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阜宁生物质颗粒燃料成型设备发展现状与展望

来源:澳门游戏网站 发布时间:2019-05-24 3422 次浏览

  摘要:介绍了生物质能源颗粒及其特性,综述了国内外生物质能源颗粒成型机发展现状,对环模颗粒成型机和平模颗粒成型机的 性能和应用进行了比较,并针对目前国内外生物质能源颗粒成型技术及设备存在的 问题,提出了我国生物质能源颗粒设备及产业化发展方向。
  0引言
  近年来,人类社会经济发展日益迅猛,但这是以大量消耗化石能源(解释:向自然界提供能量转化的物质)并污染环境为代价的 。化石能源日益减少,环境污染日益严重,寻找一种可再生的 替代能源已迫在眉睫。生物(Organism)质能是一种可再生能源,具有可再生性和环境友好性的 双重属性,近年来越来越受到人们重视,其消耗量已跃居第4位,仅次于石油、煤炭和天然气[1]。我国的 生物质能资源十分丰富[2],每年仅农业废弃物产量就有约7.15亿t,其中农作物秸秆产量约为4.33亿t,约占60%[3]。
  我国大多数农民利用秸秆、薪柴的 方式还停留在最原始的 直接燃烧的 状态,这样不仅农作物秸秆不能充分燃烧,浪费资源,而且对环境造成严重污染,危害人们身心健康(Health)[4]。生物质(Biomass)成型燃料的 能量密度相当于中质烟煤,但成型燃料燃烧排放的 CO2来自于秸秆光合作用吸收的 CO2,吸收和排放达到平衡,基本实现零排放,其它有毒有害气体排放量也远小于煤。生物质成型燃料本身体积较小,接触到的 空气充足,可以充分燃烧,相对于煤来说,燃烧特性明显改善,利用效率显著提高[5]。生物质秸秆固体成型燃料包括颗粒燃料、块状燃料和棒状燃料,其中颗粒燃料因其自身特性,具有流动性强、燃烧效率高等优点,从而得到广泛应用。
  本文拟通过介绍生物质能源颗粒及其特性,综述国内外生物质能源颗粒成型机发展现状,对比分析国内环模颗粒成型机和平模颗粒成型机的 性能和应用,探讨国内外生物质能源颗粒成型技术及设备存在的 问题,并提出我国生物质能源颗粒设备及产业化发展方向。
  1生物质(material)能源颗粒特性
  秸秆等生物质原料在施加一定的 外部压力的 作用下,由于物料间以及物料和模辊间的 相互摩擦,物料达到一定温度,再加上木质素的 黏结作用,使植物体变得致密均匀,当取消外部压力后,由于纤维分子之间的 相互缠绕,一般不能恢复原来的 结构和形状,冷却以后强度增加,成为成型燃料[6]。
  生物质能源颗粒通常是指由经过粉碎的 固体生物质原料通过成型机的 压缩成为圆柱形的 生物质固体成型燃料,直径(diameter)≤25mm,长径比≤4,常见直径尺寸有6,8,10mm。成型颗粒燃料密度明显增大,体积明显缩小,便于运输和贮存;同时,体积小,与空气接触面积大,利于燃烧;规格一致,便于实现自动化输送和燃烧;可作为工业锅炉、住宅区供暖及户用炊事、取暖的 燃料[7]。
  燃料的 挥发分含量越高,则点火越容易,燃烧性能(xìng néng)越好,而生物质能源颗粒的 挥发分含量高达60%~70%[8],远高于煤,故其点火性能和燃烧性能均优于煤;碳含量为35%~42%,远低于煤。这使得其热值低于煤[9];N含量为0.5%~3%,S含量仅为0.1%~0.5%t[10],燃烧时NOx和SO2的 排放量远低于煤,排放的 CO2和秸秆光合作用吸收的 CO2达到平衡,基本实现零排放[11];与原始状态的 生物质资源相比,颗粒燃料燃烧时间更持久。由此可见,生物质能源颗粒是一种 ;优质、清洁、高效 ;的 燃料[12]。
  生物质能源颗粒的 加工工艺主要包括原料接收、粉碎、混合、除尘、成型(Forming)、冷却、筛选回收和计量包装等工序,具体工艺流程如1所示。
  近年来,随着新能源产业的 不断发展,秸秆能源化利用得到了高度重视,相继出台了一系列鼓励和支持相关产业发展的 政策法规。在这些政策法规的 鼓励和支持下,国内生物质固体成型燃料产业蓬勃发展,截至2009年底,全国已有生产厂家260余处,生产能力每年约76.6万t[13]。国内生物质固体成型燃料主要用作农村居民户用炊事、取暖、住宅区取暖、工业锅炉以及发电厂等的 燃料,可减少一次能源的 损耗,增加生态效益;减少温室气体排放,增加环境效益;为农民增收,增加社会效益[14]。
