薑洋, 曲靜霞, 郭軍, 劉日新, 張大雷
摘要: 分析了在常溫條件下生產生物質顆粒燃料的技術條件, 設備系統及其實際運行狀況; 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; 總結了高密度顆粒燃料在較低能耗情況下的成型條件. 該研究工作為生物質顆粒燃料技術的開發及產業化應用奠定了基礎.
0前言
以鬆散的生物質在常溫條件下生產顆粒燃料是生物質能最直接, 最簡單的利用方式. 近年來, 生物質顆粒燃料的生產已引起高度重視和廣泛關注, 國家的可再生能源產業發展規劃及相關政策更為生物質顆粒燃料的推廣應用起到了巨大的推動作用.
生產生物質顆粒燃料的關鍵是具有性能良好, 運行簡單的顆粒燃料生產設備. 本文以自製生物質顆粒燃料設備, 研究了玉米秸稈, 豆稈, 稻殼, 蘆葦等4種原料在常溫下的成型條件, 獲得了一系列對開發生產設備及生產顆粒燃料具有指導意義的規律.
1試驗
1.1試驗設備及原料來源
試驗設備選用遼寧省能源研究所研製的BIO-C37生物質顆粒成型機.
根據成型設備的生產能力及對原料粒度的要求, 對玉米秸稈, 豆稈, 蘆葦等物料進行粉碎處理. 粉碎後的物料粒徑小於10mm; 木屑, 稻殼等物料無須再粉碎即可直接成型. 玉米秸稈, 豆稈, 稻殼, 蘆葦4種原料均取自遼寧省營口地區, 鋸末是大連地區木材加工廠的廢棄物. 玉米秸稈, 稻殼, 豆稈均產自上一年, 蘆葦, 鋸末均產自當年.
1.2試驗內容
①分別採用玉米秸稈, 稻殼, 鋸末, 蘆葦, 豆稈5種原料, 在環模壓縮比(壓力為25~65Mpa)為3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5的工況下, 測試不同原料的成型條件, 推算出顆粒燃料成型的趨勢.
②以玉米秸稈, 稻殼, 鋸末, 蘆葦, 豆稈為原料, 在環模壓縮比為3.5, 4.0, 4.5, 5.0, 5.5的工況下, 測試成型顆粒產品的外觀質量, 密度, 繪製特性曲線, 確定各類原料成型時產品的質量, 密度與環模壓縮比的關係.
③在確定最佳成型環模壓縮比的工況下, 以含水率為9%, 12%, 15%, 18%, 21%的玉米秸稈和蘆葦為原料, 測試設備系統的能耗, 產品的外觀質量, 密度, 繪製特性曲線, 確定這一類農作物秸稈成型的最適宜水分範圍.
④在確定最佳成型環模壓縮比和最適宜成型水分範圍的工況下, 分別以4種粒度(大於10mm, 5~10mm, 1~5mm, 小於1mm)的玉米秸稈和蘆葦為原料, 測試產品的外觀質量, 密度, 確定這類農作物秸稈最適宜的成型粒度範圍.
2結果與討論
2.1生物質顆粒燃料成型原理分析
結構疏鬆, 密度較小的生物質物料在受到外力作用後, 原料將經曆重新排列位置, 機械變形, 彈性變形, 塑性變形階段. 非彈性或粘彈性纖維素分子之間的相互纏繞和絞合, 使物料體積縮小, 密度增大(圖1).
2.2不同生物質原料在同一壓縮比條件下成型分析
圖2是玉米秸稈, 蘆葦, 豆稈, 鋸末4種物料顆粒燃料的密度與壓縮比的關係曲線. 由圖2可見, 玉米秸稈和蘆葦成型顆粒達到較高的密度時所需壓縮比相同; 鋸末成型顆粒達到較高密度時需要較大的壓縮比. 這一結果反映了不同種類的生物質物料的組織結構和組成成分的差異. 生物質主要由纖維素, 半纖維素, 木質素等構成, 木質素是由苯丙烷結構單體構成的具有三維空間結構的天然高分子化合物. 在常溫條件下, 木質素在水及常用的有機溶劑中幾乎不溶解, 在加熱條件下也不軟化, 其含量對物料成型影響不大. 纖維素是植物細胞壁的主要成分之一, 它是由葡萄糖組成的線形高分子. 纖維素的含量越高, 說明植物細胞機械組織越發達, 顆粒成型時就需要更大的壓力.
