生物質(zhì)成型顆粒燃料是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用的一個(gè)重要領(lǐng)域。它是將木質(zhì)類(lèi)的木屑，樹(shù)葉、稻草等，在一定粒度和含水率的條件下，在50 -200 MPa高壓和150—300℃高溫下，或不加熱和不加粘結(jié)劑條件下，壓縮成棒狀、粒狀、塊狀及其它形狀，具有一定密實(shí)度的成型物。廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐、民用爐灶等場(chǎng)合，還可進(jìn)一步加工成型炭和活性炭。由于成型燃料具有相對(duì)密度大（約1.2)，便于貯存和運(yùn)輸，含水率低（8%以下），含揮發(fā)物高（75%以上），含灰分低(一般小于5%)，熱值高，著火容易，使用方便，燃燒完全，燃燒時(shí)幾乎不產(chǎn)生S02，因此不會(huì)造成環(huán)境污染，故亦稱(chēng)為“清潔燃料”，也可作為氣化爐的燃料。成型燃料堪稱(chēng)一種理想能源，有著廣闊的市場(chǎng)開(kāi)發(fā)前景，富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售的
顆粒機(jī)、
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)、
木屑顆粒機(jī)專(zhuān)業(yè)壓制生物質(zhì)成型顆粒燃料。
國(guó)外生物質(zhì)成型顆粒燃料的開(kāi)發(fā)工作始于20世紀(jì)40年代，1948年日本申報(bào)了利用木屑為原料生產(chǎn)棒狀成型燃料的第一個(gè)專(zhuān)利。50年代初期生產(chǎn)出了商品化的棒狀成型機(jī)，60年代成立了木質(zhì)成型燃料行業(yè)協(xié)會(huì)。70年代初，美國(guó)又研究開(kāi)發(fā)了內(nèi)壓滾筒式粒狀成型機(jī)。亞洲除日本外，泰國(guó)、印度、菲律賓等國(guó)從80年代開(kāi)始也都先后開(kāi)展了生物質(zhì)致密成型機(jī)設(shè)備及成型工藝方面的研究。
我國(guó)從20世紀(jì)80年代起開(kāi)始致力于生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所在“七五”期間承擔(dān)了生物質(zhì)致密成型機(jī)及生物質(zhì)成型理論的研究課題。于1990年研究開(kāi)發(fā)成功棒狀成型燃料成型制造工藝設(shè)備系統(tǒng)。于1998年率先研究開(kāi)發(fā)成功顆粒成型燃料熱成型制造工藝設(shè)備系統(tǒng)。遼寧省能源研究所開(kāi)展了生物質(zhì)固化成型技術(shù)中使用的壓縮成型機(jī)械及生物質(zhì)壓縮成型原理、壓縮成型主要影響因素、壓縮成型工藝等方面的研究工作。河南農(nóng)機(jī)研究所對(duì)環(huán)模生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)影響成型的各主要因素進(jìn)行了分析及試驗(yàn)研究，研究了不同生物質(zhì)原料、粒度、含水率、環(huán)模孔長(zhǎng)徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關(guān)系，確定了生物質(zhì)顆粒燃料的最佳成型條件。浙江大學(xué)也開(kāi)展了對(duì)切碎棉稈進(jìn)行高密度壓縮成型試驗(yàn)，研究了壓力、溫度和切碎棉稈粒度大小對(duì)成型塊松弛密度的影響。華東船舶工業(yè)學(xué)院也開(kāi)展了生物質(zhì)固體燃料成型機(jī)研究工作，并申請(qǐng)了專(zhuān)利。
1、棒狀成型燃料
1.1棒狀成型燃料成型機(jī)
