1、生物質顆粒燃料致密成型技術的原理及工藝1.1生物質顆粒燃料致密成型原理
生物質顆粒燃料致密成型技術是指具有一定粒度的農林廢棄物（木屑、鋸末、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），可連續擠壓制成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料的加工工藝，如上圖所示，有些致密成型技術還需要加入一定的添加劑或黏結劑。一般生物質致密成型主要是利用木質素的膠黏作用。農林廢棄物主要由纖維素、半纖維素和木質素組成，木質素為光合作用形成的天然聚合體，具有復雜的三維結構，是高分子物質，在植物中含量約為15%～30%。當溫度達到70～100℃，木質素開始軟化，并有一定的黏度。當達到200～300℃時，呈熔融狀，黏度變高。此時若施加一定的外力，可使它與纖維素緊密粘結，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，冷卻后強度進一步增加，成為成型顆粒燃料。
生物質原料經過顆粒機或者秸稈壓塊機擠壓成型后，體積縮小，密度可達1t/m3左右，含水率在10%左右，便于貯存和運輸。成型顆粒燃料在燃燒過程中熱值可達16000k/kg左右，并且“零排放”，即基本不排渣、無煙塵、無二氧化硫等有害氣體，不污染環境，熱性能優于木材，體積發熱量與中質煤相當，可廣泛用于民用炊事爐、取暖爐、生物質氣化爐、高效燃燒爐和小型鍋爐，是易于進行商品化生產和銷售的可再生能源。
1.2生物質顆粒燃料致密成型技術分類及特點
生物質顆粒燃料致密成型工藝有多種，根據工藝特性的差別，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，有水平軸式環模擠壓成型、垂直軸式環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。原料進入成型室后，在壓輥或壓模的轉動作用下，進入壓模與壓輥之間，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度的顆粒狀或塊狀燃料。該機型主要用于木材加工廠的木屑和秸稈碎料。成型設備一般比較簡單，價格較低，但由于死角較大，引起無用能耗大，成型部件磨損較快。工作中易出現輥輪和成型孔堵塞現象。且由于燃料濕度較大，不含黏結劑，易吸濕變形，不利于長期保存、運輸和使用。
(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程一般分為原料粉碎、干燥、擠壓、加熱、保型等幾個環節。螺桿致密成型機是開發應用較早的生物質熱壓成型設備，主要包括驅動機、傳動部件、進料機構、壓縮螺桿、成型套筒和電加熱等幾部分。工作過程是將粉碎后的生物質經干燥后，從料斗中加入，螺旋推擠進入成型套筒中，并經螺桿壓成帶孔的棒狀成品，連續從成型套筒中擠出。制約螺桿成型機發展的主要技術問題是螺桿和成型套筒磨損嚴重，使用壽命短。活塞和沖壓式致密成型機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，也降低了單位產品的能耗。原料經粉碎后，通過機械或風力形式送入壓縮間。活塞或沖頭前進時，把原材料壓緊成型，并送入保型筒。活塞和沖壓成型機一般造價較高，且振動噪聲大，由于間斷擠壓，成型塊質量有時有高低反差。特別是要求原料含水率較小，否則會使成型燃料膨脹、松散、甚至出現危險的“放炮”現象。
(3)碳化致密成型炭化成型工藝的基本特征是，首先將生物質原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏結劑擠壓成型。由于原料纖維素結構在炭化過程中受到破壞，高分子組分受熱裂解轉換成炭，并放出揮發分，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劑。碳化致密成型設備比較簡單，類似于型煤成型設備。
2、生物質致密成型技術的研究重點
2.1壓縮特性分析
秸稈在壓縮過程中，是在一定壓力（溫度）下，通過秸稈的塑性變形和其本身的木質素軟化固化成型的。在壓縮過程中可分為3個階段：松軟階段（壓力0MPa～8MPa），過渡階段(壓力8MPa～13MPa)和壓緊階段（壓力13MPa～30MPa）。在壓力較小時，壓塊密度隨壓力的增大顯著增大，但達到壓緊階段后，變化緩慢，趨于常數。一般情況下，在壓力為15MPa時，壓塊的成型效果就較好，將壓力控制在15～30 MPa范圍內就可以達到成型。國內外許多學者研究了生物質壓縮力和壓縮密度的關系，建立了相應的數學模型。這些成果都是關于壓縮力、壓縮密度、壓縮量的關系，但不能估算最終的壓縮密度。
2.2原料的特性對成型的影響
