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南通生物质能源颗粒成型条件的 研究

来源: 发布时间:2019-04-20 4095 次浏览

  摘要:分析了在常温条件下生产生物质能源颗粒的 技术条件、设备(shèbèi)系统及其实际运行状况;研究了环模压缩比、原料种类和原料含水率等因素(factor)对颗粒燃料(fuel)密度的 影响;总结了高密度颗粒燃料在较低能耗情况下的 成型(Forming)条件。该研究工作为生物质能源颗粒技术的 开发及产业化应用奠定了基础。
  0前言
  以松散的 生物质在常温条件下生产颗粒燃料是生物质能最直接、最简单的 利用方式。近年来,生物质能源颗粒的 生产已引起高度重视和广泛关注,的 可再生能源产业发展规划及相关政策更为生物质能源颗粒的 推广应用起到了巨大的 推动作用。
  生产生物质(Biomass)能源颗粒的 关键是具有性能良好、运行简单的 颗粒燃料生产设备(shèbèi)。本文以自制生物质能源颗粒设备,研究了玉米秸秆、豆秆、稻壳、芦苇等4种原料在常温下的 成型条件,获得了一系列对开发生产设备及生产颗粒燃料具有指导意义的 规律。
  1试验
  1.1试验设备及原料来源
  试验设备选用辽宁省能源研究所研制的 BIO-C37生物质颗粒燃料成型机。
  根据成型设备的 生产能力及对原料粒度的 要求,对玉米秸秆、豆秆、芦苇等物料进行粉碎处理。粉碎后的 物料粒径小于10mm;木屑、稻壳等物料无须再粉碎即可直接成型。玉米秸秆、豆秆、稻壳、芦苇4种原料均取自辽宁省营口地区,锯末是大连地区木材加工厂的 废弃物。玉米秸秆、稻壳、豆秆均产自上一年,芦苇、锯末均产自当年。
  1.2试验内容
  ①分别采用玉米秸秆、稻壳、锯末、芦苇、豆秆5种原料,在环模压缩比(压力为25~65Mpa)为3.5,4.0,4.5,5.0,5.5的 工况下,测试不同原料的 成型条件,推算出颗粒燃料成型的 趋势。
  ②以玉米秸秆、稻壳、锯末、芦苇、豆秆为原料,在环模压缩比为3.5,4.0,4.5,5.0,5.5的 工况下,测试成型颗粒产品的 外观质量、密度,绘制特性曲线,确定各类原料成型时产品的 质量、密度与环模压缩比的 关系。
  ③在确定更佳成型环模压缩比的 工况下,以含水率为9%,12%,15%,18%,21%的 玉米秸秆和芦苇为原料(Raw material),测试设备系统的 能耗,产品的 外观质量(Mass)、密度,绘制特性曲线,确定这一类农作物秸秆成型的 最适宜水分范围。
  ④在确定更佳成型环模压缩比和最适宜成型水分范围(fàn wéi)的 工况下,分别以4种粒度(大于10mm,5~10mm,1~5mm,小于1mm)的 玉米秸秆和芦苇为原料,测试产品的 外观质量、密度,确定这类农作物秸秆最适宜的 成型粒度范围。生物质颗粒燃料生物质颗粒的直径一般为6~8毫米,长度为其直径的4~5倍,破碎率小于1.5%~2.0%,干基含水量小于10%~15%,灰分含量小于1.5%,硫含量和氯含量均小于0.07%,氮含量小于0.5%。
  2结果与讨论
  2.1生物质能源颗粒成型原理分析
  结构疏松、密度较小的 生物质物料在受到外力作用后,原料将经历重新排列位置、机械变形、弹性(Elasticity)变形、塑性变形阶段。非弹性或粘弹性纤维素分子之间的 相互缠绕和绞合,使物料体积缩小,密度增大
  (1)。
  2.2不同生物质(Biomass)原料在同一压缩比条件下成型分析(Analyse)
  2是玉米秸秆、芦苇、豆秆、锯末4种物料颗粒燃料的 密度与压缩比的 关系曲线。由2可见,玉米秸秆和芦苇成型颗粒达到较高的 密度时所需压缩比相同;锯末成型颗粒达到较高密度时需要较大的 压缩比。这一结果反映了不同种类的 生物质物料的 组织结构(Organizational Structure)和组成成分的 差异。生物质主要由纤维素、半纤维素、木质素等构成,木质素是由苯丙烷结构单体构成的 具有三维空间结构的 天然高分子化合物。在常温条件下,木质素在水及常用的 有机溶剂中几乎不溶解,在加热条件下也不软化,其含量对物料成型影响不大。纤维素是植物细胞壁的 主要成分之一,它是由葡萄糖组成的 线形高分子。纤维素的 含量越高,说明植物细胞机械组织越发达,颗粒成型时就需要更大的 压力。
