陶雷 1, 2, 鄭加強 1, 管殉 3, 呂文龍4
(1.南京林業大學機械電子工程學院, 江蘇南京210037; 2.江蘇省農業機械試驗站, 江蘇南京210017; 3.湖州師範學院資訊與工程學院, 江蘇湖州313000; 4.泰興市鼎立科技有限有公司, 江蘇泰興225400)
摘要: 通過系統地分析國內外生物質成型設備固化技術研究特點和存在的問題, 提出生物質固化成型生產線中的固化成型原理和工藝, 固化成型過程等關鍵技術研究, 以及自動供料系統, 水分監測與補償系統和聯控技術系統的固化成型關鍵設備開發建議.
成型燃料是先進的工業技術與再生資源相結合製造出的產品, 是一種新型的生物能源, 可代替木柴, 原煤, 燃油, 液化氣等, 可廣泛用於取暖, 生活爐灶, 熱水鍋爐, 工業鍋爐, 生物質發電等. 在德國, 對於其立法分類中不能用於物質迴圈利用的廢棄木材, 通常都是作為燃料使用, 直接用廢棄木質材料等作燃料, 因而可對廢棄木材加工為成型燃料.
生物質固化成型設備是燃料成型的關鍵設備, 通過將低密度, 低熱值, 燃燒性能差的農林廢棄物(秸稈, 枝丫柴等)轉化成高密度, 高熱值, 耐燃燒和便於儲存運輸的可再生, 清潔, 無公害生物質成型燃料或飼料.
本文擬在系統地分析國內外生物質固化成型設備技術研究特點的基礎上, 歸納目前生物質固化成型存在的問題, 然後從固化成型關鍵技術及其固化成型關鍵設備開發等方面提出建議, 以促進適應中國國情的生物質固化燃料成型關鍵技術及其設備研製推廣應用, 推進成型燃料項目, 緩解能源緊張局面.
1國內外燃料成型技術研究特點分析
日本, 美國及歐洲一些國家生物質固化成型燃料設備已經定型, 並形成產業, 在加熱, 供暖, 乾燥, 發電等領域普遍推廣應用. 我國研究起步較晚, 各科研院所從成型機理, 生產工藝等多方面進行了研究, 取得了豐碩成果, 隨著市場需求的增加, 也進行了成型燃料燃燒性能方面的探索性研究. 但當前主要以實驗室類比機型進行成型機理和產品性能等深層次的研究為主.
1.1成型機理研究
物料特徵如物料類型, 粉碎粒度, 含水率和添加劑是影響固化成型的關鍵因素, 同時固化成型設備的固有特徵如成型溫度, 工作壓力, 作業速度或預加熱等特性又要求物料具備相應的特性, 從而對成型產品機械性能如成型密度, 強度, 耐久性, 伸長率和孔隙率等, 以及作業能耗構成影響. Varun Pan-war等研究指出成型密度與物料粒度, 含水率, 成型速度成反比, 與成型壓力成正比.
Razuan等在實驗室用液壓活塞衝壓成型機壓制棕櫚仁餅, 試驗表明: 成型壓力, 溫度, 含水率和粘合劑是影響成型燃料密度和拉伸強度的關鍵因素, 在成型壓力64.38MPa, 溫度80~ 100℃和含水率7.9% 條件下, 成型密度可達1184~ 1226kg/ m 3, 拉伸強度930~ 1007kPa, 添加1.0% ~ 2.0% 苛性鈉添加劑可以增加拉伸強度, 而澱粉添加劑則無效. HasanYu-mak等用液壓成型設備開展了風滾草粉碎後(長度≤10mm)在4種成型模具下的成型試驗, 成型條件是含水率7% ~ 10% , 壓力15.7~ 31.4MPa和溫度85~ 105℃. Chuen-Shii Chou等指出熱壓成型溫度是影響成型塊密度和耐壓強度的關鍵因素, 稻殼作為添加劑在熱壓過程中可以促進緻密化. 黃明權口叩等在螺杆成型機理基礎上研究了原料含水率, 成型溫度, 原料種類和螺杆裝配尺寸等對生物質成型的影響.
閆文剛等在液壓驅動活塞開模成型實驗台進行了草坪修剪剩餘物不同含水率不同錐度模具的成型試驗, 研究表明: 隨著生物質原料含水率增加, 常溫成型塊密度和壓縮力的變化趨勢都是由小變大再變小.
由於固化成型過程比較複雜, 高溫, 高壓伴隨著物理和化學變化, 且受空間限制, 無法直接觀測成型過程. 因此採用建立數學模型和顯微觀察的方式也是一種有效的研究方法.
