一、立項(xiàng)的背景和意義
隨著全球性大氣污染的進(jìn)一步加劇,減少CO2等有害氣體凈排放量已成為世界各國解決能源與環(huán)境問題的焦點(diǎn).由于生物質(zhì)致密成型燃料燃燒CO2的凈排放量基本為0,NOX排放量僅為燃煤的1/5,SO2的排放量僅為燃煤的1/10,因此,生物質(zhì)致密成型燃料是世界范圍內(nèi)進(jìn)行生物質(zhì)高效、潔凈利用的一個(gè)有效途徑.目前,歐美一些國家多以木本生物質(zhì)為原料生產(chǎn)顆粒狀生物質(zhì)成型燃料,并開發(fā)了壁爐、蓄熱式爐、顆粒燃料爐等專用爐具.據(jù)報(bào)道,2006年歐洲生物質(zhì)成型燃料的消費(fèi)量約為450萬t,其中瑞典的產(chǎn)量約為145.8萬t,消費(fèi)量約為168.5萬t,產(chǎn)銷量居世界首位.生物質(zhì)成型燃料除定點(diǎn)供應(yīng)給發(fā)電廠和供熱企業(yè)以外,還以袋裝的方式在市場上銷售,已經(jīng)成為許多家庭首選的生活燃料，富通新能源生產(chǎn)銷售的
顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)是客戶們壓制顆粒飼料不錯(cuò)的選擇。
中國經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展的同時(shí),由于煤炭、石油等礦物資源的過度消耗已給環(huán)境帶來了極大的負(fù)擔(dān),中國政府也高度重視秸稈等生物質(zhì)能源化利用工作,相繼出臺(tái)了一系列的政策法規(guī).國家可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃指出,到2020年我國年產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料將達(dá)5000萬t.農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2007-2015)指出,到2015年我國年產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料將達(dá)2000萬t.目前,我國各種生物質(zhì)成型燃料年產(chǎn)量還未達(dá)到100萬t,生物質(zhì)成型燃料的使用符合"低碳排放,減少污染"的環(huán)境保護(hù)大趨勢.因此,加大對以農(nóng)林廢棄物為原料的生物質(zhì)致密成型燃料技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化推廣力度,勢在必行.
中國農(nóng)作物秸稈和農(nóng)林產(chǎn)品加工剩余物等生物質(zhì)資源十分豐富,每年僅農(nóng)作物秸稈就達(dá)7億t.江山市是一個(gè)農(nóng)林業(yè)大市,水稻、油菜和小麥三種主要農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量約12萬t.據(jù)調(diào)查,2008年江山市共有115萬m3原木,除10萬m3外運(yùn)外,其余均在本市進(jìn)行加工,其木材剩余物的數(shù)量可達(dá)36萬m3.另外,江山市又是白菇之鄉(xiāng),全年共種植白菇有3億袋,其下腳料就有6萬t.目前,這部分寶貴的資源除了一部分用于牲畜飼料和少量還田外,田間地頭或直接焚燒的農(nóng)林廢棄物逐年增加,甚至直接被廢棄在田間、路邊.這種污染在收獲季節(jié)集中排放,每年春 秋兩季由于焚燒而引起的煙霧既污染大氣環(huán)境,又影響交通安全和居民生活,也常常引發(fā)火災(zāi),使得短時(shí)間內(nèi)大氣質(zhì)量嚴(yán)重惡化,成為一個(gè)嚴(yán)重的社會(huì)問題.
秸稈焚燒現(xiàn)象已引起各級(jí)政府的重視,但露地焚燒秸稈是個(gè)久治不愈的頑癥,實(shí)際取得效果不明顯.究其原因,主要是秸稈的資源化能源化利用出路沒有得到較好解決.由于農(nóng)作物秸稈具有資源分散、能量密度低、容重小、儲(chǔ)運(yùn)不便等缺點(diǎn),國內(nèi)又缺乏規(guī)模化開發(fā)利用農(nóng)作物秸稈的高新技術(shù)和設(shè)備,制約了秸稈作為一種潔凈環(huán)保能源的推廣與應(yīng)用.
生物質(zhì)原料經(jīng)干燥和粉碎等預(yù)處理后壓縮成型,體積縮小為原來的6-8倍,密度為0.8-1.3t/m3,能有效改變其燃燒特性.生物質(zhì)成型燃料運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用方便,燃燒效率高,作為一種清潔環(huán)保燃料可替代煤炭和燃油,有利于節(jié)能減排.因此,在我國未來的能源消耗中,生物質(zhì)成型燃料將占有越來越大的份額.生物質(zhì)成型燃料大大提高了生物質(zhì)作為燃料的品質(zhì),為農(nóng)林廢棄物的異地運(yùn)輸和使用創(chuàng)造條件,可廣泛用作區(qū)域采暖、蒸汽和熱水供應(yīng)等鍋爐燃料,可為規(guī)模養(yǎng)殖場、作物栽培溫室和農(nóng)產(chǎn)品加工廠集中供熱,也可進(jìn)一步炭化處理,得到優(yōu)質(zhì)生物炭.因此,將農(nóng)林廢棄物加工轉(zhuǎn)換為致密成型燃料,具有顯著的產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用前景.
