加了设备回收年限。若要满足设备连续生产, 一要扩大运输半径, 二要加大储备仓库, 这两种方法都会导致投资增加。最好的方法是设备具有广泛的适应性, 对原料“不挑剔”, 这样才可以最大限度地减少额外的投资。另外, 由于关键技术与关键材料不过关, 使得设备运行不稳定, 故障率较高, 维修频繁, 影响连续生产。
5 建议
目前生物质燃料加工市场混乱, 成型燃料加工企业选择生物质固化成型设备, 应注意以下几点:
(1) 选择正规生产厂家。
(2) 成型密度达到0.7以上, 成形效果达到85%以上方能适应各项需要。
(3) 能耗低, 生产效率高, 能够保持连续作业, 压制成型过程中不能添加任何添加剂, 包括白石灰等。
(4) 堵机现象每百小时不超2%, 平均生产能力与主机动力比高于20。
(6) 生产条件要求简单, 易学习, 易操作。
生物质成型设备 篇4
生物质是生物质资源的重要组成部分,具有种类多、数量大、可再生等特点。生物质能作为第4大能源资源,在可再生能源中占有重要地位。但是,作为一种散抛型低容重的能源形式,生物质能具有资源分散、能量密度低、容重小、储运不方便等缺点,严重地制约了生物质能的大规模应用。而生物质压缩成型技术是生物质能的一种简单、实用、高效的利用形式,为高效利用农林废弃物、农作物秸秆提供了一条新的途径。其既可以补充常规能源的短缺,又具有重大的环境效益[1,2]。
生物质成型技术,就是将各类生物质废弃物,如秸秆、稻壳、锯末、木屑等,采用机械加压(加热或者不加热)方法,使原分散、无定形的原料压缩成具有一定形状、密度较大的固体成型燃料[3]。生物质在挤压成型后,密度可达0.8~1.3kg/m3,能量密度与中值煤相当,成型燃料的燃烧特性较成型前有明显改善,且储存、运输、使用方便,干净卫生,可代替矿物能源应用于生产和生活领域[4]。
1 国内外研究现状
1.1 国外情况
早在20世纪30年代,美国就开始研究压缩成型燃料技术,并研制了螺旋式成型机,能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料[5,6]。日本从20世纪50年代开始从国外引进技术后进行了改进,并发展成为日本压缩成型燃料的工业体系。到1987年,有十几个颗粒成型工厂投入运行,年产生物质颗粒燃料十几万t[7,8]。国外生物质成型的主要方式有4种,即颗粒成型机、螺杆连续挤压成型机、机械驱动冲压式成型机和液压驱动冲压式成型机[9,10]。
1.2 国内情况
我国生物质能的传统利用方式是不加转化而直接燃烧,因此生物质致密成型技术的研究、开发起步较晚,与国外相比具有一定的差距,20世纪70年代末还主要是原始的直接燃烧方式,80年代初引起各级政府和有关部门的重视。“七五”末、“八五”初,林业部林产化工所、西北农业大学等高等院校、科研院所和生产部门对螺杆挤出成型技术进行了较深入的研究并取得了可喜的成果。“八五”期间,作为国家重点攻关项目,中国农机院能源动力研究所、中国林业科学院林产化工所、中国农业工程研究设计院等,对生物质冲压挤压式压块技术装置进行了攻关,推进了我国的研究工作[11]。随着生物质致密技术和炭化技术的研究成果的出现,我国生物质致密成型产业也有了一定的发展。20世纪90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技术,创办生产企业,全国先后40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[12,13]。
2 生物质成型燃料的物理品质
由于生物质的种类和成分不同,特别是受加工工艺的影响,其成型燃料的品质有很大的差异。在生物质成型燃料的各种品质中,除燃烧特性外,成型块的物理特性是最重要的品质特性,它直接决定了成型块的使用要求、运输要求和贮藏条件;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[14,15]。
2.1 松弛密度
压缩密度是指模内物料在最终压力时的压缩密度。生物质成型块在出模后,由于弹性变形和应力松弛,其密度逐渐减小,一定时间后密度趋于稳定,此时成型块的密度称为松弛密度。松弛密度是决定成型物理性能和燃烧性能的一个重要指标,它要比模内的最终压缩密度小,通常采用无量纲参数—松弛比,即模内物料的最大压缩密度与松弛密度的比值描述成型块的松弛程度[14]。
一般来说,提高成型燃料的松弛密度有两种途径:一是采用适宜的压缩时间控制成型块在模具内压缩时的应力松弛和弹性变形,阻止成型出模后压缩密度的减小趋势;二是将生物质原料粉碎,尽可能减小粒度,并适当提高生物质压缩成型的压力、温度或添加粘结剂,最大限度地降低成型块内部的空隙率,增强结合力。
