生物质固化成型技术及其展望

生物质固化成型技术及其展望张大雷姜洋潘亚杰辽宁省能源研究所营口115000e-mail:[e-mail]摘要:本文比较详细、全面地讨论了生物质固化成型技术的基本原理、工艺过程和技术关键，介绍了目前生物质固化成型装备的现状、用户的要求特点及重点要求地区或行业。保证成型燃料具有较大密度、成型机连续运转及选择合适的碳化工艺是该技术装备的关键，当以木炭为最终产品时这一点尤为重要。木屑、秸秆、稻壳等均可作为生物质固化成型的原料，但当木炭为最终产品时，木屑是唯一的原料。目前，我国的生物质固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上还很不足，这一问题以成型机最为突出。生物质固化成型技术装备有十分广泛的应用领域，林区、林产品加工业集中区、农作物秸秆质优量大区，均是该装备的市场。1.前言生物质是一种可再生的物质资源，但它作为能源物质利用基本上还是直接燃烧来获取热能。由于生物质的燃烧特性较差，所以有效利用率很低。随着我国农村生活水平的日益提高，相当大量的生物质未得以有效、充分的利用。我国每年因制材、林产品加工产生的木屑的数量也十分巨大，其中绝大部分废弃。如何将这些宝贵的生物质能资源转化为方便、清洁的能源形式，其经济、社会效益都是十分明显的。作为生物质能转化途径之一的固化成型技术已引起人们的关注和兴趣。以作者为首的课题研究小组经几年的研制开发，在生物质固化成型技术和装备上取得了突破性结果，成套设备的运行结果显示了这一技术巨大的市场潜力。2.生物质固化成型的过程2．1成型原理植物细胞中除含有纤维素、半纤维素还含有木质素（木素），木素是具有芳香族特性的结构单体，为丙烷型的立体结构高分子化合物。在阔叶木、针叶木中木素含量为27%～32%（干基），禾草类木素含量为14%～25%。虽然在各种植物中都含有木素，但它们的组成、结构并不完全一样。木素属非晶体，没有熔点但有软化点，当温度为70～110℃时粘合力开始增加，木素在适当温度下（200～300℃）会软化、液化，此时加以一定的压力使其与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型，因此采用热压法成型秸秆（或木屑）燃料可不用任何添加剂、粘接剂，大大降低了加工成本，而且利用木素软化、液化的特点，适当提高热压成型时的温度有利于减小挤压动力。生物质成型燃料就是利用这一原理以生物质固化成型机经热挤压制得的。2．2成型的工艺过程生物质成型是有条件的，它对原料的种类、粒度、含水率都有一定的要求。秸秆、麦秸等需进行适当的粉碎，几乎所有的物料都要进行干燥。为进一步提高成型燃料的使用价值，扩展应用领域，可进行碳化，所以生物质固化成型的工艺过程可表述为：原料→预处理→干燥→成型→碳化→木炭木屑、稻壳等由于粒度细小，筛除杂物即可直接使用，秸秆、麦秸需经专用设备粉碎至粒度在10mm以下。生物质的含水率一般在20%～40%，因此干燥是必不可少的过程。干燥方式一般宜采用气流式干燥，以生物质燃烧产生的烟道气为热源，物料在干燥管内干燥后由旋风分离器排出。成型是生物质固化技术的核心，成型的方式有多种，但目前使用最多的还是以螺杆为输送和压缩物料的连续挤出，其特点是成型燃料的密度大，表面质量好，最主要的是成型燃料碳化后所得木炭的质量好。根据物料的种类和含水率，控制适宜的成型温度即可得到密度较大、表面光滑、无明显裂纹、任意长度的中空棒状成型燃料。碳化虽不是生物质固化成型技术不可或缺的，但在很多情况下却是十分主要的辅助手段。碳化的方式有连续内热式干馏法、外热间歇式干馏法和烧炭法。连续内热式适于大规模连续化生产，烧炭法适于小规模经营，外热间歇式则适于各种情况。木屑、刨花等原料生产的成型燃料更适合碳化，秸秆、稻壳等原料由于灰分大，除特殊情况外均不碳化。3.