成型機(jī)是生產(chǎn)成型燃料的關(guān)鍵設(shè)備，它的性能優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品質(zhì)量的好壞和生產(chǎn)成本的高低，由于棒狀壓縮成型燃料在成型機(jī)中擠壓力很高（一般50 - 200 MPa），而這么高的擠壓力主要由成型物料與成型套筒之間的磨擦力所產(chǎn)生，因而套筒的磨損十分嚴(yán)重。另外，在成型過(guò)程中，為了維持正常操作，生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，減少磨擦力，延長(zhǎng)套筒使用壽命，需要對(duì)套筒進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訙亍Ｒ虼耍瑢?duì)成型套筒的材質(zhì)要求十分苛刻，不僅要求材料具有很好的耐磨性，而且還要有良好的導(dǎo)熱性和可加工性，且價(jià)格低廉。進(jìn)口成型套筒材料的化學(xué)成分除了Fe以外含C 3.15%，Si2.589% ,Ni0.882% ,P0.037%,S O.032%,Cr0.602%（均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）。
典型的3種國(guó)產(chǎn)套筒化學(xué)成分（除了Fe以外）見(jiàn)表1，材料物理性能見(jiàn)表2。
3種套筒經(jīng)實(shí)際運(yùn)行，從耐磨性、傳熱、可切削性看，均達(dá)到要求，但1號(hào)和3號(hào)的價(jià)格較便宜，這種套筒使用壽命超過(guò)1000 h；
1.2棒狀成型燃料成型工藝
棒狀成型燃料典型的成型工藝流程為：把木屑或稻殼等原料送人振動(dòng)篩中，篩去大于6 mm的顆粒和其它雜物，通過(guò)料斗加入螺旋加料器，輸送到脈沖氣流干燥器，由引風(fēng)機(jī)引入熱風(fēng)爐的熱煙氣，將原料邊干燥邊輸送入高效旋風(fēng)分離器，氣體經(jīng)引風(fēng)機(jī)排空，而干燥原料則通過(guò)星形排料器進(jìn)入料倉(cāng)，定量加入棒狀成型機(jī)，擠出的成型燃料按等長(zhǎng)度(450mm)自動(dòng)切割成短棒。
1.3影響棒狀成型燃料生產(chǎn)的因素
木質(zhì)原料在成型過(guò)程中，成型機(jī)的結(jié)構(gòu)，成型機(jī)套筒所用的材料和螺桿材料以及成型工藝是相關(guān)的。在確定了成型機(jī)構(gòu)和有關(guān)部件所用材料后，成型工藝成了主要的技術(shù)關(guān)鍵，加熱溫度、壓力、原料粒度和含水率為影響成型燃料生產(chǎn)的主要因素。
1.3.1加熱溫度和壓力
由木質(zhì)素、半纖維素、纖維素組成了多種木質(zhì)原料，其中木質(zhì)素在加熱時(shí)可塑化，塑化時(shí)具有粘結(jié)性，將木質(zhì)原料中半纖維素、纖維素在壓力下粘結(jié)壓縮成成型燃料。不同種類(lèi)的原料由于其木質(zhì)素、半纖維素、纖維素含量的不同，原料狀態(tài)不同，成型所需的溫度和壓力是有差異的。試驗(yàn)證明：溫度和壓力過(guò)高或過(guò)低均會(huì)導(dǎo)致成型的失敗。溫度過(guò)低，投入熱量減少，不足以使木質(zhì)素塑化將原料成型，也不能使成型燃料表面熱分解收縮，并造成與套筒內(nèi)壁磨擦增大，加快套筒的磨損，增加成型機(jī)的功率消耗。溫度過(guò)高，則使成型燃料表面熱分解嚴(yán)重，出現(xiàn)裂紋，成型燃料強(qiáng)度下降，甚至不成型。壓力過(guò)低將不能使原料壓緊壓實(shí)，嚴(yán)重時(shí)不足以克服與套筒間的磨擦阻力，成型無(wú)法進(jìn)行。而壓力過(guò)高將使原料在套筒內(nèi)停留時(shí)間縮短，影響必要的熱量獲得，同樣不能成型。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)證明：成型壓力在120 MPa左右，最佳成型溫度以140 -180℃為宜。
