宋雲蔚, 虞益江, 方琦
摘要: 根據富陽市以農林廢棄物為主要生物質原料的來源, 設計對比試驗, 研究不同類型, 不同配比原料對生物質顆粒燃料產品品質及經濟效益的影響. 結果表明: 以100%竹屑為原料生產的產品低位發熱量最高, 品質最佳; 原料配比為80%竹屑+20%果樹枝條或油菜杆時, 生產的產品在滿足一定品質要求下經濟效益最佳, 在當地推廣應用以80%竹屑+20%果樹枝條或油菜杆的原料配比生產生物質顆粒燃料產品, 取得了良好的經濟效益, 同時也獲得了一定的社會效益和生態效益.
隨著規模化農林產業的發展, 在生產過程和加工過程中產生的農林廢棄物也越來越多. 雖然目前開發和利用農林廢棄物等生物質能已經引起了人們的廣泛關注, 但是在很多地方處理農林廢棄物的方法仍然是焚燒和填埋等, 農林廢棄物的利用率普遍較低. 而製取生物質顆粒燃料是目前農林廢棄物利用的主要方式之一, 因此有效提高顆粒燃料產品的品質就成了提高農林廢棄物利用率的主要方法.
鑒於此, 本課題選擇富陽市當地比較常見的竹屑, 木屑 (主要為果樹枝條) , 油菜杆, 稻稈4種類型的農林廢棄物作為製取生物質顆粒燃料的原料, 研究不同類型不同配比原料對顆粒燃料產品品質及經濟效益的影響, 尋找產品品質及綜合效益最優的原料配比, 以便在杭州地區推廣應用[1].
1材料與方法
1.1試驗材料
根據富陽市農林廢棄物的種類及產生量, 此次試驗選擇的原材料有4種類型, 分別為竹屑, 木屑, 油菜杆和稻稈, 其中竹屑樣品來自於竹製品加工企業的生產廢棄物, 含水率40%~50%; 木屑樣品為梨樹等果樹枝條, 來源於果樹苗木種植的分散收集, 含水率在45%左右; 油菜杆以及稻稈樣品一般來源於當地農業種植的分散收集, 含水率在20%左右.
1.2試驗方法
此次試驗採用冷壓成型工藝, 主要設備為環模式顆粒燃料成型機 (型號JWZLH420T) , 粉碎機 (型號HX-800) , 三迴轉螺旋式烘乾機, 傳動設備和除塵設備等. 其主要工藝流程見圖1.
收集的原料堆放在專用倉庫內, 按試驗設計要求分別配比混合, 經粉碎和烘乾後, 由顆粒成型機擠壓成型作為生物質顆粒燃料. 按照取樣的要求, 抽取不同配比原料生產製備的顆粒燃料樣品, 由浙江省煤炭地質勘查院煤炭質量檢測中心進行檢測, 以各檢測指標為評價產品品質的主要依據.
試驗按照表1的要求分別設置10個處理, 每個處理選取經配比後的原料75t, 測試3d, 每天2次重複, 每次試驗12.5t原料, 共計6次試驗, 即10個處理6次重複, 共計30d完成測試試驗. 控制粉碎後原料的顆粒粒徑在7mm左右, 烘乾後原料的含水率在12%左右, 最後的產品規格為直徑10mm, 長度30~60mm, 記錄每個處理顆粒燃料產品的產量及生產過程中各環節的能耗數值.
1.3產品品質及經濟效益分析指標
顆粒燃料產品品質分析指標主要根據樣品的工業分析和元素分析指標確定, 具體技術指標有全水分 (Mt) , 灰分 (Aad) , 揮發分 (Vad) , 固定碳 (FCad) , 全硫 (St, ad) 以及低位發熱量 (Qnet) .
經濟效益指標主要包括原料收購成本, 勞動力成本, 機械損耗折舊成本, 產品生產過程能耗, 產品銷售價格及銷售量等. 其中, 勞動力成本和機械損耗折舊成本對於10個處理來說差別不大, 可忽略, 產品銷售價格為1000元/t (熱值大於17572.8kJ/kg) , 故此次試驗主要考慮的經濟效益指標為原料收購成本及產品生產過程能耗. 原料收購價為竹屑250元/t, 木屑 (果樹枝條) 200元/t, 油菜杆150元/t, 稻稈400元/t.
2結果與分析
2.1顆粒燃料產品品質指標分析
2.1.1顆粒燃料工業分析技術指標情況分析. 從表2, 圖2可以看出, 顆粒燃料的全水分含量隨著竹屑在原料中配比的減少而增加, 以100%竹屑為原料生產的產品 (處理1) 全水分含量只有5.84%, 而處理10的全水分含量最高, 達7.53%. 產品全水分含量跟竹屑在原料中的含量成反比.
處理2, 5, 8的固定碳和灰分的含量相比其他樣品要低, 從原料配比看, 3個處理都配比了一定量的木屑原料, 由此可知, 木屑的固定碳和灰分含量低於油菜杆等其他生物質原料.
10個處理揮發分含量在74%~78%, 而且隨原料配比的不同呈不規律變化, 即原料的配比對揮發分的影響不大.
2.1.2低位發熱量情況分析. 由圖3, 表2可以看出, 處理1的低位發熱量最高, 達到了18978.62kJ/kg, 處理10的低位發熱量最低, 為16635.58kJ/kg, 即隨著原料中竹屑含量的減少低位發熱量隨之降低.