二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
20世紀(jì)70年代以來,隨著全球性石油危機(jī)的沖擊和環(huán)保意識(shí)的提高,世界各國越來越重視開發(fā)和高效轉(zhuǎn)換生物質(zhì)能.日本研制出棒狀燃料成型機(jī)及相關(guān)的燃燒設(shè)備,美國開發(fā)了生物質(zhì)顆粒成型設(shè)備和燃燒設(shè)備,在25個(gè)州興建了日產(chǎn)量為250-300t的樹皮成型燃料加工廠.西歐一些國家(荷蘭、瑞典、德國、比利時(shí)、芬蘭、丹麥等)也先后研制生產(chǎn)了沖壓式成型機(jī)、顆粒成型機(jī)及配套的燃燒設(shè)備,相繼建成生物質(zhì)顆粒燃料成型生產(chǎn)廠家,機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型燃料生產(chǎn)廠等多個(gè),成型設(shè)備及成型燃料進(jìn)入了商業(yè)化運(yùn)作階段.20世紀(jì)80年代初,顆粒成型技術(shù)獲得突破,東南亞國家的生物質(zhì)成型燃料行業(yè)發(fā)展迅速,泰國、印度、菲律賓等國都先后建成了多家生物質(zhì)固化、炭化專業(yè)生產(chǎn)廠.目前,日本、美國及歐洲一些國家生物質(zhì)致密成型燃料技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)已經(jīng)趨于成熟,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系也比較完善,主要以木質(zhì)生物質(zhì)為原料生產(chǎn)顆粒燃料,形成了從原料收集、儲(chǔ)藏、預(yù)處理到生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)、配送和應(yīng)用的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)模式,已在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域推廣應(yīng)用.
我國從20世紀(jì)80年代引進(jìn)并開始生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究開發(fā),早期研究主要集中在塊狀或棒狀成型機(jī)上. "八五"初,林業(yè)部林產(chǎn)化工研究所、西北農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇連云港市車站糧食機(jī)械廠等單位對螺旋軸熱壓成型技術(shù)進(jìn)行研究."八五"期間,中國農(nóng)機(jī)院能源動(dòng)力所、遼寧省能源研究所、中國農(nóng)業(yè)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)院、原浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)村能源研究所等單位對生物質(zhì)沖壓式壓塊、螺桿擠壓式壓塊技術(shù)及裝置進(jìn)行研究開發(fā).由于對熱壓成型模具結(jié)構(gòu)與工藝參數(shù)、螺桿軸等關(guān)鍵零件的磨損機(jī)理等缺乏深入研究,影響生物質(zhì)成型技術(shù)的推廣與產(chǎn)業(yè)化.我國生物質(zhì)顆粒壓縮成型技術(shù)研究起步較晚,目前國內(nèi)生產(chǎn)的顆粒成型機(jī)大多從飼料制粒機(jī)改進(jìn)而來,如上世紀(jì)90年代中國林科院林化所與江蘇正昌集團(tuán)合作研制的環(huán)模造粒機(jī),上海申德機(jī)械有限公司研制的環(huán)模造粒機(jī)等,進(jìn)入21世紀(jì)以來,一些企業(yè)相繼生產(chǎn)顆粒燃料成型設(shè)備,如濟(jì)寧市田農(nóng)機(jī)械有限公司、江蘇溧陽華生生物質(zhì)機(jī)械有限公司等.國內(nèi)生產(chǎn)的成型燃料設(shè)備普遍存在原料烘干設(shè)備不配套、技術(shù)參數(shù)難以控制,壓縮顆粒出料不穩(wěn)定、不均勻,設(shè)備連續(xù)工作時(shí)間較短,關(guān)鍵零件如模具使用壽命較短,這些均成為生物質(zhì)成型燃料規(guī)模化生產(chǎn)的主要技術(shù)瓶頸.