  2国内外生物质能源(解释:向自然界提供能量转化的物质)颗粒成型机发展现状
  2.1国内生物质能源颗粒成型机的 研究现状
  经过多年的 研究与试验,国内部分成型设备及其配套产品发展成熟。如农业部规划设计研究院的 生物质制粒设备,整机传动部分选用瑞士、日本高品质轴承(bearing),确保传动高效、稳定、噪声低,采用国际先进的 真空护热处理制造工艺加工而成的 合金钢环模,使用(use)寿命长,且适用范围广,可将玉米秸秆、棉花秸秆、花生壳以及木屑等多种燃料制粒成型;江苏牧羊集团生产的 MUZL系列制粒机,采用双马达同步齿形带分步骤传动系统及独特三压辊经典设计,布料均匀,产量高,噪音低,环模技术可加工最小颗粒孔径1.2mm;江苏正昌集团生产的 MZLH508JG高效率制粒机,采用国际先进的 设备和工艺加工制造的 合金钢环模,使用寿命长,特制喂料机构,进料均匀可靠,专为压制各种秸秆颗粒燃料而设计。3个生产厂家的 主要产品技术参数及性能指标如表1所示。
  2.2国外生物质能源颗粒成型机的 研究现状
  目前,国外的 很多企业生产的 颗粒成型设备(shèbèi)技术已经日趋成熟,像德国SALMATEC公司的 MAXIMA模块化设计的 制粒机,可以适应多种原料,生产率高达30000kg/h;奥地利ANDRITZ公司生产的 Feed&Bio-fuel系列颗粒机,轧辊可以快速、简单、准确的 滚动调整,模孔尺寸通常的 范围从1.5~9.5mm,颗粒模具可达到约90mm厚。生物质能源颗粒若使用添加剂,则应为农林产物,并且应标明使用的种类和数量。欧盟标准对生物质颗粒的热值没有提出具体的数值,但要求销售商应予以标注。瑞典标准要求生物质颗粒的热值一般应在16.9 兆焦上。生物质颗粒燃料由秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳等以及“三剩物”经过加工产生的块状环保新能源。生物质颗粒的直径一般为6~10毫米。此外,ANDRITZ公司针对每道工序或完整的 工艺生产线采用全自动控制系统,确保成型颗粒质量的 同时,符合成本效益。模块化设计的 控制系统,范围从业务职能的 基本控制到整个工艺生产线,包括先进的 电脑控制、秤、粉碎机、搅拌机、挤压机、烘干机、制粒机、冷却器和涂层机等。
  国外生物(Organism)质颗粒燃料设备制造已经比较规范,但成本较高,同等生产能力的 设备是国内的 5~10倍。
  3生物质能源颗粒成型(Forming)机
  生物质固体成型主要分为模辊挤压、螺旋挤压和活塞冲压等方式[15]。其中,螺旋挤压、活塞冲压主要用于生产块状及棒状燃料,模辊挤压主要用于生产颗粒燃料,且具有生产率高、成型率高、成型颗粒质量好、可连续生产等优点,与螺旋挤压、活塞冲压相比,工作状态更稳定,对物料的 适应性更好,且其生产的 颗粒燃料满足燃煤电厂对生物质成型燃料均匀度要求,可实现工业的 自动化上料,是目前发展的 重点。
  模辊式成型机分为环模成型机和平模成型机,主要工作部件是压模与压辊,在成型室中,压模与压辊通过将原料挤压进模孔而成型[16]。
  3.1环模颗粒成型(Forming)机
  环模颗粒成型机机型采用环形压模和压辊为主要工作部件,主要由上料系统、搅拌调质系统、传动系统及成型系统组成[17]。环模颗粒成型机结构及设备如2和3所示。
  成型机工作原理:电动机带动环模转动,由于摩擦力的 作用,环模上的 物料带动压辊转动。物料被强制喂料器送入压制室内之后,随环模和压辊转动,二者相互挤压,夹在其间的 物料就被不断压缩,随着物料内部压力和密度不断增大,达到一定密度的 物料就被压入环模模孔当中,经过一段时间保压定型,具有一定密度的 生物质能源颗粒即成型[18]。
  由于颗粒燃料直径较小,环模压缩比较大,对原料的 含水率要求较高,一般含水率在12%~15%之间、原料粒径在1~5mm之间时适合成型[19-21]。