  生物质内纤维素含量决定了其常温成型的 难易程度。生物质原料纤维素含量的 分析结果验证了试验结果(表1)。
  环模压缩比的 大小决定了成型压力的 大小。玉米秸秆、芦苇等原料的 纤维素含量少,受到外力挤压时易发生形变,因此成型时所需的 环模压缩比小,即成型压力较小;锯末的 纤维素含量高,成型时所需的 环模压缩比大,即成型压力较大。因而,采用不同生物质原料生产(Produce)成型颗粒燃料,应采用不同的 环模压缩比,原料中纤维素含量接近的 生物质物料可采用相同压缩比的 环模。
  2.3同一生物质在不同压缩比环模中成型分析
  各种物料在不同压缩比环模中的 成型试验及计算数据见表2~4。
  由表2~4可看出,对于上述几种原料,随着环模压缩比的 加大,颗粒密度增大,能耗增加,产量提高。当达到一定压缩比时,成型颗粒的 密度增加较小,能耗相应增加,而产量却有所下降。试验表明,以豆秆作原料,采用压缩比为4.0的 环模;以玉米秸秆作原料,采用压缩比为4.5的 环模;以锯末作原料,采用压缩比为5.0的 环模,颗粒燃料的 密度均能满足质量要求,且设备系统能耗较低。
  同一种原料在不同压缩比环模中成型,颗粒燃料的 密度随压缩比的 增大而逐渐增大,并在一定压缩比范围内,密度保持相对稳定,当压缩比增大到一定程度时,原料会因为压力过大造成出料不畅而不能成型。由于稻壳的 粒度大,且灰分较多,因而稻壳难以形成颗粒。对于同一种物料,为获得较大的 颗粒密度,应设计采用较大的 环模压缩比。
  2.4原料(Raw material)粒度对成型条件的 影响
  生物质原料的 粒度对成型条件有很大影响。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。由表5可以看出,随着玉米秸秆和芦苇原料粒度的 增大,其成型颗粒密度(单位:g/cm3或kg/m3)逐渐减小,当原料粒度大于10mm时成型效果极差,甚至不成型,但原料粒度太小也会影响颗粒密度。因而,以玉米秸秆、芦苇等生物质作原料进行颗粒燃料的 生产(Produce)时,其粒度保持在1~5mm较为适宜。
  2.5原料中水分对颗粒燃料密度的 影响
  物料颗粒密度(单位:g/cm3或kg/m3)与含水率的 关系如3,4所示。由3,4可以看出,随着原料含水率的 增加,成型颗粒燃料的 密度随之增大,当达到一定的 适宜含水率范围(fàn wéi)时,颗粒燃料的 密度达到更大并保持相对稳定;当原料的 含水率增加到一定程度后,颗料燃料的 密度开始下降,最终导致无法成型。
  生物机体内存在适量的 结合水和自由水,它们具有润滑(lubrication)剂的 作用,使粒子间的 内摩擦变小,流动性增强,从而促进粒子在压力作用下滑动而嵌合。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。当生物质原料的 含水率过低时,粒子得不到充分延展,与四周粒子结合不够紧密,所以不能成型;当含水率过高时,粒子尽管在垂直于更大主应力方向上能够充分延展,粒子间能够啮合,但由于原料中较多的 水分被挤出后,分布于粒子层之间,使得粒子层间不能紧密贴合,因而不能成型。
  因此,以玉米秸秆、芦苇等生物质作原料进行颗粒燃料的 生产时,原料的 含水率应保持在12%~18%较为适宜,更佳含水率为15%。
  3结论
  在常温条件下,生物质原料在压缩成型过程中,粒子发生变形后以相互啮合的 形式结合,而粒子层之间以相互贴合的 形式结合。原料中纤维素含量决定了成型的 难易程度,纤维素含量越高,成型越容易。原料粒度和含水率对成型条件有明显影响,粒径为1~5m
  M、含水率为12%~18%时,生产的 颗粒燃料密度更大。
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