生物質(zhì)成型燃料與常規(guī)生物質(zhì)和煤相比,其燃燒特性都有很大差別.生物質(zhì)成型燃料燃燒過程中爐內(nèi)空氣流動(dòng)場分布、爐膛溫度場分布、過量空氣系數(shù)大小、受熱面布置等都需要重新設(shè)計(jì)考慮.國外如日本、美國及歐洲一些國家的生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備已經(jīng)定型,具有工藝參數(shù)合理、操作自動(dòng)化程度好、熱效率高、排煙污染小等優(yōu)點(diǎn).我國自上世紀(jì)90年代開始進(jìn)行生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)的研究和開發(fā),相關(guān)技術(shù)與國外仍存在較大的差距.目前生物質(zhì)成型燃料的燃燒設(shè)備基本上是依據(jù)傳統(tǒng)的燃煤鍋爐結(jié)構(gòu)進(jìn)行變型設(shè)計(jì),沒有按照生物質(zhì)燃料高揮發(fā)份、高焦油含量等特性,從生物質(zhì)燃燒機(jī)理上進(jìn)行更深入的研究和試驗(yàn),秸稈成型燃料難以適合較大規(guī)模設(shè)備上的應(yīng)用.在未弄清生物質(zhì)成型燃料燃燒特性的情況下,一些單位盲目地把原有的燃煤設(shè)備改為生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備,改造后的燃燒設(shè)備存在爐膛的容積、形狀與生物質(zhì)成型燃料燃燒不匹配等情況,致使設(shè)備燃燒效率及熱效率較低,排煙中污染物含量高.
由于歐美國家大都采用林業(yè)殘余物(如木材等)壓制成型燃料,與我國生物質(zhì)資源主要以農(nóng)作物秸稈為主的情況并不相符,因此從歐美國家引進(jìn)的燃燒技術(shù)并不適合我國國情,存在著價(jià)格高、使用燃料品種單一、易結(jié)渣、燃爐易沉積腐蝕、電耗高等問題,而東南亞一些國家生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備大多數(shù)為炭化爐與焦炭燃燒爐,直接燃用生物質(zhì)成型燃料的設(shè)備較少,同時(shí)這些燃燒設(shè)備存在著加工工藝差、專業(yè)化程度低、熱效率低、排煙污染嚴(yán)重、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn),燃燒設(shè)備還未定型.因此,為使生物質(zhì)成型燃料能穩(wěn)定、充分地燃燒,根據(jù)成型燃料燃燒特性進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì),對現(xiàn)有燃煤鍋爐進(jìn)行技術(shù)改造并設(shè)計(jì)生物質(zhì)成型燃料專用燃燒設(shè)備是非常重要和緊迫的任務(wù). 綜上所述,國內(nèi)外對生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)和設(shè)備等方面已有廣泛的研究,但有關(guān)生物質(zhì)壓縮成型制取顆粒燃料的致密成型工藝、燃料的物理力學(xué)特性還有待進(jìn)一步深入研究,目前國內(nèi)對成型燃料的燃燒特性和配套的專用燃燒設(shè)備的研究還相當(dāng)缺乏,建立年產(chǎn)10萬t生產(chǎn)規(guī)模的生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)線還缺乏實(shí)踐.
本項(xiàng)目通過研究農(nóng)林廢棄物的高效烘干預(yù)處理技術(shù)、顆粒燃料致密成型技術(shù),完成生物質(zhì)顆粒成型燃料規(guī)模化加工生產(chǎn)線示范點(diǎn)建設(shè);通過生物質(zhì)顆粒燃料高效燃燒技術(shù)研究,提高顆粒燃料的燃燒效率,擴(kuò)大其應(yīng)用途徑,并促進(jìn)生物質(zhì)顆粒成型燃料產(chǎn)業(yè)鏈的形成.本項(xiàng)目建立年產(chǎn)10萬t的生物質(zhì)成型燃料規(guī)模化生產(chǎn)線和鍋爐成型燃料應(yīng)用示范點(diǎn),旨在積極推動(dòng)浙江省乃至國內(nèi)其他地區(qū)規(guī)模化開發(fā)利用生物質(zhì)成型燃料的發(fā)展進(jìn)程,杜絕秸稈隨地焚燒現(xiàn)象,還可以給農(nóng)民帶來增收.本項(xiàng)目的研發(fā)對農(nóng)林廢棄物的有效利用、減輕燃燒化石能源對環(huán)境的污染具有重要意義.
三、研究開發(fā)內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵
1、研究開發(fā)內(nèi)容
(1)生物質(zhì)原料干燥預(yù)處理技術(shù)和裝備研究
研究熱風(fēng)濕度和風(fēng)速風(fēng)量對農(nóng)林生物質(zhì)原料(杉木屑和作物秸稈)的水分和熱量傳遞的影響,研究在不同干燥階段生物質(zhì)原料顆粒水分和熱量傳遞規(guī)律,以及不同干燥工藝及參數(shù)對生物質(zhì)原料顆粒干燥能耗及干燥品質(zhì)的影響.在此基礎(chǔ)上,改進(jìn)大管徑連續(xù)烘干機(jī)結(jié)構(gòu),提出合理設(shè)計(jì)方案和運(yùn)行工藝.建立年產(chǎn)10萬t規(guī)模的生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)相配套的原料烘干生產(chǎn)線.