生物質原料具有流動性差、相互牽連力較大的特性，是成型喂入和壓縮的瓶頸。對于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，壓縮特性有很大的差異，并對成型過程和產品質量有很大的影響。當原料水分過高時，加熱過程中產生的蒸汽不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴重時產生爆鳴。但含水率太低，成型也很困難，這是因為微量水分對木素的軟化、塑化有促進作用。成型原料的含水率一般在15%左右。植物秸稈易壓縮，在壓力作用下變形較大，壓縮比在9～12之間，木屑廢料較難壓縮，壓縮比在5～9之間。粒度小的原料容易成型，粒度大的較難壓縮。生物質的特性對于解釋和說明物質的機械變化過程很有價值，但關于特性研究的報道不多。
2.3壓塊能耗的研究
對于一個生物質成型裝置來說，能耗是一個非常重要的性能指標，能耗是指在單位時間內生產成型顆粒燃料所消耗的能量與該時間內生產的成型顆粒燃料質量的比值。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。影響成型機能耗的主要因素有：成型顆粒燃料的密度，生產率，物料的種類，粒度和含水率等。
3、國內外生物質致密成型研發概況
3.1國內情況
在生物質成型方面，近年來國內科研單位加大了研究力度，取得了明顯進展。清華大學清潔能源研究與教育中心已開發出生物質顆粒燃料冷成型技術和設備，并在北京懷柔區組織了示范項目，環境科學與工程系也有相關研究。浙江大學生物機電工程研究所能源清潔利用國家重點實驗室在生物質成型理論、成型顆粒燃料燃燒技術等方面進行了研究。山東大學機械工程學院、華中科技大學化學與化工系、北京林業大學工學院等都對生物質成型顆粒燃料進行了研究。中國林科院林產化學工業研究所從20世紀80年代開始研究開發林木生物質原料和農業廢棄物的成型技術。東南大學、中科院廣州能源研究所、湖南農業大學、中國農機院可再生能源與環境研究所等也進行了一些特色研究。國內一些生產顆粒飼料的廠家也開始在原設備的基礎上生產生物質致密成型顆粒燃料。河南農業大學農業部可再生能源重點實驗室從1 992年開始相繼開發生產了液壓式、輥壓式和螺桿式生物質致密成型機，并以進行小批量生產，取得了較好的社會效益和經濟效益。
3.2國外情況
美國在20世紀30年代就開始研究生物質致密成型顆粒燃料技術及其燃燒技術，并研制了螺旋壓縮機及相應的燃燒設備，日本在20世紀40年代開始研究機械式活塞式致密成型技術處理林業廢棄物，與1954年成功研制出了單頭、多頭螺桿擠壓棒狀致密成型機，80年代建立了年產600t的固體原料工廠（煤75%，生物質25%）。在亞洲，泰國、印度等國也建立了不少生物質致密成型燃料專業生產廠。目前，德國有100多家顆粒成型燃料工廠，主要以木屑、木片、枝、邊角料等生物質為原料。瑞典有生物質顆粒成型燃料加工廠10多家，企業的年生產能力達到了20多萬噸。
4、生物質致密成型技術的問題和建議
4.1成型機的問題
生物質成型機目前初具規模，但要真正實現產業化，還有一些技術障礙亟待解決。現在大部分機組可靠性能差，運行不平穩，易損件使用壽命太短，維修和更換不方便。技術較成熟的螺旋擠壓式成型機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，才能在較快的擠出速度下獲得較大密度的成型燃料。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，導致螺桿的磨損非常快。螺桿磨損到一定程度時，會與出料套筒失去尺寸配合，使成型無法進行。總體上來看，液壓活塞式和輥壓式致密成型機較為合理，建議加大研制力度，開發出適合生物質特性的致密成型機。
4.2成型原料問題
生物質原料的特點是具有季節性、分散性，因此嚴重的影響了生物質致密成型燃料的工業化生產，根據中國特色，必須考慮生物質的收集半徑。建議采取分散設點加工及就地使用和集中調配使用的方法。解決上述問題。考慮到收集范圍問題，生物質致密成型設備的生產率不宜過大。
4.3配套設備問題
由于成型機對原料的粒度和含水率要求較高，而成型設備自動化低、粉碎、干燥、進料和包裝設備沒有形成配套的生產線，工作時原料往往達不到生產要求。建議在研制和生產生物質致密成型設備的同時，要配套相應的粉碎和干燥設備。
5、生物質致密成型技術的發展前景
生物質成型技術的優點是絕對的環保性和良好的經濟性。以往由于對其不完全了解，造成推廣受到一定程度的限制。可以預見，隨著該技術一些關鍵問題的解決，保護自然生態環境意識的日益加強和國家相應配套政策的通過，市場覆蓋率將逐漸擴大。同時必須清楚地認識到，由于多種因素影響，短期內不能期望出現全面應用。我國生物質致密成型裝備的研究與制造起步較晚，今后應在設備實用性、降低能耗、減輕磨損、原料適用性、系列化等方面下功夫，為大規模開發利用生物質能提供必要的技術儲備。
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