王美美 1, 王咏梅 2, 韩文清2
(1.安阳工学院机械工程学院; 2.安阳吉姆克能源机械有限公司河南安阳455000)
摘要: 生物质颗粒作为生物质能源的重要利用形式, 研究其成型过程中的影响因素有着重要意义. 本文主要从原料, 过程, 设备三方面研究分析了影响生物质颗粒固态成型的因素, 及其对颗粒质量系数 (PQF) 和颗粒耐久性指数 (PDI) 等指标的影响, 各因素间的作用是相互关联的, 其中设备孔型参数是分析研究的重点因素, 是颗粒成型设备研究开发进行的前期基础研究.
在全球高速发展的今天, 生产生活对能源的依赖程度越来越高, 能源已成为制约国家经济发展的基本物质. 石化能源作为一次能源, 因储量有限不能再生趋于枯竭, 而引起全球各国的高度重视. 生物质能源作为可再生资源, 在石化替代能源中占有重要地位 [1]. 开发生物质能源不仅能够补充石化能源的短缺, 还可产生重大的环境效益. 将松散的生物质原料经固态成型技术转化为颗粒燃料是生物质能源的一种高效简单实用的利用形式. 我国有着丰富的生物质资源, 对开发生物质能的利用技术提供了广泛的原料保证. 虽然我国在该技术领域研究开发起步晚, 但随着市场及环境需求日益增高, 研究生物质颗粒燃料的成型因素, 对开发推进我国生物质固化成型技术及其设备的规模化起到很大的促进作用.
生物质颗粒成型的过程, 实际为生物质中的部分物质发生塑变相互嵌合并伴有有机物的软化胶合的物化过程. 这一过程以物理变化为主体, 化学变化为辅助, 受到了原料成分, 原料粒度, 原料湿度, 成型温度, 物料层厚, 挤压速度, 挤压压强及成型型孔参数等多方面影响[2-3].
1原料因素
1.1原料成分
由于原料一般是由几种不同成分组成, 而不同成分对颗粒固化成型的影响是不同的. 有些成分如生物质中的蛋白质, 木质素等, 在一定压力或温度下发生软化, 塑变从而形成具有胶合性质的有机质, 有些成分如木屑中的纤维素, 生物垃圾中的无机颗粒等等, 是不易分解或者裂解, 在颗粒成型过程中象分散剂一样阻碍了颗粒成型, 而生物质原料中大部分物质不是很容易分解或软化的. 原料成分是影响颗粒耐久性指数 (以下简称PDI) 的主要因素. 原料成分对PDI的影响, 在各种影响因素中所占的比例约为40%左右 [4]. 原料中的各种成分对整个PDI的贡献率是不同的, 根据不同物质对PDI的贡献率大小不同, 把一些常用的原料给出不同的颗粒质量系数 (以下简称PQF) 见表1[5].
PQF越大的原料, 制出的颗粒越紧密, PDI越高, 反之则越低. 如膨润土, 木质素等, 其PQF较高, 一般可作为粘结剂来使用, 如酸性油等, 其PQF值为-40, 这是由于油脂类原料组分很多, 从而在微粒间相互产生油膜, 而油膜的存在导致了微粒的分散隔离, 而使得制出的颗粒不能有效结合, 越是松散, 则颗粒的PDI越低. 当原料中各成分的颗粒质量系数加权和﹥ 4.7能获得较好的颗粒质量, 见式(1):
1.2原料粒度
粒度越细, 粒子的表面积越大, 粒子之间越容易结合, 同时混合调质时更容易吸收热量和水份, 生物质的软化糊化度越好, 从而使得制出的颗粒越密实光滑, 不易发生开裂和细粉. 然而粒度越细小, 粉碎工序能耗就越高, 故而也不过分追求较小的粒度 [6]. 原料粒度的均匀性也很重要, 粉碎后的原料中不能有过大的颗粒, 过大的颗粒不容易和其它原料结合, 影响混合调质均匀性, 制粒后颗粒表面易产生凸凹不平的现象, 且在大颗粒周围容易产生辐射式裂纹, 造成颗粒易破损. 从制粒角度来讲, 原料粒度越细小, 制粒强度高, 但不宜调节湿度, 易于结团粘结, 且原料粉碎过细, 造成粉碎能耗过高; 粒度过粗, 型孔进入困难, 增加模孔及压辊的磨损, 制粒成形困难, 尤其是小孔径模具成形更难, 并造成物料软化糊化效果差, 导致物耗高, 产量低, 产出颗粒含粉率高. 因此, 原料粒度一般为颗粒直径的1/2~ 2/3或粉碎控制时采用于半颗粒直径的筛板, 最大不宜﹥ 10mm.