2.2 耐久性
耐久性反映了成型块的粘结性能,它是由成型块的压缩条件及松弛密度决定的,耐久性作为表示成型块品质的一个重要特性,主要体现在成型块的不同使用性能和贮藏性能方面,而仅仅通过单一的松弛密度无法全面、直接地反映出成型块在使用方面的差异性。因此,耐久性又具体细化为抗变形性、抗跌碎性、抗滚碎性、抗渗水性和抗吸湿性等几项指标,通过不同试验方法检验成型块粘结强度的大小,并采用不同的指标来表示各项性能。
3 生物质压缩成型技术
3.1 生物质压缩成型原理
生物质含有纤维素、半纤维素和木质素(或称木素)。木素是一类以苯丙烷单体为骨架,具有网状结构的高分子化合物,在适当温度下会软化,此时加以一定的压力可使木素与相邻颗粒胶接,冷却后即可压缩成型。生物质致密成型技术就是利用生物质的这种特性,用成型机将松散的生物质原料在高压条件下,依靠机械与生物质之间及其生物质相互之间摩擦产生的热量或外部加热,使木素软化,经压缩成型得到具有一定形状和规格的新型燃料。
3.2 生物质燃料压缩成型的影响因素
影响生物质压缩成型的主要有:原料种类、含水率、粒度、成型压力、模具的形状尺寸、加热温度等。这些影响因素在不同的压缩工艺条件下的表现形式也不尽相同。
3.2.1 原料的种类
不同种类的原料,其压缩成型特性有很大不同,原料的种类不仅影响成型的质量,如密度、强度、热值等,而且还影响生产效率以及动力消耗。
3.2.2 原料的粒度
原料的粒度影响成型块的质量,也影响生产效率和动力消耗。一般来说,粒度小的原料容易压缩,粒度大的原料较难压缩。
3.2.3 原料的含水率
原料的含水率过高或过低都不能很好地成型。过高时,加热过程中产生的蒸汽不能排出,制品表面非常粗糙;过低时,成型困难。一般来说,对于颗粒成型燃料,要求含水率在15%~25%,对于棒状成型,要求含水率不大于10%。
3.2.4 成型压力与模具尺寸
成型压力是生物质压缩成型最基本的条件。只有压力足够,原料才能成型,但成型压力与模具的形状尺寸有密切关系。一般来说,压力较小时,密度随压力增加而增加的幅度较大。当压力增加到一定值以后,成型块的密度增加变得缓慢。
3.2.5 加热温度
加热温度影响原料的成型,也影响生产效率。一般来说,加热温度调整在150°~300℃。温度过低,不但原料不能成型,而且功耗增加;温度过高,电机功耗减小,导致成型压力减小,成形块压缩不实,密度变小。
3.3 成型工艺
根据主要工艺特征的差别,可以从广义上将生物质压缩成型工艺划分为湿压成型、热压成型和炭化成型3种主要形式,如图1所示。
3.3.1 冷压成型
冷压成型又称湿压成型,常用于含水量较高的原料。原料在常温下,浸泡数日水解处理后,其压缩成型特性明显改善,纤维变软、湿润皱裂并部分降解,易于压缩成型。
根据模压装置结构,常温模压成型又可分为“闭式”和“开式”两种压缩成型方法。“闭式”是一个完全封闭的压缩系统,压缩成型后再取出试件;“开式”则是从进料口进料,然后通过机械机构如螺旋杆、活塞传递碎料,在出口处挤压成型[16]。当然,模压成型装置有的安装加热装置即可应用于秸秆热压成型工艺。
3.3.2 热压成型
热压成型是目前普遍采用的致密成型工艺。其工艺流程为:原料粉碎→干燥→混合→压缩成型→冷却→包装。
这种工艺采用的是在一定温度条件下将生物质原料压缩成型,根据热压成型过程中,是否将成品燃料炭化,又分为炭化和不炭化成型;根据原料被加热的部位的不同,可将这一工艺划为两类:一类是原料只在成型部位被加热,称“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“预热热压成型工艺”[17]。
3.3.3 炭化成型
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;一类是先炭化后成型。
1)先成型后炭化工艺。工艺流程为:原料→粉碎干燥→成型→炭化→冷却包装。先用压缩成型机将松散碎细的植物废料压缩成具有一定密度和形状的燃料棒,然后用炭化炉将燃料棒炭化成木炭。
2)先炭化后成型工艺。工艺流程为:原料→粉碎除杂→炭化→混合粘结剂→挤压成型→成品干燥→包装。先将生物质原料炭化成粉粒状木炭,然后再添加一定量的粘结剂,用压缩成型机挤压成一定规格和形状的成品木炭。
4 存在问题及建议
我国自20世纪80年代引进生物质成型技术并开始研究开发,目前已初具规模。但是,在其推广应用中仍然存在着一系列问题,归纳如下:
1)机组可靠性较差,易损件使用寿命短,维修和更换不便,导致设备不能连续生产,只能断续小量生产,影响了产量和效益。因此,应从原理和机理上进行突破,研制和开发新构思、新结构的新一代生物质致密成型机。