  3.2平模颗粒成型(Forming)机
  平模颗粒机采用平模和与其相配合的 圆柱形压辊为主要工作部件,按工作部件的 运动状态分,平模制粒机有动辊式、动模式、模辊双动式3种,动模式和模辊双动式常见于小型平模制粒机,动辊式则一般用于较大机型。按压辊的 形状分,又可以分为锥辊式和直辊式两种。
  直辊动辊式平模制粒机工作原理如4所示。电动机经过减速箱减速后驱动主轴转动,主轴带动压辊公转。同时,压辊绕压辊轴自转,原料被送入喂料室后,由分料器和刮板将其均匀地铺在平模上;压辊不断自转和公转,将平模上的 物料不断挤压进模孔内;物料在模孔内密度和温度不断升高,经过一定时间保压定型后,被挤出平模;旋转切刀将物料切断,形成颗粒燃料;最后,由扫料板将成型颗粒送出。平模颗粒成型机设备如5[23]所示。
  平模成型机对原料水分适应性强,含水率一般在15%~25%之间,结构简单,成本较低,适于农村小规模使用(use),但产量普遍偏低,一般不超过0.5t/h[24]。
  3.3环模颗粒机和平模颗粒机的 对比
  环模颗粒机特点在于产量大,成型颗粒规格一致,密度高,可达1.0~1.3kg/m3,不加任何添加剂也能做出颗粒来;压辊和环模磨损(零部件失效的一种基本类型)均衡,能够降低易损耗品的 消耗;拆装容易,维护简单。其缺点是电耗普遍偏高。
  而平模机器的 优点在于耗能小,机动性大,适合农村居民小规模应用,不适合工厂企业的 大规模运作。其缺点在产量低,压力小,成型质量差。其工作面如加宽后,压辊和平模的 磨损又不均衡,达不到更大的 产量,配件拆装繁琐、维护麻烦。平模机和环模机性能特点[26-32]的 对比分析如表2所示。
  4存在问题
  1)易损件磨损快。对于模辊式颗粒成型机,原料中的 硅酸盐成分、杂质、喂料的 不均匀以及原料中水分等因素都会加剧压辊表面的 磨损,致使压辊快速磨损失效。环模不但是易损件,而且制造成本较高[33],减少和改善环模与压辊的 磨损,不仅有利于明显降低颗粒加工成本,提高经济效益,而且可提高产品生产率及成型产品质量。
  2)模孔堵塞严重。发生模孔堵塞,与物料本身特性、调质质量、输送速度和模辊间隙等有关。模孔堵塞不但影响正常生产,降低生产率,还会影响成型颗粒质量,降低环模寿命。但是,目前如何很好地预防和及时处理模孔堵塞的 问题还未得到解决。
  3)成型机专业化水平低。目前,国外的 颗粒燃料成型技术虽然已经比较成熟,但其颗粒成型机针对的 原料多为木屑,少有针对秸秆的 成型设备。国内现有的 针对秸秆原料的 颗粒成型机,也是仅针对像玉米秸秆、小麦秸秆、花生壳等几种常见原料,对其它原料,则会出现设备运行不平稳甚至无法正常运行的 现象,即对原料要求较高,适应性差,还未达到专业化水平。
  4)无相关配套设备标准。和成型机配套的 相关辅助设备没有统一标准,如粉碎设备的 粉碎粒度规格不统一,造成成型机成型的 难易程度不同,从而导致成型燃料质量及成型率不同,影响生产率(productivity),且易造成设备运行不稳定、生产线故障率高。
  5结论
  生物质能源颗粒有诸多优点,随着一次能源的 减少,其使用必将更加广泛。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。国外针对生物质固体成型燃料设备的 研究已经比较成熟,而且多数是大规模产业化生产,有的 已经实现模块化的 全自动控制生产线,生产率高,产品质量好,已达到规模化和商品化。
  国内制粒机近年来已取得很大进展,但与国外相比,最为突出的 还是能耗问题,目前,能源问题日益突出,降低制粒机能耗,应是今后重点研究(research)方向。其中,环模制粒机环模的 磨损以及模孔堵塞,也是亟待解决的 问题。从根本上提高制粒机的 产量和成型颗粒质量、降低能耗,还需要通过改变模辊间隙、模孔形状等细节问题上来提高,可以降低生产线故障率,提高稳定性。此外,制定生物质能源颗粒成型设备的 行业标准,有利于促进其产业化和商品化进程。
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