Nalladurai Kaliyanl等通過建立本構模型研究了彈性模數, 強度係數, 應變硬化指數, 粘滯係數, 摩擦損耗因子與成型壓力, 物料粒度, 含水率, 預熱溫度的關係. 孫清等建立力學模型, 利用AN-SYS軟體分析提出分段填料壓縮可提高成型物的耐久性, 採用緩慢壓縮和提高物料的軟化程度等方法可以防止成型物出現裂紋. 杜紅光等建立生物質成型模具的摩擦熱分析模型, 試驗驗證成型模具內表面溫度在工作運轉60min後達到木質素軟化溫度, 240min後溫度穩定在115~ 125℃, 通過控制原料, 模具材料與結構, 生產率等因素, 可縮短達到木質素軟化點時間, 提高成型質量. 孫亮口等採用四元二次回歸正交旋轉試驗和響應面分析方法, 並利用SPSS和Matlab研究了成型壓力, 加熱溫度, 含水率和粘結劑添加量對稻殼成型塊鬆弛密度的影響次序及最優成型特徵.
霍麗麗等採用顯微形貌觀察指出環模式成型機成型機理為間斷性分層壓縮. 田瀟瑜等利用電子立體顯微鏡觀察玉米秸稈固化成型後的顆粒間的結合方式和顯微形貌, 指出在成型壓力60~ 90MPa, 物料溫度75~ 100℃, 含水率8% ~ 16% 下成型塊內部顆粒結合緊密, 機械鑲嵌作用明顯, 成型塊物理品質和力學性能較好. 吳雲玉等建立生物質固化成型的微觀接觸幾何模型, 確定了壓輥對原料的正壓力與生物質顆粒表面斜角之間的數學關係.
1.2成型燃料燃燒特性研究
影響成型燃料燃燒特性(熱值, 排放和灰分等指標)的因素主要有秸稈自身的物理特徵, 成型密度, 成型直徑, 以及燃燒過程中的通風效果等. Varun Pan-war等用液壓成型機壓制芒果樹葉, 桉樹葉, 麥稈和木屑成型試驗和燃燒特性試驗表明: 這4種成型燃料熱值均高於印度燃煤熱值的1/ 2, 可用於替代煤和木材. Chuen-Shii Chou等研究發現粉碎的稻秸稈成型塊熱值與稻殼含量和熱壓溫度成正比. Stefan等推薦的成型燃料為900kgf/ cm 2壓力下壓制的熱值為12.72MJ/ kg(含水率15% )和彎曲強度可達150kgf/ cm 2的成型塊. A.Debdoubi等研究指出細莖針茅部分熱解後在較大壓力下緻密化能夠獲得較高的熱值.
馬孝琴等研究表明: 秸稈成型燃料燃燒初期揮發份析出速度隨溫度升高而加快, 但燃燒平穩性越差; 增大通風量可以降低爐膛內溫度, 揮發份析出速度相對平穩; 增大成型密度對成型燃料揮發份的析出速度起到了一定抑製作用, 燃燒初期的平均燃燒速度隨成型直徑和成型質量的增加而增大, 但在燃燒中後期揮發份的析出速度相對穩定. 羅娟等研究了8種生物質顆粒燃料的燃燒特性及汙染物排放特性指出: 揮發份含量與含水率, 生物質顆粒燃料所需的點火時間成反比, SO 2, NO x等汙染物排放質量濃度遠低於國家標準, 但存在著部分生物質顆粒燃料灰分含量過大, 結渣嚴重等問題. 王民等採用燒水試驗對成型塊和松木塊的燃燒特性參數進行了測試分析, 成型塊除蒸發速度外其餘指標都優於或等於松木塊.
1.3成型燃料儲存特性研究
不同物料的粉碎特徵, 含水率, 以及作業條件對成型燃料的存儲性能影響較大. 但由於不同固化成型設備適應不同的物料特徵, 當壓制物料含水率超過固化成型機的適應範圍時, 物料不宜固化成型, 當含水率較高時, 成型燃料直接分散. Lucywamukonya等在2O℃和50濕度條件下, 測試了貯存2周后的成型秸稈塊的含水率和耐久性, 鋸屑與刨屑的成型塊耐久性最好, 長度方向膨脹率最小; 麥秸稈成型塊的耐久性最差和長度方向膨脹率最大, 而和鋸屑的混合料成型塊耐久性得到了提高.