2)国内的成型设备生产能力偏低,单位产品能耗过大。从提高生产率和降低能耗来看,应加强颗粒成型燃料的研究与开发力度,使其能够尽快地进入市场。
生物质压块成型技术应用 篇5
关键词：生物质,压块,技术应用
1 生物质压块成型的应用特点
生物质压块成型后, 体积缩小20~30倍, 密度可达到1 t/m3左右, 含水量在20%以下, 便于贮存和运输, 可作为生物质成型燃料, 广泛用于民用炊事炉、取暖炉、生物质气化炉、锅炉及生物质发电厂等。生物质成型燃料热性能优于木材, 单位体积发热量与中质煤相当, 热值可达16 000 k J/kg, 并可实现温室气体二氧化碳的“零”排放。因为生物质成型燃料的能量来源于自然界光合作用, 固定于植物上的太阳能, 其燃烧时所释放的二氧化碳来自于植物的生长, 是对自然界二氧化碳的吸收, 所以, 生物质成型燃料是具有二氧化碳生态“零”排放的特点。而煤炭的燃烧使用, 则会不断增加大气中的二氧化碳含量, 致使地球温室效应进一步加剧。以植物为原料生产的生物质压块成型燃料, 固定碳含量为15.99%、硫含量为0.05%、氮含水量为0.14%。因此, 生物质压块成型燃料是良好的低碳燃料, 而且硫、氮含量较低, 燃烧生成的污染物少, 不需要脱硫设备就可实现二氧化硫减排, 采用简单的除尘装置就可以实现粉尘排放达标。为此, 生物质成型燃料的应用符合“降低碳排放, 减少环境污染”国际标准要求。
2 生物质压块成型燃料技术方法
生物质压块成型技术是把农林废弃物 (农作物秸秆、稻壳、树枝、树皮、锯屑等) 粉碎及干燥后, 原料含水率控制在20%左右, 在一定的压力作用下 (加热或不加热) 可连续挤压制成棒状、粒状、块状等各种成型燃料的加工技术方法。农林废弃物主要由纤维素、半纤维素和木质素组成, 木质素是光合作用形成的天燃聚合体, 具有复杂的三维结构, 是高分子物质, 在植物中含量约为15%~30%, 当温度达到70~100℃时, 木质素开始软化, 并产生一定的黏度, 生物质压块成型燃料主要是利用木质素的胶黏作用, 当把温度提高到100~200℃时, 生物质呈熔融状, 黏度变高, 此时增加一定的压力, 可使它与纤维素紧密黏结, 使植物体积大量减少, 密度显著增加, 取消压力后, 由于非弹性的纤维分子间相互缠绕, 其仍能保持压制形状, 待冷却后强度进一步增加, 成为成型燃料。
生物质压块成型燃料的生产工艺过程一般分为原料粉碎、干燥、挤压、加热几个环节。当原料进入压块成型室后, 在压辊和压模的转动作用下, 物料进入压模与压辊之间, 然后被挤入成型孔 (压力在15~30 MPa) , 从成型孔挤出的原料被挤压成型, 压制出颗粒状或块状成型燃料。
3 生物质压块技术成熟情况
我国于20世纪80年代开始引进研究生物质压块成型设备, 目前, 已成功研制了压辊式、螺旋挤压式和活塞冲压式颗粒成型机, 近年来压辊式发展速度较快, 应用较多, 压辊式成型机又分为环模成型机和平模成型机。几年前, 由于玉米秸秆含糖分多、粘性大、易成型, 生物质压块成型设备大多用于压制玉米秸秆。近年来, 因压制水稻、小麦秸秆和锯屑需要, 江苏省的农机研究部门和一部分生物质压块机生产企业开始研制适应性强的机型, 即在河南、河北等压辊式成型机的基础上, 改进设计了平模式生物质压块机和环模平放式生物质压块机, 经市场应用表明, 该两类机型可适应于压制小麦、水稻、玉米等农作物秸秆和锯屑等难以成型的物料, 在使用效率、工作可靠性、耗能等技术方面都有了较大的提高, 其该项技术基本成熟, 可广泛用于生物质压块生产中。
4 应用效益
使用效益:以徐州万国生物能源科技有限公司生产的9SYH-1600型生物质压块机为例, 每台售价14万元, 配套动力为55 k W电动机, 平均生产率为1.5 t/h, 平均秸秆收购价为150元/t左右, 加工成秸秆块后售价400元/t左右, 在压块过程中, 每加工1 t生物质秸秆块需人工、电费、维修、折旧、管理费约需150元, 即加工生物质块可创收100元/t, 每台压块机每年按工作200 d计算, 每天工作8 h, 1 h生产1.5 t, 即每年可压块2 400 t, 一台机器一年可创收24万元, 购机户当年可收回投资成本, 并取得一定的经济效益。
生物质成型燃料研究现状及进展 篇6
长期以来,石油、天然气、煤炭等化石燃料一直是人类消耗的主要能源,并为人类经济的繁荣、社会的进步和生活水平的提高做出了很大的贡献。但是,由于煤、石油和天然气等矿物资源是不可再生的, 资源是有限的,正面临着逐渐枯竭的危险,因此它们不是人类所能长久依赖的理想资源。再者目前地球所面临的环境危机直接或间接的与矿物燃料的加工和使用有关,这些矿物燃料燃烧后放出大量的CO2、SO2、NOx被认为是形成大气环境污染、产生酸雨以及温室气体等地区性环境问题的根源。