生物质固化成型的技术关键生物质固化成型的设备包括粉碎机、干燥设备、成型机、碳化釜等。成型是整个过程的决定性步骤，故成型机的性能决定了产品质量和生产成本。因物料的种类、含水率等的差异，造成了成型技术的复杂性和工艺的不确定性。由于成型螺杆的工作环境极端恶劣，使得螺杆使用寿命很短。3．1成型条件1.原料的含水率原料的含水率对棒状燃料的成型过程及产品质量影响很大，当原料水分过高时，加热过程中产生的蒸气不能顺利地从燃料中心孔排出，造成表面开裂，严重时产生爆鸣，但含水率太低成型也很困难，这是因为微量水分对木素的软化、塑化有促进作用。如表1：表1原料含水率对成型的影响含水率（%）468101214木屑不成型成型成型成型成型不成型秸秆不成型成型成型成型不成型不成型对木屑、秸秆等物料，成型的适宜含水率范围为6%～10%。我们从表1还可以得到这样的结论，不同种类的物料虽木素含量有较大差异，但成型所需适宜含水率基本一致。2.成型温度成型温度对成型过程、产品质量、产量都有一定的影响。表2是温度对不同物料成型的影响。表2温度对不同物料成型的影响温度（℃）１８０２００２２０２４０２６０２８０木屑不成型不成型成型较慢成型较快成型快成型快秸秆不成型不成型成型较快成型快成型快表面碳化严重*成型快慢系同一物料的相对比较结果。显然，过低的温度（200℃）传入出料筒内的热量很少，不足以使原料中木素塑化，加大原料与出料筒之间的磨擦，造成出料筒堵塞，无法成型；过高的温度（280℃）原料分解严重，输送过快，不能形成有效的压力，也无法成型。总之，不同物料所需成型温度相差不大，一般控制在240～260℃之间。3．2生物质固化成型的技术关键生物质固化成型是一项应用范围比较广的技术，但作为能源转化的途径，仍有一些关键技术问题困扰着人们，这些问题可归结为：1.螺杆的使用寿命物料的压缩是螺杆和出料筒配合完成的，即螺杆的几何尺寸和出料筒几何尺寸必须在一定的范围内才能在较快的挤出速度下获得较大密度的成型燃料。螺杆是在较高温度和压力下工作的，螺杆与物料始终处于干磨擦状态，导致螺杆的磨损非常快。当螺杆磨损到一定程度时，螺杆与出料筒失去尺寸配合，成型就无法进行。因此，压缩区螺纹的磨损决定了螺杆的使用寿命，螺杆的使用寿命成为生物质固化成型设备和技术实用价值的决定性因素。对螺杆的磨损，各研究和生产厂家采取了很多办法，但由于受工艺技术等制约，都没有从根本上解决问题。成型机的实际运行结果表明，螺杆的磨损只发现在一个导程范围内，解决这部分的磨损，整个螺杆的磨损问题也就解决了。我们设计了一种带活动螺旋头的螺杆，选择特殊耐磨材料制作活动螺旋头，实际运行结果是这种螺杆和使用寿命在1000小时以上。2.成型燃料的密度当成型燃料为最终产品时，密度不是很主要的问题，但当以木炭为最终产品时，成型燃料的密度就成为十分重要的指标了。密度是由所用原料、设备等多因素决定的。纤维素、木素含量低的物料如秸秆、稻壳等，不易得到密度大的成型燃料，碳化后所得木炭机械强度很差，灰分大且热值低，使用上就受到很大限制。只有木屑、刨花等成型后碳化才是有价值的，因此成型燃料的密度是产品质量的关键。3.碳化技术碳化是提高成型燃料使用价值的重要手段。碳化方式、碳化工艺直接决定了木炭的机械强度、热值、生炭含量等主要性能指标。表3是几种碳化方式比较结果：表3几种碳化方式的比较烧炭法内热式外热式挥发物含量（％）12～2012～1812～18固定碳含量（％）808080灰分（％）1．5～4．0１．0～３．0１．0～３．0色泽黑色断面有金属光泽断面有金属光泽发热量（Ｊ／g）290003100031000碳化得率（％）～2530～3530～35碳化周期（d）３～７―１木炭质量不均匀均匀均匀环境污染情况烟尘滚滚几乎无烟有少量烟尘表3的结果显示了不同碳化方式的差别，也充分体现了碳化方式和工艺的重要性。4.