R.N.Singh在40% ~ 85% 環境濕度條件下研究指出在高濕度環境下存儲生物質成型燃料不會產生任何問題. K.Theerarattananoon等研究指出由於成型顆粒脫模後膨脹, 含水率與堆積密度, 真比重成反比, 應根據物料類型確定一個最佳的水分含量, 以滿足生物質顆粒穩定生產, 耐久性和合適的儲存環境的需要.
1.4成型生產工藝研究
張百良介紹了HPB-I型生物質成型機的結構, 成型原理與應用. 該成型機採用液壓驅動往複活塞雙向擠壓成型機構, 通過雙出杆油缸兩端的沖杆擠壓成型套筒中的生物質, 在外力作用下, 生物質顆粒開始重新排列位置關係, 並發生機械變形和塑性流變; 最後在沖杆的推擠作用下, 生物質成為棒狀從兩端成型套筒中交替擠出, 成為既定形狀.
液壓驅動往複活塞套筒雙向擠壓成型機構能投比低, 效率高, 工作平穩, 設計合理, 結構新穎; 它為開發和利用以秸稈為主的生物質能提供了有效途徑, 減輕直接燃燒作物秸稈造成的環境汙染, 具有顯著的經濟效益和環保效益.
薑洋等利用BIO—C37生物質顆粒成型機通過試驗研究了環模壓縮比, 原料種類和原料含水率等因素對顆粒燃料密度的影響, 總結高密度顆粒燃料在較低能耗情況下的成型條件, 得出在常溫條件下, 生物質原料在壓縮成型過程中, 粒子發生變形後以相互齧合的形式結合, 而粒子層之間以相互貼合的形式結合. 發現原料中纖維素含量決定了成型的難易程度, 纖維素含量越高, 成型越容易. 原料粒度和含水率對成型條件有明顯影響, 粒徑為1~ 5mm, 含水率為12% ~ 18% 時, 生產的顆粒燃料密度最大.
姚宗路等採用模輥式成型原理, 設計了一種生物質固體成型燃料加工生產線及相關的配套設備, 該設備採用二次粉碎, 連續喂料與調節喂料相結合的原料混配預處理工藝, 並研究設計了帶有強制喂料器的生物質固體成型燃料模輥式成型機, 建立了生物質固體成型燃料生產線; 指出採用生物質固體成型燃料生產線每小時生產率比單機狀態下提高17.3% , 經濟效益提高13.3% , 成型率達到98% , 堆積密度和顆粒密度也明顯高於單機, 但檢測結果沒有給出最能影響該工藝路線推廣應用的功耗指標.
侯振東等通過自製秸稈固化成型設備的試驗研究, 表明引入軸向位移, 徑向峰值位移, 峰值壓力和名義應力等概念衡量成型塊的力學性能是可行的. 研究發現成型壓力, 溫度及物料含水率對成型塊的鬆弛密度, 抗變形性和抗滲水性影響顯著, 性能優良且便於儲運的玉米秸稈成型塊的成型機理當壓力60~ 90MPa, 加熱溫度75~ 100℃, 物料含水率8% ~ 12% 時, 可以生產出性能優良且便於儲運的成型塊.
Wolfgang Stelte研究了生物質燃料造粒生產過程中, 顆粒長度, 模具溫度, 生物質含水率和粒度對造粒壓力的影響. 研究結果表明, 制粒壓力隨著顆粒增長而增大. 比率的增大是依賴於生物物種, 溫度, 水分含量和顆粒大小. 建立了一個預測壓力的數學模型, 類比結果與試驗數據相符合. 結果表明, 溫度的增加導致造粒壓力減少. 造粒壓力對含水率的影響依賴於原材料的種類. 對不同粒徑(直徑從0.5mm至2.8mm)進行了測試, 結果表明, 造粒壓力隨粒徑減小而增加. 確定了造粒壓力對顆粒密度的影響, 結果表明, 造粒壓力在200MPa以上時只導致顆粒密度微量增加.
分析上述研究表明: 影響生物質固化成型的關鍵因素是成型壓力, 含水率和物料粒度; 提高主軸轉速和增加模孔直徑是提高設備生產能力和降低能耗的主要措施; 相同成型壓力下, 原料粒度越小, 成型後的燃料密度越大, 成型效果越好.