我国是一个农业大国,生物质能资源十分丰富,仅农作物秸秆折合7亿t左右,而目前年实际使用量仅为2.2亿t左右。因此,我国的生物质资源的利用还有很大的开发潜力[1]。生物质能在我国商业用能结构所占的比例极小。植物约有一半弃于荒野未能利用甚至焚烧,不但利用水平低,造成资源的严重浪费,且污染环境。所以充分合理开发使用生物质能,改善我国的能源利用环境和人类的生态环境,加大生物质能源的高品位利用具有重要的意义。
生物质燃料可分为气化燃料、液化燃料及固化燃料。目前,在技术经济上最为可行的生物质能利用技术就是固化——即生物质能致密成型燃料技术。
生物质成型燃料的优点:
1.1 清洁燃烧
(1)飞灰极少。生物质灰分一般少于3%(稻壳等除外),从而简化了燃烧装置的除灰设备。
(2)生物质成型燃料最主要燃烧成分是挥发分,一般含量在70%~80%以上,烟尘产生很少,不冒黑烟。
(3)生物质的燃烧通常不会影响自然界碳的自然循环,即使不燃烧利用、不烧荒,生物质也会在自然消化过程中放出CO2。因此,生物质能的排碳量不会超出其生长期间所吸收的碳量,从而实现CO2的零排放。
(4)生物质本身N含量比煤少得多,这对于减少NOx的生成非常有利。
(5)燃烧中SOx排放量较少。生物质含硫量一般少于0.1%,不需要烟气脱硫装置,从而降低了成本,又有利环境保护。
(6)降低重金属污染物的排放。研究表明,煤中含有多种微量元素,如:As、Hg、V、Pb、Zn、Se、Co、Ni、Cr等,其中许多是有毒、有害的重金属元素。而生物质中基本不含重金属。
1.2 优良的经济性
(1)我国生物质资源丰富,价格低廉,用生物质作燃料,降低了原材料的成本。
(2)燃烧充分,燃尽度高,因不完全燃烧造成的浪费降低。
(3)利用生物质纤维的网络连结作用,可以显著提高生物质成型燃料的强度,从而省去粘结剂的使用;也没有后续烘干工序,因此能大大降低加工成本。
1.3 着火燃烧性能好
玉米秸秆等燃点较低的生物质,挥发分远高于原煤,着火性比煤好,易于点火,即使量少、燃烧强度弱,也不会造成灭火,提高了着火性能。
1.4 配套工艺设备较齐全
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致密成型技术。目前世界各地的成型燃料主要有两种:压块(Briquette)和颗粒(Pellet)成型机。根据成型原理的不同成型机可分为:活塞成型机(Piston press)、螺旋式成型机(Extruder press)、模压颗粒成型机(Matrix pellet press)和卷扭式成型机(Twist press)。
2 生物质成型燃料的发展概况
2.1 国外生物质成型燃料及燃烧设备发展现状
随着社会经济的发展与人们生活水平的提高,木材下脚料、植物秸秆的剩余量越来越大,由于这些废弃物都是密度小、体积膨松,大量堆积,销毁处理不但需要一定的人力、物力,且污染环境,因此世界各国都在探索解决这一问题的有效途径[2]。
美国在20世纪30年代就开始研究压缩成型燃料技术及燃烧技术,并研制了螺旋压缩机及相应的燃烧设备,现有9个生产能力250 t/d的生产厂,另有6个州兴建了日产量为300 t的树皮成型燃料加工厂及较多的专业燃烧设备厂[3]。日本在20世纪30年代开始研究机械活塞式成型技术处理木材废弃物,1954年研制成棒状燃料成型机及相关的燃烧设备,1983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。到1987年有十几个颗粒成型工厂投入运行,年产生物颗粒燃料十几万吨,并相继建立了一批专业燃烧设备厂[4],70年代后期,由于出现世界能源危机,石油价格上涨,西欧许多国家如芬兰、比利时、法国、德国、意大利等国家也开始重视压缩成型技术及燃烧技术的研究,各国先后有了各类成型机及配套的燃烧设备。法国近年来也开始研究压缩块燃料及燃烧设备,并达到了应用阶段。比利时研制成功的“T117"螺旋压块机。联邦德国KAHL系列压粒机及块状燃料炉已经投入使用。意大利的阿基普公司开发出一种类似与玉米联合收割机那样的大型秸秆收获、致密成型的大型机械,能够在田间将秸秆收割、切碎、榨汁、烘干、成型,生产出瓦棱状固体成型燃料,并研制出简易型燃烧炉具[5,6]。
20世纪80年代,亚洲除日本外,泰国、印度、菲律宾、韩国、马来西亚已建了不少固化、碳化专业生产厂,并已研制出相关的燃烧设备。国外成型的主要设备有颗粒成型机(Pellet press),螺旋式成型机(Extruder press)、机械驱动冲压成型机(Piston presses with mechanical drive)和液压驱动冲压式成型机(Piston presses with hydraulic drive)[7]。