生物質內纖維素含量決定了其常溫成型的難易程度. 生物質原料纖維素含量的分析結果驗證了試驗結果(表1).
環模壓縮比的大小決定了成型壓力的大小. 玉米秸稈, 蘆葦等原料的纖維素含量少, 受到外力擠壓時易發生形變, 因此成型時所需的環模壓縮比小, 即成型壓力較小; 鋸末的纖維素含量高, 成型時所需的環模壓縮比大, 即成型壓力較大. 因而, 採用不同生物質原料生產成型顆粒燃料, 應採用不同的環模壓縮比, 原料中纖維素含量接近的生物質物料可採用相同壓縮比的環模.
2.3同一生物質在不同壓縮比環模中成型分析
各種物料在不同壓縮比環模中的成型試驗及計算數據見表2~ 4.
由表2~ 4可看出, 對於上述幾種原料, 隨著環模壓縮比的加大, 顆粒密度增大, 能耗增加, 產量提高. 當達到一定壓縮比時, 成型顆粒的密度增加較小, 能耗相應增加, 而產量卻有所下降. 試驗表明, 以豆稈作原料, 採用壓縮比為4.0的環模; 以玉米秸稈作原料, 採用壓縮比為4.5的環模; 以鋸末作原料, 採用壓縮比為5.0的環模, 顆粒燃料的密度均能滿足質量要求, 且設備系統能耗較低.
同一種原料在不同壓縮比環模中成型, 顆粒燃料的密度隨壓縮比的增大而逐漸增大, 並在一定壓縮比範圍內, 密度保持相對穩定, 當壓縮比增大到一定程度時, 原料會因為壓力過大造成出料不暢而不能成型. 由於稻殼的粒度大, 且灰分較多, 因而稻殼難以形成顆粒. 對於同一種物料, 為獲得較大的顆粒密度, 應設計採用較大的環模壓縮比.
2.4原料粒度對成型條件的影響
生物質原料的粒度對成型條件有很大影響. 由表5可以看出, 隨著玉米秸稈和蘆葦原料粒度的增大, 其成型顆粒密度逐漸減小, 當原料粒度大於10mm時成型效果極差, 甚至不成型, 但原料粒度太小也會影響顆粒密度. 因而, 以玉米秸稈, 蘆葦等生物質作原料進行顆粒燃料的生產時, 其粒度保持在1~5mm較為適宜.
2.5原料中水分對顆粒燃料密度的影響
物料顆粒密度與含水率的關係如圖3, 圖4所示. 由圖3, 圖4可以看出, 隨著原料含水率的增加, 成型顆粒燃料的密度隨之增大, 當達到一定的適宜含水率範圍時, 顆粒燃料的密度達到最大並保持相對穩定; 當原料的含水率增加到一定程度後, 顆料燃料的密度開始下降, 最終導致無法成型.
生物機體記憶體在適量的結合水和自由水, 它們具有潤滑劑的作用, 使粒子間的內摩擦變小, 流動性增強, 從而促進粒子在壓力作用下滑動而嵌合. 當生物質原料的含水率過低時, 粒子得不到充分延展, 與四周粒子結合不夠緊密, 所以不能成型; 當含水率過高時, 粒子儘管在垂直於最大主應力方向上能夠充分延展, 粒子間能夠齧合, 但由於原料中較多的水分被擠出後, 分佈於粒子層之間, 使得粒子層間不能緊密貼合, 因而不能成型.
因此, 以玉米秸稈, 蘆葦等生物質作原料進行顆粒燃料的生產時, 原料的含水率應保持在12%~18%較為適宜, 最佳含水率為15%.
3結論
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. 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.
參考文獻:
[1]盛奎川, 錢湘群, 吳傑.切碎棉稈高密度壓縮成型的試驗研究[J].浙江大學學報(農業與生命科學版), 2003, 29(2): 139-142.
[2]回彩娟, 俞國勝.影響生物質塊狀燃料常溫高壓緻密成型因素的研究[J].林業機械與木工設備, 2005(11): 10-14.
[3]郭康權, 趙東.植物材料壓縮成型時粒子的變形及結合形式[J].農業工程學報, 1995(3): 139-143.
[4]孟令啟, 張洛明, 陳景運.制粒機的壓輥環模系統設計[J].機電產品開發與創新, 2004(9): 1-5.