生物质固化成型的经济可行性生物质固化成型工程，根据原料的不同，产品结构不同，规模不同，有着不同的经济效果，现分别说明：以木屑为原料生产机制木炭：综合各种碳化方式约3吨燃料棒可得1吨木炭，1吨木屑（干）一般50元，损耗5%，则生产1吨木炭的原料费为165元，电费260元，人工费240元，其它费用300元，共计960元，木炭售价大约为1400～1600元，即生产1吨木炭可获纯利440～640元，经济效益十分明显。以秸秆为原料生产成型燃料：秸秆的价格各地不同，山东、河北等地已废弃在田间烧掉，而有些地方价格在50～100元/吨不等。由于秸秆的成型速度稍慢，生产1吨成型燃料电费约100元，人工费60元，其它费用50元，共计210～310元，这样的价格在目前若以其代替煤显然是不合算的，但在某些特殊的领域如陶瓷生产、炼钢等是十分有前途的。以废木粉生产成型燃料：刨花板、人造板厂每天产生大量的木粉，这种木粉非常细碎且含有大量的粘合剂而无任何用途，成为厂家的一个难题。但用它来生产成型燃料后烧锅炉，每年可节约大量的煤，且其价格比煤还便宜。5.生物质固化成型技术装备的前景分析先进的技术优势和良好的经济性构成了生物质固化技术装备进入市场的基本动力。以往由于人们对其不完全了解使其推广受到相当程度的限制，可以预见，随着该技术装备一些关键问题的解决和保护自然生态环境意识的日益加强，市场覆盖率将逐渐扩大，同时必须清楚地认识到，由于多种因素影响，短期内不能期望出现全国性推广热潮。5．1重点需求市场1.林木资源丰富而又相对集中的地区林区树木分布成片，每年存有大量的林业采伐废弃物，如枝桠、小径木、板片、木屑等，一般占木材采伐量的30%左右，目前转化利用量仅占10%，余下多为粗放利用或废弃。如果将其中少部分木屑用来生产木炭，既可解决某些地区居民取暖问题又可外销用于工农业生产和日常生活，这对改变部分林区过量采伐，保持生态平衡有一定作用。生物质固化装备推广潜力较大的林区主要分布在内蒙古、黑龙江、吉林、福建等省份。2.制材和木制品加工厂家制材和木制品加工厂每年产生大量的木屑、刨花，大部分廉价售出或粗放使用，如用其生产机制木炭或成型燃料，可获取可观的经济效益，并可解决部分职工的就业问题。因此制材、家俱、地板等工厂是生物质固化成型技术装备颇具潜力的市场。3.农作物秸秆资源量大质优的农区据测算，我国农作物秸秆年产量5.6亿吨，约折算煤3亿吨，是一笔巨大的能源储备。目前农村生活能源中，秸秆燃料消费居首位，远大于煤炭和薪柴所占比重。在农村用煤难以有大量增加的情况下，用秸秆生产成型燃料是可行的。另外，工业中大量使用的化铁炉、锅炉，升火时需耗用大量劈柴点火，劈柴售价远比煤高，这也是商品化生产成型燃料的应用途径。4.生产活性炭活性炭广泛用于制糖、制药、化工行业，污水处理也需要活性炭，随着环境保护的强化，净化废水、废气所需活性炭的用量会越来越大。实践证明，用秸秆生产活性炭是可行的，而且生产的活性炭价格低廉。5．2市场需求特点分析1.成套设备规模以中小型为主由于木屑、秸秆等均为松散物质，长途运输费用加大，所以生产木炭或成型燃料规模不宜太大，一般以每天生产1～2吨木炭为宜，另外由于碳化装置可土法上马，所以用户需求量最大的仍是成型机和干燥设备。2.结构简单实用、易操作控制和维修这一点和国外发达国家不同，大多数用户是经济水平欠发达地区，这就要求设备运行稳定、寿命长，在自动化和外观上暂不做更高的要求，关键是要“买得起，用得住。”3.售后服务必须跟上生物质固化成型是看似简单，实则比较难以掌握的，尤其是成型所受影响因素很多且缺少规律性，这就要求生产厂家为用户提供良好的售后服务，以免造成用户买回去之后没使用多长时间就不能正常工作的被动局面。总之，我国的生物质固化成型技术装备研究与制造起步较晚，产品生产批量小、专业厂家少，产品的系列化、标准化尚未提至日程。今后应在设备实用性、系列化上下功夫，不断降低成本并提高技术水平，为21世纪大规模开发利用生物质能提供必要的技术储备。