(2)生物質(zhì)顆粒燃料高密度擠壓成型技術(shù)和裝備研究
研究農(nóng)林生物質(zhì)原料在環(huán)模造粒機(jī)中高密度擠壓成型的技術(shù)工藝,提高不同生物質(zhì)原料在相同成型機(jī)組中的加工適應(yīng)性;優(yōu)化原料粒度分布、含水率、溫度和模具結(jié)構(gòu)等對成型工藝的影響,降低成型過程能耗,并改善顆粒成型燃料的物理力學(xué)性能和燃燒性能,解決國內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)存在的加工原料單一、成型能耗高、連續(xù)加工生產(chǎn)不穩(wěn)定、模具易磨損等產(chǎn)業(yè)化瓶頸.
(3)生物質(zhì)顆粒燃料清潔燃燒技術(shù)和設(shè)備的研究
研究生物質(zhì)顆粒燃料在固定爐排、移動(dòng)爐排和旋轉(zhuǎn)爐篩中高效燃燒熱利用技術(shù)工藝參數(shù).研究生物質(zhì)顆粒燃料爐體結(jié)構(gòu)(燃燒室結(jié)構(gòu))和熱工參數(shù)對熱效率和煙氣污染成分的影響,擴(kuò)大輻射傳熱面積,提高鍋爐效率.研究在蒸汽鍋爐中用顆粒燃料替代常規(guī)能源煤炭的技改措施,并研制自動(dòng)化程度較高的顆粒成型燃料鍋爐專用燃燒器,編制生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.
(4)生物質(zhì)顆粒燃料規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用示范點(diǎn)建設(shè)
以農(nóng)林廢棄物為主要原料,建立1個(gè)年生產(chǎn)能力10萬t的生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線和1-2處顆粒燃料鍋爐燃燒供熱或供蒸汽應(yīng)用點(diǎn),形成生物質(zhì)顆粒成型燃料生產(chǎn)、鍋爐燃燒、客戶服務(wù)等配套的市場和技術(shù)體系.對示范工程的運(yùn)行成本及收益進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析.從原料收購,勞動(dòng)力成本,生產(chǎn)系統(tǒng)能耗,設(shè)備折舊,模具耗材更換,到最終產(chǎn)品售價(jià)整個(gè)流程進(jìn)行財(cái)務(wù)方面的評(píng)估,核算實(shí)際生產(chǎn)能力和利潤,為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化技術(shù)推廣應(yīng)用提供依據(jù).
2、技術(shù)關(guān)鍵
(1)干燥工藝參數(shù)對生物質(zhì)原料顆粒干燥能耗及干燥品質(zhì)的影響規(guī)律,降低生物質(zhì)原料烘干過程能耗,提高生產(chǎn)率.
(2)生物質(zhì)顆粒燃料擠壓成型壓縮比等工藝參數(shù)的優(yōu)化,成型模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),顯著提高設(shè)備的成型能力和效率,提高成型燃料產(chǎn)品密度和熱值,提高環(huán)模表面耐磨損性能,連續(xù)工作能力超過500t.
四、預(yù)期目標(biāo)(主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化前景)
1、主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)
(1)生物質(zhì)顆粒成型燃料設(shè)備單臺(tái)處理能力700~1000kg/h,能耗小于90kWh/t,成型率大于85%.
(2)生物質(zhì)顆粒成型燃料產(chǎn)品性能指標(biāo)達(dá)到:密度1.0~1.2g/cm3,水分小于12%,熱值大于17MJ/kg.
(3)生物質(zhì)顆粒燃燒爐設(shè)備熱效率達(dá)到68%以上,煙塵排放達(dá)到國家Ⅰ類地區(qū)的環(huán)保要求,生產(chǎn)用加料和燃燒設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化運(yùn)行.
(4)經(jīng)濟(jì)效益:年產(chǎn)10萬噸生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線,按照生產(chǎn)加工成本380元/t,銷售價(jià)格800元/t測算, 可年增產(chǎn)值8000萬元,年增利潤4800萬元,年增稅金800萬元,同時(shí)可增加農(nóng)民收入.
2、應(yīng)用或產(chǎn)業(yè)化前景
本項(xiàng)目的研發(fā)是建立在江山市有豐富的農(nóng)林廢棄物原料基礎(chǔ)上,研發(fā)的技術(shù)和研制的生產(chǎn)線設(shè)備首先在江山市示范點(diǎn)應(yīng)用,待形成一定生產(chǎn)規(guī)模后向全省乃至全國各地推廣.
為減輕城市空氣污染,許多地市已嚴(yán)格禁止燃煤鍋爐的使用,同時(shí)大力推廣使用油、電、氣等清潔燃料的燃燒設(shè)施,但無論是燃油、燃?xì)膺�是電熱,運(yùn)行成本都將數(shù)倍增加.而通過生物質(zhì)致密成型加工為燃料使用,運(yùn)行成本僅為燃油鍋爐的40%,可大大降低使用者的燃料費(fèi)用支出,因此生物質(zhì)成型燃料現(xiàn)已成為替代燃煤的最佳清潔燃料.本項(xiàng)目的實(shí)施,可以使農(nóng)村大量的農(nóng)林廢棄物得到合理的利用,同時(shí)節(jié)省天然氣和煤、電等能源消耗,改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)新農(nóng)村建設(shè),產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景樂觀.