20世纪90年代日本、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。按其规范可分为:小型炉、大型锅炉和热电联产锅炉(Small scale, Large boilers, Combined heat and power boilers)。按用途与燃料品种可分为:木材炉、壁炉、颗粒燃料炉、薪柴锅炉、木片锅炉、颗粒燃料锅炉、秸秆锅炉、其它燃料锅炉(Wood stoves, Fireplaces, Pellet stoves, Boilers for wood chips、Boilers for pellets and grain、Boilers for straw Boilers for other fuels)。按燃烧形式可分为:片烧炉、捆烧炉、颗粒层燃炉等(Chip-fired boilers or cutting string-fired boilers, Batch-fired boilers or small bale-fired boilers, Pellet-fired boilers etc)[8,9,10]。这些国家生物质成型燃料燃烧设备具有加工工艺合理、专业化程度高、操作自动化程度好、热效率高、排烟污染小等优点。但相对与我国存在着价格高、使用燃料品种单一、易结渣、电耗高等缺点,不适合引进我国。东南亚一些国家生物质成型燃料燃烧设备大多数为碳化炉与焦碳燃烧炉,直接燃用生物质成型燃料的设备较少,同时这些燃烧设备存在着加工工艺差、专业化程度低、热效率低、排烟污染严重、劳动强度大等缺点,燃烧设备还未定型,还需进一步的研究、实验与开发。这些国家生物质成型燃料燃烧设备也不适合引进我国。随着全球性大气污染的进一步加剧,减少CO2等有害气体净排放量已成为世界各国解决能源与环境问题的焦点。由于生物质成型燃料燃烧CO2的净排放量基本为0,NOx排放量仅为燃煤的1/5,SO2的排放量仅为燃煤的1/10,因此生物质成型燃料直接燃用是世界范围内解决生物质高效、洁净化利用的一个有效途径。
2.2 我国生物质成型燃料及燃烧设备发展现状
我国成型燃料开发研究工作起步较晚,从20世纪80年代,由于能源危机,生物压块作为一种可再生能源得到人们的重视,便开始对生物质固化成型燃料进行研究。“七五”期间,中国林业科学院林产化工所通过对引进的样机消化吸收,系统地进行了成型工艺条件实验,完成了木质成型设备的试制,并建成了年产1 000 t棒状燃料生产线。其后西北农业大学对该技术的工艺做了进一步的研究和探讨。先后研制出了X-7.5,JX-11,SZJ-80A三种型号的秸秆燃料成型机。“八五”期间,作为国家重点攻关项目,中国农机院能源动力研究所,辽宁省能源研究所、中国林业科学院林产化工所、中国农业工程研究设计院,对生物质冲压挤压式压块技术装置进行了攻关,推进了我国对固化成型研究工作。随着生物质致密技术和碳化技术的研究成果出现,我国生物质致密成型产业也有一定的发展。20世纪90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40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。我国发展的压缩成型机可分为2种:螺旋挤压式成型(Extruder)和液压冲压式成型机(Piston presses with hydraulic drive),国内螺旋挤压成型机在运行的曾有800多台,单台生产能力多在100~200 kg/h之间,电机功率7.5~18 kW,电加热功率2~4 kW,生产的成型燃料多为棒状,直径为50~70 mm,单位产品电耗70~100 kWh/t[11,12,13]。但目前有部分产品由于多方面因素影响而停产了。由此可看出国产成型加工设备在引进及设计制造过程中都不同程度地存在这样或那样的技术与工艺方面的问题。螺旋挤压设备磨损严重,寿命短(60~80 h),耗电高,成型设备单台生产率低,仅为100~980 kg/h,规模小,不能满足商业化的要求。对秸秆压缩成型基础理论方面的研究很薄弱,无法满足生物质压缩成型设备开发与生产的需要。对秸秆成型燃料燃烧理论及燃烧特性方面的研究不够深入,先进的秸秆成型燃料专用燃烧设备少,限制了秸秆成型燃料的大量生产,严重制约了秸秆成型行业的发展。这就有待于人们去深入研究、开发,逐渐解决秸秆在成型方面的问题。
我国秸秆成型原料丰富,成型后的燃料具有体积小,密度大,储运方便,成型燃料致密,无碎屑飞扬,使用方便、卫生,燃烧持续稳定,燃烧效率高的特点。燃烧后,灰渣及烟气中污染物含量小,是清洁能源,有利于环境保护,因此生物质成型燃料是高效洁净能源,可替代矿物能源用于生产与生活领域。成型燃料的竞争力也会随着矿物能源价格上涨,对环境污染程度增加及生物质成型燃料技术水平提高、规模增大、成本降低而不断增强。在我国未来的能源消耗中将占有越来越大的比重,应用领域及范围也逐步扩大。
