王美美 1, 王詠梅 2, 韓文清2
(1.安陽工學院機械工程學院; 2.安陽吉姆克能源機械有限公司河南安陽455000)
摘要: 生物質顆粒作為生物質能源的重要利用形式, 研究其成型過程中的影響因素有著重要意義. 本文主要從原料, 過程, 設備三方面研究分析了影響生物質顆粒固態成型的因素, 及其對顆粒質量係數 (PQF) 和顆粒耐久性指數 (PDI) 等指標的影響, 各因素間的作用是相互關聯的, 其中設備孔型參數是分析研究的重點因素, 是顆粒成型設備研究開發進行的前期基礎研究.
在全球高速發展的今天, 生產生活對能源的依賴程度越來越高, 能源已成為制約國家經濟發展的基本物質. 石化能源作為一次能源, 因儲量有限不能再生趨於枯竭, 而引起全球各國的高度重視. 生物質能源作為可再生資源, 在石化替代能源中佔有重要地位 [1]. 開發生物質能源不僅能夠補充石化能源的短缺, 還可產生重大的環境效益. 將鬆散的生物質原料經固態成型技術轉化為顆粒燃料是生物質能源的一種高效簡單實用的利用形式. 我國有著豐富的生物質資源, 對開發生物質能的利用技術提供了廣泛的原料保證. 雖然我國在該技術領域研究開發起步晚, 但隨著市場及環境需求日益增高, 研究生物質顆粒燃料的成型因素, 對開發推進我國生物質固化成型技術及其設備的規模化起到很大的促進作用.
生物質顆粒成型的過程, 實際為生物質中的部分物質發生塑變相互嵌合并伴有有機物的軟化膠合的物化過程. 這一過程以物理變化為主體, 化學變化為輔助, 受到了原料成分, 原料粒度, 原料濕度, 成型溫度, 物料層厚, 擠壓速度, 擠壓壓強及成型型孔參數等多方面影響[2-3].
1原料因素
1.1原料成分
由於原料一般是由幾種不同成分組成, 而不同成分對顆粒固化成型的影響是不同的. 有些成分如生物質中的蛋白質, 木質素等, 在一定壓力或溫度下發生軟化, 塑變從而形成具有膠合性質的有機質, 有些成分如木屑中的纖維素, 生物垃圾中的無機顆粒等等, 是不易分解或者裂解, 在顆粒成型過程中象分散劑一樣阻礙了顆粒成型, 而生物質原料中大部分物質不是很容易分解或軟化的. 原料成分是影響顆粒耐久性指數 (以下簡稱PDI) 的主要因素. 原料成分對PDI的影響, 在各種影響因素中所佔的比例約為40%左右 [4]. 原料中的各種成分對整個PDI的貢獻率是不同的, 根據不同物質對PDI的貢獻率大小不同, 把一些常用的原料給出不同的顆粒質量係數 (以下簡稱PQF) 見表1[5].
PQF越大的原料, 制出的顆粒越緊密, PDI越高, 反之則越低. 如膨潤土, 木質素等, 其PQF較高, 一般可作為粘結劑來使用, 如酸性油等, 其PQF值為-40, 這是由於油脂類原料組分很多, 從而在微粒間相互產生油膜, 而油膜的存在導致了微粒的分散隔離, 而使得制出的顆粒不能有效結合, 越是鬆散, 則顆粒的PDI越低. 當原料中各成分的顆粒質量係數加權和﹥ 4.7能獲得較好的顆粒質量, 見式(1):
1.2原料粒度
粒度越細, 粒子的表面積越大, 粒子之間越容易結合, 同時混合調質時更容易吸收熱量和水份, 生物質的軟化糊化度越好, 從而使得制出的顆粒越密實光滑, 不易發生開裂和細粉. 然而粒度越細小, 粉碎工序能耗就越高, 故而也不過分追求較小的粒度 [6]. 原料粒度的均勻性也很重要, 粉碎後的原料中不能有過大的顆粒, 過大的顆粒不容易和其它原料結合, 影響混合調質均勻性, 制粒後顆粒表面易產生凸凹不平的現象, 且在大顆粒周圍容易產生輻射式裂紋, 造成顆粒易破損. 從制粒角度來講, 原料粒度越細小, 制粒強度高, 但不宜調節濕度, 易於結團粘結, 且原料粉碎過細, 造成粉碎能耗過高; 粒度過粗, 型孔進入困難, 增加模孔及壓輥的磨損, 制粒成形困難, 尤其是小孔徑模具成形更難, 並造成物料軟化糊化效果差, 導致物耗高, 產量低, 產出顆粒含粉率高. 因此, 原料粒度一般為顆粒直徑的1/2~ 2/3或粉碎控制時採用於半顆粒直徑的篩板, 最大不宜﹥ 10mm.
這樣就能避免粉碎能耗過大, 又保證了加濕混合調質所需的粒度, 利於減少顆粒的含粉率. 另外應注重製粒前的混合均勻度, 使混合均勻度變異係數達到5%左右, 將給後面制粒工序奠定良好基礎.
1.3原料濕度
在生物質原料中化合水和自由水起到潤滑劑的作用, 使粒子間的內摩擦減小, 流動性增強, 從而促進粒子間的結合, 而且由於水解作用及生物質的吸水軟化增進了塑變粘合化作用, 合適的濕度可促進顆粒的成型, 一般不同的原料適用濕度不盡相同, 宜受溫度成分等影響, 大部分原料的濕度為8%~ 15%, 但也有個別物料的濕度要求較高, 如柚木木屑甚至達到50%等, 不常見的原料最好進行測試, 以保證顆粒效果. 對於濕度過大的原料在進行制粒前必須經過處理降低水份, 通常採用烘乾工藝處理[7-8].