五、研究方案、技術(shù)路線、組織方式與課題分解
1、研究方案和技術(shù)路線
(1)總體技術(shù)路線及措施
在調(diào)研國內(nèi)外有關(guān)農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)顆粒燃料加工及應(yīng)用設(shè)備的研制狀況的基礎(chǔ)上,分析現(xiàn)有各種技術(shù)和設(shè)備存在的問題,進(jìn)行具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)創(chuàng)新,確定關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案.將農(nóng)林廢棄物原料烘干等預(yù)處理與顆粒燃料壓縮成型工藝組合集成,調(diào)配連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù),并研發(fā)自動(dòng)化程度較高的生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線,提供可替代燃油、燃?xì)夂兔禾康纳镔|(zhì)顆粒燃料產(chǎn)品,改造現(xiàn)有燃煤鍋爐并設(shè)計(jì)生物質(zhì)顆粒燃料專用鍋爐,建立一個(gè)年產(chǎn)10萬噸的顆粒燃料加工生產(chǎn)示范點(diǎn),為生物質(zhì)顆粒燃料加工生產(chǎn)和燃燒設(shè)備的應(yīng)用及推廣進(jìn)行技術(shù)輻射.
圖1 總體研究方案及技術(shù)路線圖
(2)生物質(zhì)原料烘干預(yù)處理及物料送配技術(shù)與設(shè)備研究
在調(diào)研總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)生物質(zhì)原料烘干技術(shù)與設(shè)備狀況的基礎(chǔ)上,總結(jié)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題,分析原料經(jīng)粉碎、烘干預(yù)處理后的理化特性,并根據(jù)成型燃料規(guī)模生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)要求,研究能耗低、產(chǎn)量高、作業(yè)環(huán)境清潔的烘干技術(shù)和工藝,研究不同原料混合、輸送和分配系統(tǒng),滿足同一條生產(chǎn)線中多臺(tái)顆粒成型機(jī)同時(shí)作業(yè)對物料喂入的要求.
以杉木屑和農(nóng)作物秸稈粉碎后原料顆粒為試驗(yàn)對象,固定干燥溫度,通過變頻技術(shù),改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量,在不同的風(fēng)量下,對試驗(yàn)對象進(jìn)行干燥加工,測得其干燥性能曲線及相關(guān)數(shù)據(jù);然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算出該干燥試驗(yàn)的水分?jǐn)U散系數(shù),通過比較不同風(fēng)量下的水分?jǐn)U散系數(shù),分析風(fēng)量對傳熱傳質(zhì)的影響.然后固定干燥溫度和風(fēng)量,通過熱泵除濕技術(shù),改變熱風(fēng)的濕含量,用幾個(gè)不同濕含量的熱風(fēng)對試驗(yàn)對象進(jìn)行干燥加工,測得其干燥性能曲線及相關(guān)數(shù)據(jù);然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算出該干燥試驗(yàn)的水分?jǐn)U散系數(shù),通過比較不同濕含量熱風(fēng)干燥的水分?jǐn)U散系數(shù),分析濕含量對傳熱傳質(zhì)的影響.測定原料顆粒在不同溫度和不同含水率下的密度、孔隙率、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù),建立傳熱傳質(zhì)模型,并對模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.試驗(yàn)不同干燥工藝及參數(shù)對原料顆粒干燥能耗及干燥品質(zhì)的影響,通過測定不同干燥工藝、不同干燥參數(shù)下干燥加工的能量消耗及產(chǎn)品的特性,分析比較不同干燥工藝及參數(shù)對原料干燥能耗及干燥品質(zhì)的影響.在此基礎(chǔ)上,確定大直徑連續(xù)烘干機(jī)的工藝參數(shù),進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).
圖2 生物質(zhì)原料烘干及物料送配流程圖
(3)生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)及設(shè)備研究
整個(gè)系統(tǒng)包括原料提升機(jī)、旋風(fēng)除塵器、顆粒機(jī)料倉與顆粒成型機(jī)、斗式顆粒提升機(jī)、冷卻器、成品包裝等工藝環(huán)節(jié)和設(shè)備組成.進(jìn)行環(huán)板模工藝的改進(jìn)試驗(yàn),對已預(yù)處理的粉料生物質(zhì)進(jìn)行擠壓而制成顆粒燃料.對關(guān)鍵設(shè)備顆粒成型機(jī)結(jié)構(gòu)、模孔結(jié)構(gòu)以及成型工藝參數(shù)進(jìn)行研究和優(yōu)化設(shè)計(jì),確定成型壓力、溫度、原料粒度和含水率等最佳成型工藝參數(shù).