对生物质成型燃料燃烧的理论研究和技术研究是推动生物质成型燃料推广应用的一个重要因素。目前我国对秸秆成型燃料燃烧所进行的理论研究很少,对生物质成型燃烧的点火理论、燃烧机理、动力学特性、空气动力场、结渣特性及确定燃烧设备主要设计参数的研究才刚刚开始。关于生物质成型燃料特别是秸秆成型燃料燃烧设备设计与开发几乎是个空白。20世纪以来北京万发炉业中心从欧洲(荷兰、比利时)引进、吸收、消化生物质颗粒微型炉(壁炉、水暖炉、炊事炉具)。这些炉具适应燃料范围窄,只适用木材制成的颗粒成型燃料,而不适合于以秸秆、野草为原料的成型燃料,原因是秸秆、野草中含有较多的K、Ca、Fe、Si、Al等成分,极易形成结渣而影响燃烧。这些炉具不适合中国国情。在我国,一些单位为燃用生物质成型燃料,在未弄清生物质成型燃料燃烧理论及设计参数的情况下,盲目把原有的燃烧设备改为生物质成型燃料燃烧设备,但改造后的燃烧设备仍存在着空气流动场分布、炉膛温度场分布、浓度场分布、过量空气系数大小、受热面布置等不合理现象,严重影响了生物质成型燃料燃烧正常速度与工作状况。致使改造后的燃烧设备存在着热效率低,排烟中的污染物含量高,易结渣等问题[14,15,16]。
为了使生物质成型燃料能稳定、充分燃烧, 根据生物质成型燃料燃烧理论、规律及主要设计参数重新设计与研究生物质成型燃料专用燃烧设备是非常重要的,也是非常紧迫的。
2006年至今,吉林大学承担了吉林省重大科技发展计划有关生物质成型燃料及锅炉的研究项目。对生物质成型燃料的理化特性、燃烧特性、排放特性及成型规律等基础性研究做了大量工作,研究成果具有一定的创新性和实用性。吉林大学研制出气化燃烧换热一体化生物质锅炉,经吉林省能源利用检测中心热工检测和吉林省环保产品质量检验站环保测试的结果表明,样机各项指标已超过国内其它类型生物质锅炉的指标。
3 发展生物质成型燃料的前景
中国是当今世界燃煤工业锅炉生产和使用最多的国家。工业锅炉总量已超过50万台120万蒸吨,每年燃用全国原煤产量的1/3。燃煤使工业锅炉的热效率降低,而且造成对环境的严重污染。据统计:我国每年排入大气的污染物中,80%的CO2、79%的尘埃、87%的SO2、69%的NOx来源于煤的直接燃烧。针对这种状况,为了提高锅炉热效率和减少污染排放,在改进工业锅炉及配套产品结构的同时,应同时改变工业锅炉长期燃用原煤的状况,而发展和推广洁净生物质成型燃料是经济而有效的途径。
国家大力支持发展生物质能源,2005年颁布了《中华人民共和国可再生能源法》,2007年农业部发布了《农业生物质能产业发展规划》。《中共中央国务院关于积极发展现代农业扎实推进社会主义新农村建设的若干意见》提出,“以生物能源、生物基产品和生物质原料为主要内容的生物质产业,是拓展农业功能、促进资源利用的朝阳产业”。生物质成型燃料技术是生物质能源推广应用中的最经济可行的技术之一,符合国家的能源政策和环保政策,前景十分广阔。
生物质成型设备 篇7
关键词：生物质,固体成型,振动,压缩
0引言
能源是人类社会进步的重要基础, 生物质能作为可再生能源之一, 具有来源广、产量大、可储存、二氧化碳零排放等优点, 受到了世界各国普遍关注。原始生物质的特点是松散、能量密度低, 以及收集、储存、 运输困难, 制约了生物质能的推广利用[1-4]。目前, 普遍采用的方法是将其压缩成固体燃料。由于生物质是粘弹性物料, 一次压缩完物料的弹性恢复, 在下次压缩时仍然要消耗部分压缩功, 造成压缩设备的耗能偏高、生产率低等问题, 导致生物质固体燃料前期能量投入和加工成本大[5-8]。本文利用振动压实、减摩、 增加物料流动性等原理[9 - 12], 设计生物质振动压缩固体成型试验系统, 并进行初步的验证试验, 为优化现有生物质成型设备、解决生物质固体成型行业存在的问题探索新途径。
1试验系统的设计
1. 1总体设计
在现有活塞式压缩试验装置基础上, 将压缩活塞和模具分别引入振动, 设计了液压传动装置及控制系统、气压传动装置及控制系统、数据采集分析系统, 组成生物质振动压缩固体成型试验系统, 如图1所示。
1. 2工作原理
系统连接上电后, 首先将待压缩的生物质燃料称重, 控制每次喂入压缩室的物料量一定; 然后打开气压源及控制系统, 给激振器提供0. 4MPa的气体, 并在试验过程中始终保持气压值不变, 激振器将以一定的频率带动活塞或模具做往复振动; 最后打开液压控制系统, 液压油推动振动的压缩活塞以3mm /s的速度对压缩室内的燃料进行压缩, 调整液压系统中的溢流阀, 使液压系统的额定压力值为8MPa。在压缩过程中, 通过高速USB接口的DAQ数据采集卡对压力与位移等模拟电压信号进行采集, 并传输给上位机数据测量分析系统; 数据测量分析系统按照设置的相关参数对数据进行实时校正、分析和处理, 并实时绘制位移和压力变化曲线, 同时将数据存储到测量文件中。