2過程因素
2.1成型溫度
生物質成型的過程主要就是部分有機成分在一定的溫度和壓力下軟化塑變粘合成型的過程, 所以成型溫度是生物質顆粒成型的重要影響因素[9]. 一般來說, 生物質中的有機成分開始軟化的溫度為70℃~ 80℃, 大約160℃時塑變粘合, 而到240℃時部分有機成分開始液化. 所以當成型時的溫度達到60℃時, 原料開始軟化, 流動性提高, 隨著溫度的升高, 物料運動阻力越來越小, 成型阻力也隨之降低. 據測定常溫成型與熱態成型的壓力相差近2倍. 但也不是溫度越高越好, 溫度過高會造成生物質碳化, 不利於成型, 且由於這種碳化的不均勻和不可控, 將會影響顆粒品質及熱值.
2.2物料層厚
物料進入擠壓區, 使得壓輥與模具間形成一個間隙, 這一間隙就是物料層厚. 物料層厚是物料進入擠壓區前的一個預處理階段, 這時壓輥對料層中的物料有一個預壓縮力. 對於不同模孔直徑的成型模具來說, 一般壓制小直徑的顆粒選用較小的間隙, 壓制較大直徑的顆粒選用較大的間隙.
物料層厚不僅與成品顆粒直徑有關, 還影響著制粒過程的功耗, 相同條件下不同物料層厚會導致擠壓力的變化, 物料層厚過小時, 擠壓力小, 進入模孔中的物料也少, 生產率低, 甚至造成物料進入模孔過少而形不成擠壓, 不能生產出顆粒; 物料層厚過大時, 擠壓力急速提升, 物料進入模孔量過大, 造成顆粒過於緻密出料困難, 功率加大, 甚至造成過載引發設備故障. 圖1顯示了物料層厚對擠壓力的影響. 其中B為合理物料層厚, A為過大狀態下的物料層厚, C為過薄的物料層厚. 物料所受擠壓力為壓輥與物料接觸的垂直分力, 也就是式(2):
從圖1中可以清楚地看出, 料層厚度為A時的擠壓力F由於擠壓區長, 從而導致擠壓力大幅上升, 而C區的擠壓力又過小. 故而合理的物料層厚是高效生產的保障.
3設備因素
3.1擠壓速度
擠壓速度直接影響著物料在模孔中的停留時間. 物料在模孔中停留時間對成型質量有很大的影響, 當物料在模孔中受擠壓的時間較短, 單位產量消耗的功率就較少, 但易造成生產顆粒壓實度不夠; 而物料在模孔中停留時間越長, 受擠壓的時間就越長, 顆粒的組織就越緻密, 顆粒質量就得到提高, 但相對的單位能耗也上升了; 當物料在模孔中停留時間過長, 壓縮過於緻密造成摩擦加劇, 移動困難, 相應也會出現過熱導致的顆粒炭化甚至模孔被壓實而停機停產. 擠壓速度受壓輥轉速, 壓輥直徑等影響, 合理的擠壓速度是設備連續作業和使用較低能耗的保證.
3.2擠壓強度
擠壓強度即物料所受到的物理擠壓力, 這是顆粒緻密程度的主要因素[10]. 只有在較高的擠壓強度下, 才能使得原料中的部分生物質發生軟化, 並且在較高的擠壓強度下產生的摩擦熱也促進了原料中部分成分的塑化及粘合作用, 從而使得顆粒膠合成型. 當擠壓強度不足時, 原料得不到有效擠壓, 顆粒不能成型; 而擠壓強度過大又會加劇模具的磨損, 不利於成本的控制.
3.3成型型孔參數
成型型孔參數是一個綜合因素, 受到原料成分, 原料粒度, 擠壓速度, 擠壓強度等多方面的制約, 又反過來影響著這些因素, 綜合影響顆粒成型的過程. 如型孔參數中的壓縮比, 較大的壓縮比提高了擠壓強度, 降低了擠壓速度, 對於原料顆粒質量因子較低的物料有促進作用; 型孔參數中的入口形式則影響著原料進入到型孔的數量及速度, 並影響著物料層厚的變化.
經過前期的試驗研究, 已經在試驗的基礎上對生物質顆粒成型模具的孔型數據有了一定的積累, 為成型理論的完善奠定了基礎. 目前, 對製造顆粒的模盤, 根據不同的原料配比, 一般根據需要的成型孔徑φ, 選擇適當的係數來確定模盤的盤厚H, 錐口D, 錐深h.
針對不同的原料, 對制粒設備成型孔成型參數進行調整, 可以得到成型制粒效果優, 單位生產耗能低的顆粒, 利於實現生產利潤擴大化.
4結語
本文分析了顆粒成型的主要影響因素, 這些因素對顆粒成型的影響是多方面的, 原料成分和濕度含量直接決定了制粒成型效果, 對於濕度高的原料必須進行降低水份含量的處理, 否則不能成型制粒; 制粒過程是一個相對嚴格的控制過程, 溫度, 層厚不能超過要求範圍否則也不能正常出粒; 而設備因素更是一個複雜的綜合因素, 其中型孔參數的選擇調整可以改善調整其他因素的作用. 良好的型孔成型參數對原料的適用範圍廣, 生產過程單位能耗也低, 而且顆粒成型質量好. 通過對成型設備和型孔參數的優化及改進, 能夠有效地提高顆粒質量及產量, 並促進生物質顆粒應用及推廣.
參考文獻
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