2生物質成型燃料固化設備存在問題分析
目前我國成型燃料加工以粗放型為主, 自動化程度低和生產穩定性差. 操作人員暴露在粉塵中, 尤其是粉碎環節, 工作環境惡劣. 以1t/ h的固化成型生產線為例, 連續生產時需要2名操作人員供料, 採用又或鍁將粉碎/ 切碎的物料連續拋至輸送裝置. 當物料含水率低於成型要求時, 依靠經驗採用噴霧或直接潑灑的方式進行水分補償作業, 物料含水率控制較難. 由於粉塵和雜訊造成環境惡劣, 難以確保操作人員連續, 穩定工作. 因此, 生產過程不穩定, 連續性差, 生產率低, 能耗高和設備壽命短, 以及維護費用高. 平均生產率僅能達到60% .
國外在固化成型技術方面比較成熟, 配套的生物質物料前處理技術也較完善, 但價格高, 且由於各地生物質物料及其前處理技術的不同, 也存在物料供料散料技術的適應性等問題.
3成型關鍵技術及其研究建議
針對目前在技術方面仍局限於固化成型設備成型機理的研究, 且以實驗室類比為主, 與生產實際差異較大, 而企業主更關注固化成型設備的經濟效益, 即生產能力和產品質量, 缺乏理論支援, 因此需要從成型技術和成型工藝及設備開展綜合研究.
3.1固化成型原理和工藝研究
生物質固化成型原理主要有冷壓緻密成型, 熱壓緻密成型和碳化緻密成型. 碳化緻密成型由於工藝複雜, 能耗高等問題, 目前使用較少. 熱壓緻密成型主要有螺杆緻密成型, 活塞緻密成型和衝壓緻密成型, 螺杆成型機要解決螺杆和成型套筒磨損嚴重嘲, 使用壽命短的技術問題; 活塞/ 衝壓成型特點是要求原料含水率較小, 要解決成型燃料膨脹, 鬆散, 甚至出現危險的 '放炮' 現象和前段工序粉碎消耗功率大等問題.
冷壓緻密成型包括水平軸式環模, 垂直軸式環模和平模3種結構. 水平軸式環模結構要解決物料容易在模腔中分布不均, 下部物料多及上部無物料而造成模具受力不均和壓輥, 模具磨損不均, 生產率低, 相對能耗高等問題. 而垂直軸式環模結構通過環模平放, 解決了水平軸式環模結構的物料分布不均等問題, 與平模結構機型成為當前市場主流產品.
因此, 實際生產中應加強環模平放和平模結構固化成型設備固化成型原理和工藝研究, 針對不同物料類型, 粉碎特徵, 物料含水率和對應主軸轉速等確定固化成型設備的適應性.
3.2固化成型過程分析
固化成型過程比較複雜, 高溫, 高壓伴隨著物理和化學變化, 且受空間限制, 無法直接觀測成型過程. 針對目前以實驗室類比機型, 計算機軟體類比, 成型後顯微觀察等方式為主, 研究物料種類, 物料粒度, 含水率, 成型壓力和成型溫度等對成型產品的影響, 雖對實際生產起到一定指導作用, 但還存在很大差異, 如實際生產存在物料粒度和含水率不均勻, 成型壓力和溫度不宜測量等因素. 因此, 很有必要開展固化成型過程分析, 針對不同原料, 分別試驗粉碎/ 切碎後不同粒度, 不同含水率條件下, 監測主軸轉速, 電流和模孔溫度, 並取成型樣品, 測成型密度和採用顯微觀測成型樣品結構等方法, 分析實際生產情況下的固化成型過程.
4固化成型關鍵設備開發分析
供料是固化成型設備作業過程中不可或缺的一環, 直接影響設備的自動化程度, 穩定性, 可靠性和工作效率, 以及工作環境安全. 因此, 需要開發自動供料系統, 以及水分監測與補償系統和聯控技術系統等, 圖1為本文建議的自動化控制系統框圖. 通過自動化供料, 水分補償和監測主軸轉速(壓輥轉速)或電流變化, 調整供料速度等, 實現固化成型設備的自動化生產, 減少勞動強度, 降低生產成本, 確保穩定, 連續生產.
5結論
分析國內外生物質固化成型設備及燃料成型技術的研究特點, 以及目前生物質成型燃料固化生產存在的生產環境安全, 供料自動化成都低和製品質量等一些問題, 在分析生物質燃料成型系統工程的基礎上, 提出如下建議:
1)在實際生產中, 研究針對物料類型, 粉碎粒度, 物料含水率和對應主軸轉速等確定固化成型設備適應性的生物質燃料固化成型原理和工藝.
2)開展為生物質固化成型生產線開發自動供料系統, 以及水分監測與補償系統和聯控技術系統.
3)逐步將各系統應用於生物質固化成型生產線, 試驗比較應用前後的固化成型設備工作的穩定性, 連續性, 以及工作環境和經濟效益等.