这样就能避免粉碎能耗过大, 又保证了加湿混合调质所需的粒度, 利于减少颗粒的含粉率. 另外应注重制粒前的混合均匀度, 使混合均匀度变异系数达到5%左右, 将给后面制粒工序奠定良好基础.
1.3原料湿度
在生物质原料中化合水和自由水起到润滑剂的作用, 使粒子间的内摩擦减小, 流动性增强, 从而促进粒子间的结合, 而且由于水解作用及生物质的吸水软化增进了塑变粘合化作用, 合适的湿度可促进颗粒的成型, 一般不同的原料适用湿度不尽相同, 宜受温度成分等影响, 大部分原料的湿度为8%~ 15%, 但也有个别物料的湿度要求较高, 如柚木木屑甚至达到50%等, 不常见的原料最好进行测试, 以保证颗粒效果. 对于湿度过大的原料在进行制粒前必须经过处理降低水份, 通常采用烘干工艺处理[7-8].
2过程因素
2.1成型温度
生物质成型的过程主要就是部分有机成分在一定的温度和压力下软化塑变粘合成型的过程, 所以成型温度是生物质颗粒成型的重要影响因素[9]. 一般来说, 生物质中的有机成分开始软化的温度为70℃~ 80℃, 大约160℃时塑变粘合, 而到240℃时部分有机成分开始液化. 所以当成型时的温度达到60℃时, 原料开始软化, 流动性提高, 随着温度的升高, 物料运动阻力越来越小, 成型阻力也随之降低. 据测定常温成型与热态成型的压力相差近2倍. 但也不是温度越高越好, 温度过高会造成生物质碳化, 不利于成型, 且由于这种碳化的不均匀和不可控, 将会影响颗粒品质及热值.
2.2物料层厚
物料进入挤压区, 使得压辊与模具间形成一个间隙, 这一间隙就是物料层厚. 物料层厚是物料进入挤压区前的一个预处理阶段, 这时压辊对料层中的物料有一个预压缩力. 对于不同模孔直径的成型模具来说, 一般压制小直径的颗粒选用较小的间隙, 压制较大直径的颗粒选用较大的间隙.
物料层厚不仅与成品颗粒直径有关, 还影响着制粒过程的功耗, 相同条件下不同物料层厚会导致挤压力的变化, 物料层厚过小时, 挤压力小, 进入模孔中的物料也少, 生产率低, 甚至造成物料进入模孔过少而形不成挤压, 不能生产出颗粒; 物料层厚过大时, 挤压力急速提升, 物料进入模孔量过大, 造成颗粒过于致密出料困难, 功率加大, 甚至造成过载引发设备故障. 图1显示了物料层厚对挤压力的影响. 其中B为合理物料层厚, A为过大状态下的物料层厚, C为过薄的物料层厚. 物料所受挤压力为压辊与物料接触的垂直分力, 也就是式(2):
从图1中可以清楚地看出, 料层厚度为A时的挤压力F由于挤压区长, 从而导致挤压力大幅上升, 而C区的挤压力又过小. 故而合理的物料层厚是高效生产的保障.
3设备因素
3.1挤压速度
挤压速度直接影响着物料在模孔中的停留时间. 物料在模孔中停留时间对成型质量有很大的影响, 当物料在模孔中受挤压的时间较短, 单位产量消耗的功率就较少, 但易造成生产颗粒压实度不够; 而物料在模孔中停留时间越长, 受挤压的时间就越长, 颗粒的组织就越致密, 颗粒质量就得到提高, 但相对的单位能耗也上升了; 当物料在模孔中停留时间过长, 压缩过于致密造成摩擦加剧, 移动困难, 相应也会出现过热导致的颗粒炭化甚至模孔被压实而停机停产. 挤压速度受压辊转速, 压辊直径等影响, 合理的挤压速度是设备连续作业和使用较低能耗的保证.