2硬件控制系统设计
2. 1传感器选型
为了研究振动对生物质压缩过程中的压缩特性和功耗的影响, 需要测试压缩过程中的压缩力和物料被压缩程度指标, 因此试验系统上要安装压力传感器和位移传感器。
选用直线位移传感器BWL -300对液压活塞的行程进行测量。该位移传感器的测量行程为0 ~ 300mm, 输出电压为0 ~ 10VDC, 重复精度0. 005mm, 线性精度最高0. 05% 。试验过程中, 滑杆与压缩活塞固定。
选用PTS503型油压变送器对压缩活塞作用在生物质上的压力进行测量。该油压变送器的量程范围为0 ~ 60MPa, 输出电压为0 ~ 5VDC, 综合精度0. 25% FS和0. 5% FS。试验过程中通过测量液压泵出口压力来间接获得压缩活塞作用在物料上的压力。
数据采集器选择NI公司的USB - 6210多功能DAQ高速数据采集模块。该模块在高采样率下也能保持高精度, 并提供了16路模拟输入 ( 16位AD转换值) 、4路数字输入线、4路数字输出线, 每通道有4个可编程输入范围 ( ± 0. 2 ~ ± 10V) , 单通道采样率250k S / s。
2. 2液压传动装置及控制系统设计
试验选择液压传动系统作为压缩装置的动力源, 液压传动装置为吉林大学生产的快速组合式液压实验台YJS-03-E。
图2为生物质固体成型试验装置的液压系统原理图。溢流阀1用来调节压缩时的最大压力; 三位四通电磁换向阀2用来控制压缩油缸4的升降运动; 单向节流阀3限制油缸活塞的运行速度, 并防止在空载或负载很小时活塞在重力作用下加速下行, 起到保护作用。
启动液压泵, 电磁换向阀2处于中位, 通过溢流阀1调节系统油压P1到设定的压力。当电磁铁1YA通电时, 压力油通过电磁换向阀2的左位进入液压缸的上腔, 液压缸活塞带动压缩活塞向下运动, 进行压缩试验。当电磁铁2YA通电时, 压力油通过电磁换向阀2的右位进入液压缸的下腔, 液压缸活塞带动压缩活塞向上运动, 完成一次压缩。
2. 3气压传动装置及控制系统设计
试验装置采用气动活塞式激振器对生物质固体成型过程施加振动, 型号为QJQ3-63, 工作压力为0. 2 ~ 0. 4MPa, 激振力1 700N, 振动频率10 ~ 40Hz。气动源为单螺杆空气压缩机OG37A, 额定气压0. 7MPa, 气动回路控制装置为自制的回路控制平台。振动经两种方式引入试验系统中, 模具轴向叠加振动和压缩活塞轴向叠加振动。
图3为生物质固体成型试验装置的气压系统原理图。气压减压阀1用来调节激振器的最大工作压力, 调速阀3和4调节气流流量, 手动换向阀2用来选择激振器5和6的工作状态。试验中, 通过调节气压减压阀1调节回路中的气压压力来控制气动激振器的工作频率及振幅。
启动空气压缩机, 手动换向阀2处于中位, 通过气压减压阀1调节气压P2到合适的压力。当手动换向阀2转到A位时, 压缩空气通过调速阀3输到激振器5, 将振动传递给压缩活塞。当手动换向阀2转到B位时, 压缩空气通过调速阀4输到激振器6, 将振动传递给成型模具。
3数据测量分析系统设计
上位机数据测量分析系统采用美国NI公司的虚拟仪器软件开发平台Lab VIEW7. 1进行设计, 采用模块化设计方法, 各模块的编写相互独立, 具有参数设置、数据采集、图形绘制、数据分析处理及存储等功能[13 - 1 4]。数据测量分析系统的软件界面和程序框图分别如图4和如图5所示。
该系统利用NI公司的DAQ数据采集卡对试验过程中的位移和油压信号进行实时采集、处理和存储等。位移传感器和油压传感器的信号输出端分别连接USB-6210 DAQ数据采集模块的第0个和第1个模拟信号采集端口, 然后通过USB接口与计算机连接, 实现与软件系统的数据通信。
软件启动前, 首先进行参数设置 ( 如图4所示) : 将采集电压的上下限分别设置成10V和-10V, 偏移量设置为0, 采样频率和串口读取速率均设置成200s / s ( 每秒钟采样点) , 扫描通道设置成0 ~ 1, 即仅扫描前两个端口; 位移传感器和油压传感器的校正方程系数需要根据所选传感器进行设置; 最后设置数据的保存路径。