1.3.2原料粒度和含水率棒狀成型燃料所用原料廣泛，不同原料有不同粒度。以木屑、稻殼、糠醛渣、刨花、稻草、花生殼、樹(shù)葉、葵花籽殼等8種不同粒度的原料為例，試驗(yàn)結(jié)果表明：木屑、稻殼、糠醛渣3種原料粒度合適，都可以直接成型，產(chǎn)品堅(jiān)實(shí)，表面光滑，模截面規(guī)則。其它5種原料都必須經(jīng)粉碎，一般要求粒度在4～6 mm以上不超過(guò)10%，仍可以生產(chǎn)合格產(chǎn)品。粒度過(guò)大時(shí)，會(huì)形成輸送困難，易架橋，從而無(wú)法成型。
不同種類(lèi)的原料成型難易也有差別，對(duì)松木和杉木屑試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：松木屑由于含非粘結(jié)的松節(jié)油等低揮發(fā)成分，成型時(shí)比較困難，而杉木屑由于木質(zhì)素含量較多，粘結(jié)性好，因此成型較容易。對(duì)難以成型的松木屑或硬雜木屑，如摻人80%左右的稻殼，則成型操作穩(wěn)定，成型產(chǎn)品質(zhì)量好。
原料含水率對(duì)成型過(guò)程以及產(chǎn)品質(zhì)量影響是很大的，所以必須嚴(yán)格控制成型時(shí)原料的含水率。當(dāng)原料含水率過(guò)高時(shí)，加熱產(chǎn)生的蒸汽來(lái)不及從成型燃料中心孔排出，從而產(chǎn)生爆鳴，含水率太低，也會(huì)發(fā)生成型困難。試驗(yàn)表明：無(wú)論何種原料，如含水率大于15%，成型機(jī)操作不穩(wěn)定，產(chǎn)品表面嚴(yán)重開(kāi)裂、強(qiáng)度大大下降。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)稻殼、花生殼等原料，含水率控制在6% -12%范圍，對(duì)木屑、刨花、樹(shù)葉等原料，含水率應(yīng)控制在6% -10%范圍。
1.4棒狀成型燃料的性能
1.4.1不同原料成型燃料的熱值木屑、稻殼、稻草、樹(shù)葉、玉米秸稈、花生殼等原料制成棒狀成型燃料后的熱值和灰分含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。
1.4.2棒狀成型燃料的吸濕性木質(zhì)成型燃料貯存時(shí)，會(huì)吸收空氣中的水分，產(chǎn)品含水率增加，表面開(kāi)裂和膨松、產(chǎn)品質(zhì)量呈下降趨勢(shì)，這是因?yàn)樵显诔尚蜁r(shí)未添加任何粘結(jié)劑，產(chǎn)品有吸濕傾向。
研究表明，成型燃料直徑大小影響成型燃料吸濕性能，成型燃料直徑大，抗?jié)B水性時(shí)間較長(zhǎng)，隨著成型直徑減小抗?jié)B水性時(shí)間減少，抗?jié)B水性能降低。為延長(zhǎng)成型燃料貯存時(shí)間，改善吸濕狀況，試驗(yàn)表明，在木屑中摻入30%稻殼成型燃料，可提高抗吸濕性能，也可以在原料中添加抗?jié)竦恼辰Y(jié)劑或產(chǎn)品用塑料薄膜包裝。
1.5棒狀成型燃料的深加工利用
生物質(zhì)成型炭是將木質(zhì)棒狀成型材炭化而成，由于成型炭成分同傳統(tǒng)木炭完全相同，不含任何有害成分，清潔衛(wèi)生，可長(zhǎng)期保存不會(huì)發(fā)生質(zhì)變，與傳統(tǒng)木炭具有同等強(qiáng)度和熱值，因此它是木炭產(chǎn)品的理想替代品。廣泛用于燒烤行業(yè)及以木炭為原料的化工行業(yè)。
1.5.1成型炭制造設(shè)備普通的木材炭化爐，所用原料為含水率15%-35%的塊狀木料，而生物質(zhì)成型材的含水率為5% -9%。由于兩者的含水率及本身強(qiáng)度上的巨大差異，決定了適合兩者的炭化爐結(jié)構(gòu)及炭化操作工藝具有顯著不同。針對(duì)生物質(zhì)成型材含水率低，強(qiáng)度比木塊差的特點(diǎn)，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研究開(kāi)發(fā)了移動(dòng)式成型炭制造設(shè)備，如圖1。