針對各種不同原料的壓縮比、成型溫度和含水量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).成型過程牽涉到流變過程,影響成型結(jié)果的關(guān)鍵因素是原料類型、成型溫度、原料含水率和擠壓條件.由于成型溫度在100℃以上,原料中的水分蒸發(fā)為水汽混雜在成型物料中.通過研究氣體流場的分布情況可以反映成型后的致密程度,對原料含水率具有指導(dǎo)意義.然后利用計(jì)算機(jī)有限元技術(shù)建立生物質(zhì)原料成型模型,模擬原料在不同擠壓條件下,成型過程中應(yīng)力應(yīng)變以及溫度場、氣體流場的變化趨勢,尋找成型的最優(yōu)條件.在給定的擠壓條件(壓力、空間)下利用三維建模軟件、有限元分析軟件建立成型模型,模擬成型過程,綜合所得數(shù)據(jù),找出成型最優(yōu)化的條件.根據(jù)給定擠壓條件設(shè)定載荷、約束、邊界條件,通過對選定杉木屑等物料力學(xué)模型的分析模擬成型過程中擠壓區(qū)內(nèi)應(yīng)力的變化情況以及物料的流動(dòng)變形過程,得出相應(yīng)的數(shù)據(jù).研究擠壓空間和壓力的關(guān)系,通過對應(yīng)力應(yīng)變的分析來確定最優(yōu)的擠壓條件.確定擠壓條件后,選擇合適的數(shù)學(xué)模型來模擬溫度場和氣體流場的變化、分布情況,通過圖形以及數(shù)據(jù)反映成型時(shí)溫度及水汽對成型燃料間隙和應(yīng)力狀態(tài)的影響,指導(dǎo)對原料含水率以及成型溫度的控制.
圖3 生物質(zhì)顆粒燃料致密成型系統(tǒng)流程圖
(4)生物質(zhì)顆粒燃料燃燒技術(shù)和設(shè)備研究
農(nóng)林廢棄生物質(zhì)是由碳、氫、氧等元素組成的,通過顆粒燃料加工設(shè)備擠壓成型為顆粒燃料后,其物理化學(xué)特性發(fā)生改變,因此,需通過試驗(yàn)研究分析顆粒燃料的燃燒特性,確定最佳工藝參數(shù).將顆粒燃料送入燃燒設(shè)備的貯料倉內(nèi),貯料倉內(nèi)的顆粒燃料由自動(dòng)控制送入量的加料機(jī)構(gòu)送往燃燒室內(nèi)燃燒,相繼完成干燥、干餾熱解和燃燒等生物質(zhì)燃料的燃燒過程,產(chǎn)生的灰渣由螺旋輸送機(jī)構(gòu)排至灰倉.
2、組織方式與課題分解
該課題由項(xiàng)目申報(bào)單位和合作單位共同承擔(dān),由申請人主持全面工作和組織實(shí)施,負(fù)責(zé)項(xiàng)目研究任務(wù)分工落實(shí)、進(jìn)度安排.項(xiàng)目由企業(yè)單位和高校共同組建項(xiàng)目攻關(guān)小組,結(jié)合各單位的人才和資源優(yōu)勢,開展多學(xué)科交叉研究,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)學(xué)研合作優(yōu)勢互補(bǔ),確保該項(xiàng)目順利完成.
項(xiàng)目申報(bào)單位有著多年從事生物質(zhì)能源開發(fā)、應(yīng)用和推廣的工作經(jīng)驗(yàn),在本項(xiàng)目中主要承擔(dān)成型工藝開發(fā)、樣機(jī)調(diào)試及示范點(diǎn)建設(shè)和技術(shù)推廣應(yīng)用等任務(wù).合作單位有生物質(zhì)能開發(fā)、機(jī)械及電子工程裝備研發(fā)技術(shù)力量,項(xiàng)目研制過程所必需的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備配備齊全,在本項(xiàng)目中主要承擔(dān)成型技術(shù)與設(shè)備、成型燃料燃燒設(shè)備設(shè)計(jì)和性能測試等任務(wù).
六、計(jì)劃進(jìn)度安排
(1)2011.01—2011.3 調(diào)研國內(nèi)外有關(guān)農(nóng)林廢棄物生物質(zhì)顆粒燃料加工及應(yīng)用設(shè)備的研制狀況,分析存在問題,確定初步的研究設(shè)計(jì)方案.
(2)2011.04—2011.08 農(nóng)林廢棄物原料的干燥工藝方案研究,不同生物質(zhì)原料在環(huán)模成型機(jī)中制備顆粒燃料的技術(shù)工藝研究.