3.2挤压强度
挤压强度即物料所受到的物理挤压力, 这是颗粒致密程度的主要因素[10]. 只有在较高的挤压强度下, 才能使得原料中的部分生物质发生软化, 并且在较高的挤压强度下产生的摩擦热也促进了原料中部分成分的塑化及粘合作用, 从而使得颗粒胶合成型. 当挤压强度不足时, 原料得不到有效挤压, 颗粒不能成型; 而挤压强度过大又会加剧模具的磨损, 不利于成本的控制.
3.3成型型孔参数
成型型孔参数是一个综合因素, 受到原料成分, 原料粒度, 挤压速度, 挤压强度等多方面的制约, 又反过来影响着这些因素, 综合影响颗粒成型的过程. 如型孔参数中的压缩比, 较大的压缩比提高了挤压强度, 降低了挤压速度, 对于原料颗粒质量因子较低的物料有促进作用; 型孔参数中的入口形式则影响着原料进入到型孔的数量及速度, 并影响着物料层厚的变化.
经过前期的试验研究, 已经在试验的基础上对生物质颗粒成型模具的孔型数据有了一定的积累, 为成型理论的完善奠定了基础. 目前, 对制造颗粒的模盘, 根据不同的原料配比, 一般根据需要的成型孔径φ, 选择适当的系数来确定模盘的盘厚H, 锥口D, 锥深h.
针对不同的原料, 对制粒设备成型孔成型参数进行调整, 可以得到成型制粒效果优, 单位生产耗能低的颗粒, 利于实现生产利润扩大化.
4结语
本文分析了颗粒成型的主要影响因素, 这些因素对颗粒成型的影响是多方面的, 原料成分和湿度含量直接决定了制粒成型效果, 对于湿度高的原料必须进行降低水份含量的处理, 否则不能成型制粒; 制粒过程是一个相对严格的控制过程, 温度, 层厚不能超过要求范围否则也不能正常出粒; 而设备因素更是一个复杂的综合因素, 其中型孔参数的选择调整可以改善调整其他因素的作用. 良好的型孔成型参数对原料的适用范围广, 生产过程单位能耗也低, 而且颗粒成型质量好. 通过对成型设备和型孔参数的优化及改进, 能够有效地提高颗粒质量及产量, 并促进生物质颗粒应用及推广.
参考文献
[1]王雨生, 傅建祥.生物质能源的应用技术研究[J].青岛农业大学学报: 自然科学版, 2015(3): 215-221.
[2]张百良.生物质成型燃料技术与工程化[M].北京: 科学出版社, 2012: 131-140.
[3]Kaliyan N, Moreyrv.Factors affecting strength and durability of densified biomass products[J].Biomass and Bioenergy, 2009, 33(3): 337-359.
[4]李艳聪, 万志生, 单慧勇, 等.影响颗粒饲料质量和制粒性能的因素分析[J].安徽农业科学, 2011(10): 5929-5930.
[5]Boerner B.J.Problems with pellet quality[J].Feed Management, 1992 (43) : 10- 18.
[6]李令芳.影响颗粒饲料耐久性指数的因素及其控制[J].饲料工业, 2008(1): 3-5.
[7]张亮, 许艳芬, 杨在宾, 等.饲料原料对颗粒饲料制粒质量的影响[J].饲料与畜牧, 2013(1): 13-17.
[8]Samuelsson R, Larsson S H, Thyrel M, et al. Moisture content and storage time influence the binding mechanisms in biofuel wood pellets[ J] . Applied Energy, 2012(99): 109- 115.
[9]张得政, 张霞, 杨飞, 等.菌苞, 木屑和烟秆颗粒燃料成型特性研究[J].农机化研究, 2017(10): 241-245.
[10]黄艳, 杜鹏东, 张明远, 等.生物质颗粒燃料成型影响因素研究进展[J].生物质化学工程, 2015(5): 53-58.