2.1.3顆粒燃料元素分析全硫含量指標分析. 從表2, 圖4可以看出, 全硫含量隨著原料中油菜杆和稻稈含量的增加呈微弱上升趨勢, 但都在0.25%以下, 樣品的全硫含量相對較低, 對環境的影響較小.
綜上所述, 按處理1~8的原料配比所生產的產品, 工業分析, 元素分析及低位發熱量等指標能夠滿足產品品質的要求. 其中, 用100%竹屑作原料 (處理1) 所生產的顆粒燃料產品品質最佳.
2.2顆粒燃料產品經濟效益情況分析
2.2.1原料及產品單耗情況分析. 以每次試驗12.5t原料為基礎, 選取每個處理6次重複試驗的平均值作為計算原料消耗等的依據, 試驗結果見表3. 從圖5, 6可以看出, 單位產品原料消耗量隨著竹屑在原料配比中的含量減少而減少, 處理6~10的指標比前5個處理有優勢, 處理9的每噸產品原料消耗量最低, 經濟效益最好. 從單位產品原料成本指標看, 處理3, 5, 6, 8, 9都較好, 其中處理9最優, 處理6次之.
2.2.2產品生產過程的能耗分析. 生物質顆粒燃料從原料到產品主要經過粉碎, 烘乾和制粒成型3個環節, 這3個環節主要的能源消耗為電能, 以及烘乾工藝中的部分薪柴消耗[2-4].
每次試驗以12.5t原料為基礎, 測試記錄每個生產環節的能源消耗量, 選取6次重複試驗的平均值, 最終能耗以標煤來折算 (其中電能按等價值折算, 係數為0.313kgce/kW·h, 柴薪折算係數為0.571kgce/kg) , 測試結果見表4. 可以看出, 烘乾環節的能源消耗最大, 成型環節次之, 粉碎環節能耗最少, 在烘乾環節中, 柴耗占能耗的比重在85%左右. 由於烘乾環節所用的柴薪基本是自主提供, 故電能費用支出是整個生產過程的主要成本支出.
由圖7可以看出, 從電耗角度來看, 顆粒成型機的電能消耗量最大, 占整個生產過程電耗的57%以上. 從樣品的角度看, 處理6, 9, 10的綜合能耗最低, 經濟效益最佳. 綜合顆粒燃料產品品質指標和經濟效益指標, 以低位發熱量指標大於17572.8kJ/kg的為合格產品, 處理6的顆粒燃料產品品質和經濟效益最佳, 適合該地區大力推廣使用.
3結論
(1) 單從顆粒燃料的產品品質, 即熱值角度出發, 採用100%竹屑原料所生產的產品熱值最高, 品質最佳, 基本可以代替原煤.
(2) 從經濟效益角度出發, 採用80%竹屑+20%果樹枝條或油菜杆等其他農林廢棄物生產的產品最佳, 一方面產品熱值能夠達到客戶的要求, 另一方面果樹枝條, 油菜杆等農林廢棄物原材料的收購價格較低, 生產顆粒燃料過程中的能源費用支出最少.
(3) 從環境效益角度出發, 此次試驗的10個處理4種原料都能夠合理利用農林廢棄物, 並提高其利用效率. 根據各地原材料的實際情況, 從顆粒燃料產品品質要求出發, 結合經濟性和資源再利用性, 選擇80%竹屑+20%油菜杆的原料配比最優, 達到社會, 經濟, 環境3種效益的最佳效果.
4工程實例
富陽瑞豐新能源有限公司是一家從事生物質固體成型燃料顆粒生產的企業. 投產後, 以竹屑為主要原料製取生物質顆粒燃料, 年可生產4300t顆粒燃料產品, 消耗竹屑達9000t. 經檢測, 產品熱值在18828kJ/kg以上. 竹屑的收購價為250元/t, 年原料收購成本為225萬元. 目前由於缺乏生物質顆粒燃料的相關標準, 浙江省生物質顆粒燃料的市場價格以產品熱值為參考, 但不以產品熱值為絕對指標定價, 只要熱值大於17572.8kJ/kg, 顆粒燃料產品的價格都在1000元/t.
根據試驗結論, 將原料配比改為80%竹屑+20%果樹枝條, 油菜杆等其他農林廢棄物, 經一段時間的生產及檢測, 產品熱值在17991.2kJ/kg左右, 完全能夠滿足客戶的要求, 且果樹枝條, 油菜杆等其他農林廢棄物的平均收購價格在150元/t, 遠低於竹屑, 按照現在的原料配比, 以公司現有的生產能力計, 年原材料收購成本為207萬元, 年可節約原料成本18萬元.
以竹屑為原料生產的產品能耗為100kg標煤/t, 單位產品電耗為121kW·h/t, 而以80%竹屑+20%果樹枝條, 油菜杆等為原料生產的產品能耗為82kg標煤/t, 單位產品電耗為106kW·h/t. 按照年生產4300t顆粒燃料產品計, 年可節約電能6.45萬kW·h.
綜合原料成本和生產過程中能源消耗的費用成本, 用80%竹屑+20%果樹枝條, 油菜杆等代替以100%竹屑為原料生產顆粒燃料產品年可節約25萬元. 保證產品品質, 又能節約成本, 增加經濟效益, 還能改善由於焚燒柴薪, 秸稈等帶來的環境汙染現狀, 實現了社會效益, 經濟效益和環境效益的共贏.
參考文獻
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