(3)2011.09—2012.02 顆粒燃料壓縮成型工藝研究及參數(shù)優(yōu)化調(diào)配,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的連續(xù)工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn),年產(chǎn)10萬t生物質(zhì)成型及燃料示范工程規(guī)劃設(shè)計(jì).
(4)2012.03—2012.07 生物質(zhì)顆粒燃料燃燒特性研究和高效燃燒器的研制.編制成型燃料燃燒設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范.
(5)2012.08—2012.10 生物質(zhì)顆粒燃料加工生產(chǎn)線樣機(jī)調(diào)試和應(yīng)用性能考核試驗(yàn).生物質(zhì)成型燃料加工示范工程建設(shè).
(6)2012.11—2012.12 技術(shù)資料整理,項(xiàng)目總結(jié)和結(jié)題驗(yàn)收.
七、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件
1、項(xiàng)目承擔(dān)單位已建成年產(chǎn)5萬t的生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線.
本項(xiàng)目申報(bào)單位多年來致力于生物質(zhì)成型燃料技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)營,目前主要利用江山豐富的木材剩余物資源,已在江山市建成年產(chǎn)5萬t生產(chǎn)能力的生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)線,初步形成一個(gè)集生產(chǎn)、銷售、服務(wù)咨詢于一體的經(jīng)營網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)品性能、規(guī)模實(shí)力、知名度、銷售量均在行業(yè)前列,有較強(qiáng)的生產(chǎn)條件和經(jīng)營能力,并且與浙江省著名高校建立合作關(guān)系,進(jìn)行工藝參數(shù)的調(diào)試和產(chǎn)業(yè)化推廣示范,能確保本項(xiàng)目研發(fā)任務(wù)的順利完成和技術(shù)的推廣應(yīng)用.在此基礎(chǔ)上,充分利用江山市主要農(nóng)作物秸稈資源和白菇種植廢棄資源,擴(kuò)大生物質(zhì)顆粒燃料生產(chǎn)能力,建立年產(chǎn)10萬t的集生物質(zhì)原料烘干、擠壓成型生產(chǎn)線.
2、項(xiàng)目申報(bào)單位與浙江省內(nèi)著名高校已建立起良好的產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系.
項(xiàng)目合作單位有國家級(jí)和部級(jí)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,可為本項(xiàng)目的試驗(yàn)及顆粒燃料性能檢測分析提供支撐條件.項(xiàng)目合作單位曾承擔(dān)省科技廳重大科技攻關(guān)項(xiàng)目"設(shè)施園藝育苗生產(chǎn)線的研制及其產(chǎn)業(yè)化"課題(2009年獲得省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)),省科技廳重點(diǎn)項(xiàng)目"農(nóng)作物秸稈切碎及壓縮成型成套設(shè)備的研制" ,國家科技部"863"計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目 "秸稈收集固化成型關(guān)鍵技術(shù)及裝備"秸稈壓縮成型技術(shù)研究子課題等多項(xiàng),承擔(dān)中埃合作交流項(xiàng)目"棉桿等農(nóng)作物秸稈壓縮成優(yōu)質(zhì)固體燃料的研究",與美國普渡大學(xué)的國際合作項(xiàng)目"生物質(zhì)顆粒成型燃料技術(shù)及高效燃效燃燒爐研究",中德合作生物質(zhì)利用項(xiàng)目等.在農(nóng)作物秸稈切碎、致密成型和高效燃燒的應(yīng)用基礎(chǔ)方面已有多年研究工作積累.在生物物料烘干技術(shù),生物質(zhì)高密度成型機(jī)理,農(nóng)作物莖稈切碎技術(shù),生物質(zhì)成型燃料的物理品質(zhì)特性研究,生物質(zhì)成型燃料的熱解燃燒特性試驗(yàn)研究等方面已取得一系列研究成果,發(fā)表了學(xué)術(shù)論文70多篇,已授權(quán)發(fā)明專利9項(xiàng),實(shí)用新型專利12項(xiàng),如"一種生物質(zhì)棒狀燃料預(yù)熱及擠壓成型機(jī)"、"家用直燃式氣化爐"、"小型生物質(zhì)氣化爐燃?xì)鈨艋陀酂崂醚b置"等.為本項(xiàng)目的科研工作奠定了良好的基礎(chǔ).
3、項(xiàng)目課題組人員由機(jī)械、電子、能源、自動(dòng)控制等多學(xué)科交叉組合而成,既有長期從事科研又有從事生產(chǎn)的產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合.項(xiàng)目合作單位擁有優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)研究條件和追蹤國際發(fā)展前沿的能力,依托農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室和國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,本項(xiàng)目的工藝技術(shù)研發(fā)、樣機(jī)試驗(yàn)及性能檢測所需的試驗(yàn)儀器如壓縮成型機(jī)、生物材料標(biāo)準(zhǔn)萬能試驗(yàn)機(jī)、差示掃描量熱儀、傅里葉紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡等配備完善,能保證本課題研究工作的順利完成.