設(shè)備總體由普通型鋼支撐，呈箱形，長(zhǎng)×寬×高=2 000 mm×1 500 mm×1500 mm，內(nèi)層為耐火層，外層為厚度2 mm碳鋼板，夾層為保溫層，在設(shè)備前端為一鋼門(mén)，以方便爐內(nèi)小車(chē)進(jìn)出，鋼門(mén)裝有2個(gè)空氣進(jìn)口，用以調(diào)節(jié)炭化室空氣分布。在設(shè)備的后部，設(shè)計(jì)有燃燒室，成型材進(jìn)行炭化時(shí)產(chǎn)生的可燃性氣體及焦油絕大部分在此燃燒干凈，然后進(jìn)入煙囪，煙囪高12 000 mm。煙囪下部有φ30 mm開(kāi)口，以方便收集炭化操作時(shí)產(chǎn)生的木焦油及木醋液。
1.5.2成型炭制造工藝以5種不同材質(zhì)（樺木屑、松木屑、杉木屑、稻殼、玉米秸稈）為原料，原料粒度小于5 mm，經(jīng)壓縮成型為相對(duì)密度1.2左右的成型材，每根截成長(zhǎng)度為220 mm左右，整齊裝進(jìn)小車(chē)，送人炭化設(shè)備進(jìn)行炭化。
從引火材著火起，大約1h左右，小車(chē)中的成型材被引燃，爐頂上部溫度在2h后開(kāi)始上升，在13 h以前，上溫緩慢上升，直至200℃左右，下溫在4h后開(kāi)始緩慢上升，至30 h左右，上、下溫度接近一致，表明爐中成型材炭化過(guò)程接近終點(diǎn)，此時(shí)將炭化爐所有進(jìn)氣閥門(mén)全開(kāi)，煙囪排煙閥全開(kāi)，爐中進(jìn)入大量空氣開(kāi)始精煉過(guò)程，此過(guò)程延續(xù)約1h左右即可將小車(chē)中的成型材炭化料從爐中拉出，在密封罩中冷卻8h，即得到成型炭產(chǎn)品。
2、顆粒成型燃料
顆粒成型燃料，是以木屑、樹(shù)皮等農(nóng)林剩余物為原料，在高壓加熱條件下，壓縮成顆粒狀且質(zhì)地堅(jiān)實(shí)的成型物，可作為工業(yè)鍋爐、民用爐灶、家庭取明爐以及農(nóng)業(yè)暖房的燃料。顆粒成型燃料與棒狀成型燃料相比，生產(chǎn)時(shí)其原料含水率可增大至24%．燃燒的適應(yīng)面更廣等特點(diǎn)。
2.1顆粒成型燃料制造設(shè)備
中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所與江蘇省溧陽(yáng)正昌集團(tuán)合作，于1998年成功開(kāi)發(fā)KYW32型內(nèi)壓滾動(dòng)式顆粒成型機(jī)，它是由進(jìn)料、攪拌、成型、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。操作時(shí)，將原料從料斗進(jìn)入進(jìn)料器，由無(wú)級(jí)調(diào)速電機(jī)調(diào)速，定量的原料進(jìn)入攪拌器與從蒸汽進(jìn)口進(jìn)入的蒸汽混合后，由下料槽進(jìn)入成型機(jī)的成型室壓制成顆粒成型燃料。
成型機(jī)的環(huán)模孔尺寸，參照日本、美國(guó)專(zhuān)利和根據(jù)實(shí)驗(yàn)室不同原料成型工藝要求，確定模孔尺寸為模孔中央直徑6-10 mm，入口角60°，模孔長(zhǎng)度40 mm。
2.2顆粒燃料成型工藝條件
原料在成型過(guò)程中，成型機(jī)結(jié)構(gòu)、模孔尺寸以及成型工藝條件是相關(guān)的。在確定了成型機(jī)結(jié)構(gòu)和模孔尺寸后，成型工藝成了技術(shù)關(guān)鍵。不同原料制造顆粒成型燃料的主要影響因素有成型壓力、溫度、原料粒度、含水率等。
由木質(zhì)素、半纖維素、纖維素組成的木屑等原料，粒度為0.1 -2 mm，其中木質(zhì)素在加熱下可塑化，具有粘結(jié)性，將原料中的半纖維素、纖維素在壓力下粘結(jié)成成型燃料，所以成型時(shí)應(yīng)有合適的溫度和壓力。為了達(dá)到合適的溫度，必須對(duì)原料（氣干、含水率在11%- 12%）在攪拌器中進(jìn)行加熱增濕處理。蒸汽通入速率為10 - 22 kg/h，可使常溫原料升溫到60 - 80℃，同時(shí)使原料含水率從11%一12%增濕至16%- 22%。在此范圍內(nèi)，當(dāng)成型壓力為50 -100 MPa時(shí)，能連續(xù)穩(wěn)定制造顆粒成型燃料，生產(chǎn)能力為200 kg/h左右，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到日本“全國(guó)燃料協(xié)會(huì)”公布的顆粒成型燃料標(biāo)準(zhǔn)的特級(jí)或一級(jí)。
