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生物质固体成型燃料技术研究进展及应用效益分析

来源:网络整理 作者:采集侠 2016/06/14 10:29

李平,蔡鸣,陈正明,崔晋波

(重庆市农业科学院,重庆401329)

  摘要:阐述了生物质固体成型燃料技术的国内外研究现状,对当前生物质成型燃料技术工艺、设备研究进展和生物质固化成型燃料应用状况进行了总结,并分析了我国生物质成型燃料应用的经济、社会和生态效益。

  对化石能源的过度依赖,造成了2个日益突出的问题:一是环境污染日益严重;二是现存的化石燃料储量日趋减少。2009年的哥本哈根国际气候会议上提出了“减少碳足迹”的倡议,我国承诺2020年单位生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%、非化石能源占一次能源消费比例达到15%左右。世界各国广泛关注研发新能源,生物质固体成型燃料应运而生。

  1生物质固体成型燃料技术研究现状

  生物质压缩成型技术,是将各种生物质资源包括锯末、秸秆、稻壳等农林废弃物通过加压、加热,由原来的松散的原料压缩成具有一定形状和密度的成型燃料棒的技术。目前,许多国家开展了生物质压缩成型技术的研究,通过把松散的、低热值的物质压缩成一定形状和密度的压缩块(Bri-quette)或压缩粒(Pellet),来达到高效利用生物质潜在热能的目的。

  1.1国外生物质固体成型燃料技术现状 国外生物质成型燃料开发工作始于20世纪30年代。美国于30年代就开始研究压缩成型技术,并研制了螺旋压缩机。在温度80~350℃和压力100MPa的条件下,能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料。1978年,美国太阳能公司投资1.2亿美元,建造了一座日产300t的肥料压缩块工厂。50年代,日本研制成功冲压成型机;80年代开始,对生物质压缩成型燃料的机理进行了探讨,使成型燃料更为实用化,颗粒成型技术获得突破,螺杆挤压成型技术普遍应用,东南亚国家发展迅速;90年代前,主要用于民用炊事、采暖;1995年以后,瑞典、丹麦、奥地利等国大力推进产业化,民用锅炉、工业锅炉、一些国家的生物质成型燃料设备已经定型。并且,奥地利、瑞典等国家的小型热电厂已经开始应用成型燃料,并开始向国外出售技术和设备。目前,美国、荷兰、瑞典的生物质成型燃料的生产都实现了工厂化或产业化,原料从收集、干燥、粉碎、包装、销售环节全部实现了生产线生产。并且,日本、美国及欧洲已经出台成型燃料生产标准。

  1.2我国生物质固体成型燃料技术现状 我国生物质固体成型燃料的研究起步较晚,始于20世纪80年代,1990年以后,机械螺杆式、活塞式成型技术得到发展,90年代期间,河南农业大学研制成功HPB系列液压驱动柱塞成型机(大棒性)。北京市大兴区利用研制开发的适宜于农作物秸秆的HM-485型环模式成型机,建成了年产2万t的生物质固体成型燃料生产线,并投产运行,该成型机生产率达1.5t/h,关键部件寿命达400h以上,截至2009年12月,已累计生产和销售秸秆固体成型燃料1.23万t。目前,河南、江苏、北京、吉林、湖北、山东、黑龙江、辽宁等省市建成年产万吨以上成型燃料厂10余处,年产达170万t。

  2生物质成型燃料工艺研究进展

  根据不同的工艺特征,原料压缩成型工艺分类不同:在是否添加粘结剂上可分为加粘结剂和不加粘结剂的成型工艺;在原料加温方式上可分为常温成型、热压成型和炭化成型;在原料是否预处理上分为干压成型与湿压成型。就目前而言,使用比较广泛的压缩成型工艺为炭化成型、冷压(湿压)成型和热压成型。

  2.1炭化成型技术 炭化是指有机物通过热解而导致生成含碳量不断增加的化合物的一个长过程。炭化成型工艺的基本特征是,首先将生物质原料炭化或部分炭化,然后再加入一定量的黏结剂挤压成型。常见的有2种情况,一种是指先用成型机将物料压缩成燃料棒,然后用炭化炉将燃料棒炭化成木炭的过程,其工艺流程为原料-粉碎-干燥-成型-炭化-冷却-包装。这种工艺没有将物料压缩成型与炭化过程结合起来,两者相对独立;另外一种情况是将压缩成型和热解炭化有机结合,使其前后连续,采用柱塞式压缩成型机压缩,柱塞将物料沿着压缩套筒推入热解筒内,通过间接加热方式,由电热炉向热解筒提供热量,物料在套筒设定的温度内被炭化,得到所需的相应产物。

  炭化成型技术的优点是能耗低,因为原料纤维素结构在炭化过程中受到破坏,高分子组分受热裂解转换成炭,并放出挥发分,使成型部件的磨损和能耗都明显降低。该技术的缺点是炭化后的原料维持既定形状的能力较差,储存、运输和使用时容易开裂或破碎,必须使用粘结剂,就需要较高的成型压力,这将明显提高成型机的造价。但我国木炭的需求量随着经济发展正逐年增加,王文兵等经过调查研究认为,在我国发展机制木炭具有良好的经济、社会和生态效益。

  2.2冷压(湿压)成型技术 冷压(湿压)成型技术是在常温下,通过特殊的挤压方式,使粉碎的生物质纤维结构互相镶嵌包裹而形成颗粒。由于该成型技术对原料的含水率要求不高(前粉料含水率范围可扩大到6%~25%),所以又称为“湿压”成型技术。该技术工艺环节简单,只需粉碎和压缩2个环节。与“热压”技术相比,该技术在原料、设备、能耗上有较强的优势:原料适用性广;设备系统结构简单、体积小、重量轻、价格低、可移动性强;成型能耗低、成本低。

  2.3热压成型技术热压成型技术是在170~220℃的高温及高压下,使木质素中的胶性物质释放出来,起一种粘结剂的作用,同时通过高压,将粉碎的生物质材料挤压成625kg/m3的高密度颗粒。热压成型技术的优点是极大地降低了生物质的储运成本,提高了燃烧效率。较冷压成型技术,其缺点是:①工艺环节复杂,由粉碎、干燥、加热、压缩、冷却5个环节组成;②对成型前粉料含水率有严格要求,必须控制在6%~12%;③成本高,欧洲市场售价为110~150欧元/t,在我国生产时,售价高达1000元/t以上。

  虽然冷压成型技术较热压成型技术能耗相对较低,但总体上讲,其能耗仍然较高(平均耗电达1.5kW·h/kg)。意大利研发出的ETS新型木质颗粒制粒生产系统是一种常温成型技术。该技术主要具有以下几个优点:①对原料的含水率要求不高(范围可达10%~35%);②无需干燥,由于对原料的湿度适应性强,在技术工艺上可以减少干燥环节,即可直接用于制粒;③无需冷却,成粒时机器的升温只有10~15℃,压制出的颗粒温度一般只有55~60℃,所以无需冷却即可直接进行包装;④能耗、成本低,由于省掉干燥和冷却2道工序,ETS系统在整个制粒过程的单位能耗为25~60kW·h/t,而传统工艺的单位能耗为80~180kW·h/t,单位能耗减少60%~70%,且机器磨损也大大减小,总成本降低。

  3生物质固体成型设备研究进展

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