八、經(jīng)費(fèi)預(yù)算與籌措
1、經(jīng)費(fèi)預(yù)算
金額單位:萬元
序號(hào) 概算科目名稱 合計(jì) 財(cái)政撥款經(jīng)費(fèi) 自籌經(jīng)費(fèi)
(1) (2) (4) (5)
1 一、經(jīng)費(fèi)支出(合計(jì)) 1500 10 1490
2 1、廠房 1000
1000
3 2、設(shè)備費(fèi) 280
4 (1)購置設(shè)備費(fèi)
232
5 (2)試制設(shè)備費(fèi)
3 45
6 (3)設(shè)備租賃費(fèi)
7 3、材料費(fèi) 145 1 144
8 4、測試化驗(yàn)加工費(fèi) 14 1 13
9 5、燃料動(dòng)力費(fèi) 9 1 8
10 6、差旅費(fèi) 5 0.5 4.5
11 7、會(huì)議費(fèi) 3 0.5 2.5
12 8、合作、協(xié)作研究與交流費(fèi) 11 0.5 10.5
13 9、出版/文獻(xiàn)/信息傳播/知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)費(fèi) 3.5 0.5 3
14 10、人員勞務(wù)費(fèi) 15 0.3 14.7
15 11、專家咨詢費(fèi) 5 0.2 4.8
16 12、管理費(fèi) 4.5 0.5 4
13、其他開支 5 1 4
1 二、經(jīng)費(fèi)來源(合計(jì)) 1500
2 1、申請財(cái)政經(jīng)費(fèi) 10
4 3、自籌經(jīng)費(fèi) 1490
5 (1)單位自有貨幣資金 1040
6 (2)其他資金 450
市財(cái)政科技經(jīng)費(fèi)撥付進(jìn)度申請 第1年第2年金額64比例(%) 60 40
2、經(jīng)費(fèi)預(yù)算說明
(1)承擔(dān)單位和相關(guān)部門承諾提供的支撐條件
項(xiàng)目承擔(dān)單位保證申請內(nèi)容的真實(shí)性.如獲資助,我單位將履行所承擔(dān)的職責(zé),嚴(yán)格遵守市級(jí)科技計(jì)劃項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)管理?xiàng)l例的有關(guān)規(guī)定,切實(shí)保證工作時(shí)間,提供項(xiàng)目所需的一切設(shè)施、設(shè)備,認(rèn)真開展工作,及時(shí)報(bào)送有關(guān)材料.
(2)各科目支出的主要用途、與項(xiàng)目研究的相關(guān)性、概算方法、概算依據(jù)
概算科目名稱 金額 概算說明1、廠房 1000
2、設(shè)備費(fèi) 280 購置電機(jī)、物料輸送等設(shè)備180萬;購置溫度、壓力、風(fēng)速傳感器,數(shù)據(jù)采集卡及計(jì)算機(jī)5萬;試制模具、夾具和組裝專用工具等設(shè)備95萬3、材料費(fèi) 145 顆粒燃料加工及應(yīng)用設(shè)備樣機(jī)試制材料費(fèi)
4、測試化驗(yàn)加工費(fèi) 14 原料分析、成型設(shè)備樣機(jī)測試、顆粒燃料分析測試、燃燒設(shè)備樣機(jī)測試、系統(tǒng)調(diào)試等費(fèi)用
5、燃料動(dòng)力費(fèi) 9 水電消耗、動(dòng)力費(fèi)
6、差旅費(fèi) 5 調(diào)研、示范點(diǎn)協(xié)調(diào)等差旅費(fèi)
7、會(huì)議費(fèi) 4 學(xué)術(shù)會(huì)議、項(xiàng)目鑒定驗(yàn)收等會(huì)議費(fèi)用
8、合作、協(xié)作研究與交流費(fèi) 11 項(xiàng)目合作開發(fā)、協(xié)作研究與交流,包括國際交流費(fèi)用
9、出版/文獻(xiàn)/信息傳播/知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)費(fèi) 3.5 文獻(xiàn)檢索、查新、知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)費(fèi)
10、人員勞務(wù)費(fèi) 15 設(shè)備加工人員勞務(wù)費(fèi)10萬(在自籌經(jīng)費(fèi)中開支),聘請的臨工、研究生等勞務(wù)費(fèi)5萬(在財(cái)政撥款經(jīng)費(fèi)中開支)
11、專家咨詢費(fèi) 5 聘請專家支付的費(fèi)用
12、管理費(fèi) 4.5 項(xiàng)目管理費(fèi)
13、其他開支 5 其他不可預(yù)見費(fèi)用
3、資金籌措方案
項(xiàng)目總投資為1500萬元人民幣,資金由本項(xiàng)目申報(bào)單位自籌1040萬元,銀行貸款450萬元,申請科技經(jīng)費(fèi)補(bǔ)助10萬元。