软件启动后, DAQ数据采集卡会按照设置的采样速率对16个模拟通道的信号进行采集并依次上传到计算机的串口中。由于试验过程中仅连接了两路模拟信号, 所以软件系统会自动根据设置的扫描通道范围进行数据分离, 即仅将前两个通道的数据读取到软件中进行处理, 其余数据则丢弃。当采集到的数据被读入软件后, 首先按照校正参数方程对数据进行校正, 然后将校正后的位移和压力数据实时显示在波形图表中, 从而获得位移和压力在压缩过程中的变化曲线。同时, 软件系统还将校正后的数据存储到测量文件中, 供后期处理分析。
4试验验证及数据处理
为验证本试验系统, 选用粉碎的柠条为试验物料, 设定液压泵额定压力为8MPa, 对压缩活塞轴向叠加振动、成型模具轴向叠加振动和不叠加振动3种工况进行验证试验, 每一工况都按照相同的试验条件进行3次重复试验。
试验前, 用电子天平称出生物质原料的质量, 然后人工向料筒内填充物料, 液压驱动压缩活塞向下运动。在挤压过程中, 可以启动压缩活塞轴向激振器或成型模具轴向激振器, 将振动通过压缩活塞或成型模具传递给生物质原料。物料在压缩活塞和激振力的作用下通过成型模具挤压成型, 制成生物质固体成型燃料。同时, 采集相关数据, 完成1次测试。喂入1次, 压缩1次, 若干次后可形成1个生物质燃料棒。
4. 1无振动条件下试验系统的验证
液压系统达到额定压力8MPa时, 不叠加振动生物质固体成型过程的压力、位移- 时间曲线如图6所示。
从图6可以看出: 在生物质固体成型过程中的预压缩阶段 ( AB) , 由于物料在初始状态下很松散、密度很低, 压缩物料所需压力很小, 故压力上升缓慢, 但位移较大; 物料进一步被压缩, 进入固体成型段 ( BC) , 即物料被压入模具的导向收缩段, 随着成型模具截面面积的减小及物料密度的提高, 内部应力增加, 使得成型压力迅速增加, 而位移变化不大; 之后继续压缩, 此时压力不再增加、位移也基本不变, 即进入保型阶段 ( CD) , 此时压力达到设定的额定压力, 此压力用于克服物料与模具壁的摩擦力和物料内应力; 由于压缩仍在继续, 当保型一段时间后, 物料部分应力松弛, 使得压缩阻力减小后, 活塞开始推动成型燃料, 即进入挤出段 ( DE) , 此时物料与模具壁之间的摩擦由保型段的静摩擦变为了动摩擦, 并且燃料棒开始被挤出模具, 故成型压力开始下降; 压缩结束时, 活塞行程到达终点, 顶在模具底壁后返程, 所以压力突然上升后下降。
由不加振动的压力-时间、位移-时间曲线的特点可知, 本试验系统 ( 除振动系统) 能正常工作, 活塞的运动过程与的设计思路一致, 能够满足生物质固体成型的基本要求。
4. 2振动对生物质固体成型影响的验证
4. 2. 1对生产率的影响
在压缩活塞轴向叠加振动、成型模具轴向叠加振动和不叠加振动压缩的3种工况下, 压力与时间、压缩位移与时间的关系曲线图如图7和图8所示。
由图7和图8可知: 在给定试验条件下, 一个压缩周期内, 3种工况下的压力-时间、位移-时间变化曲线不同, 主要表现在保型段 ( 即液压系统达到额定压力8MPa时) , 压缩力克服物料与模具壁的摩擦力和物料内应力的时间不同, 叠加振动后的保型段所经历的时间较不叠加振动保型段时间大大缩短; 而预压缩段、固体成型段以及挤出段的变化不大。
压缩活塞轴向叠加振动、成型模具轴向叠加振动较不叠加振动的保型段明显变短, 致使整个压缩周期缩短, 由不叠加振动的80s缩短为叠加振动后的62s。 在喂入量相同条件下, 每压缩一次所需要的时间越短, 生产率越高。因此, 在相同试验条件下, 引入振动使压缩周期缩短了18s, 生产率提高。
4. 2. 2对压缩功耗的影响
液压系统为了保持压缩活塞对压缩物料的作用, 消耗的能量W为液压系统压力、额定流量以及时间3者的乘积 ( 忽略液压系统油液的泄漏及摩擦损耗) , 即W = PQt 。
由压缩曲线可知, 3种工况下的预压缩段、固体成型段以及挤出段消耗液压系统的能量基本相同。在保型段, 液压系统提供给压缩活塞的压力 ( P = 8MPa) 为试验设定值, 额定流量 ( Q = 4L /min) 是常量。由上述公式可知, 保型段消耗液压系统的能量取决于保型段的时间 ( t) 。压缩活塞轴向叠加振动、成型模具轴向叠加振动的固体成型过程中, 保型段历经的时间为5s, 而不叠加振动保型段历经的时间是23s。所以, 在本试验条件下, 1个固体成型周期内, 叠加振动较不叠加振动生物质固体成型所消耗液压系统的能量大大降低。虽然叠加的振动也需耗能, 但本试验中气动激振器的气体工作压力仅为0. 2MPa, 流量为0. 01m3/ s, 与其产生的节能效果相比叠加振动的耗能是微不足道的。
5结论
本研究在现有活塞式压缩装置基础上, 搭建了生物质振动压缩固体成型试验系统, 设计了液压传动装置及控制系统、气压传动装置及控制系统、数据采集分析系统等, 并通过试验验证了本系统的可靠性, 能够满足振动压缩试验的要求。