2.3顆粒成型燃料的應(yīng)用
以木屑等原料制造的顆粒成型燃料，與煤、石油相比，幾乎不含硫，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，使用方便。20世紀(jì)80年代日本有資料報(bào)道，燒成型燃料的費(fèi)用比燒油低30%-50%。在國(guó)外，顆粒成型燃料廣泛地作為工業(yè)鍋爐燃料，作為工廠、學(xué)校、醫(yī)院、家庭取暖燃料。
目前，我國(guó)有北京盛昌綠能科技有限公司，山東濱州生物質(zhì)燃料有限公司等廠家生產(chǎn)顆粒成型燃料。我國(guó)南京平亞科技實(shí)業(yè)公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了一種家用取暖爐，具有操作方便、美觀大方、清潔衛(wèi)生、安全可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，操作費(fèi)用遠(yuǎn)低于空調(diào)取暖。以150m2房間為例，一個(gè)冬季僅需0.5～1.0t成型燃料，經(jīng)測(cè)算，空調(diào)器耗電近3 kWh產(chǎn)生的有效熱量，才相當(dāng)于1 kg成型燃料產(chǎn)生的有效熱量，用電取暖的操作費(fèi)用高出成型燃料取暖的2倍左右。
3、結(jié)論
生物質(zhì)成型顆粒燃料由于具有較高的壓縮比，極大地方便生物質(zhì)資源的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，同時(shí)改善了生物質(zhì)原料的燃燒性能，提高了生物質(zhì)資源的利用效率。作為一種可再生的清潔能源，有著廣闊的發(fā)展前景。目前，我國(guó)采用的生物質(zhì)固化成型燃料的形狀主要有棒狀、塊狀和顆粒狀。這幾種形狀燃料的加工方法均為傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，普遍存在著設(shè)備能耗過(guò)高、磨損嚴(yán)重和使用壽命短等問(wèn)題。以生產(chǎn)顆粒狀燃料方法為例，它與現(xiàn)有的生產(chǎn)顆粒狀飼料的方法相似，即原料從設(shè)備環(huán)模內(nèi)部加入，經(jīng)壓輥碾壓擠出環(huán)模而成顆粒狀。該工藝流程需要消耗大量能量，首先是顆粒壓制成型過(guò)程中，壓強(qiáng)達(dá)到50 - 100 MPa，原料在高壓下發(fā)生變形、升溫，溫度可達(dá)100～120℃，電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要消耗大量的電能；其次是原料的含水率要求在12%左右，為了達(dá)到這個(gè)含水率，很多原料要烘干以后才能用于制粒，這些工藝流程均需消耗大量能量。
要解決上述問(wèn)題，可通過(guò)下列途徑：一是加大科研投入，積極研發(fā)新工藝和新設(shè)備，降低能耗，減少生產(chǎn)成本；二是引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)設(shè)備，消化吸收，形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；三是政府扶持，對(duì)研制開(kāi)發(fā)單位和新型生物質(zhì)能用戶(hù)進(jìn)行補(bǔ)貼，降低產(chǎn)品使用成本。
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