張義田
摘要: 文章主要介紹了國內外生物質顆粒燃料製造技術的開發現狀及生物質顆粒製造技術的發展趨勢. 重點介紹了採用環模壓縮技術生產生物質顆粒燃料的工藝流程和生產特點, 並對開發生物質顆粒燃料製造的技術前景進行展望, 以期為開發生物質顆粒燃料提供參考.
生物質顆粒燃料是以農林加工剩餘物為原料經物理方法擠壓成型的一種燃料產品, 是煤炭等化石能源的良好替代品. 原料具有來源廣, 燃燒汙染小等特點. 採用環模壓縮方式製造生物質能源顆粒, 其生產設備相對簡單, 生產效率高, 產品質量好; 投資少, 見效快, 是目前顆粒製造技術的發展趨勢.
1國內外生物質顆粒燃料製造技術的開發研究現狀
生物質能源是一種重要的可再生能源, 在目前世界能源消耗中, 生物能源佔世界總能耗的14%, 僅次於石油, 天然氣和煤炭, 居第4位. 許多國家都制定了相應開發研究計劃, 如日本的陽光計劃, 印度的綠色能源工程, 美國的能源農場等, 均體現對生物能源開發利用的重視. 生物能源的開發主要集中在生物質能源顆粒製造方面, 它比其他生物能源更容易實現大規模生產和使用 [1-3], 因此, 受到廣泛的重視. 國外木質壓縮成型顆粒的開發工作始於20世紀40年代, 1948年日本申報了利用木屑為原料生產棒狀成型燃料的第一個專利, 20世紀50年代初生產了商品化單頭, 多頭螺杆擠壓成型機, 20世紀60年代成立了木質成型燃料行業協會. 在美國, 生物質燃料的發展源於20世紀70年代的能源短缺時期, 開發出內壓滾筒式顆粒成型機, 並在國內大量生產. 瑞士, 瑞典, 西歐等發達國家也先後開發研究了壓縮成型燃料 [4]. 並投入規模生產.
在國內生物質能源燃料的開發研究工作起步較晚, 國家和地方對該項產業的發展給予了重點支援. 1990年, 通過實施國家 '七五' 攻關項目木質棒 (螺旋擠壓) 成型機的開發研究工作, 國內建立了第一條棒狀顆粒螺旋擠壓成型生產線 [5]; 1998年, 中國林科院南京林化所等單位通過實施 '林業剩餘物製造顆粒成型燃料技術研究' 項目, 開發出以木屑和刨花為主要原料的環模碾壓成型設備; 近年來國內科研單位加大了研究力度, 取得了可喜的成果. 清華大學清潔能源研究與教育中心開發出生物質顆粒燃料冷成型技術和設備; 浙江大學生物機電工程研究所能源清潔利用國家重點實驗室在生物質成型理論, 成型燃料燃燒技術等方面進行了研究. 目前, 我國已有引進或自主開發的生物質能源生產項目開工建設. 我國政府也十分重視生物能源的開發和利用, 2006年1月頒布了《可再生能源法》, 明確了生物能源在能源結構中的地位, 為生物質能源顆粒技術的推廣和應用奠定了政策基礎. 隨著國家相關扶持政策的出台, 必將迎來生物質能源產業的大發展.
2生物質顆粒燃料製造技術的發展趨勢
生物質顆粒的製造方法種類多樣, 根據工藝特性的差別, 可分為常溫壓緻密成型, 熱壓緻密成型和碳化緻密成型等. 目前, 國內外在生物質顆粒燃料製造領域採用的生產設備主要有螺旋擠壓成型設備, 活塞衝壓成型設備, 輥模碾壓成型設備. 而輥模壓縮成型設備又包括環模壓縮成型設備和平模壓縮成型設備.
農林剩餘物生物質常溫成型是近幾年研究, 開發的成果 [6]. 常溫成型中以環模壓縮成型成為目前世界上研製開發生物質顆粒製造的主流. 相對其他成型方式而言具有如下優點: ①生產效率高, 能耗低, 大中型環模壓縮設備每小時可生產顆粒成品2t以上, 能耗是加熱緻密成型能耗的56%~ 33%; ②原料預處理要求低, 含水率10%~ 18%即可成型; ③成型模具磨損小, 由於是常溫成型, 成型模具的強度和耐磨性都不會降低, 成型模具的使用壽命更長; ④成型燃料熱值基本不發生變化, 生物質原料常溫成型不破壞原料的分子結構, 無化學反應和任何加熱裂解分化的作用, 因此成型燃料幾乎沒有熱量的損耗, 可以保持原物料的穩定熱值. 由此可見, 生物質顆粒燃料製造技術正向著高效, 節能, 低成本化的環模壓縮成型方向發展.
3環模壓縮生產生物質顆粒燃料的技術特點
3.1生產工藝流程
環模壓縮生產生物質顆粒的生產工藝由混合, 烘乾, 分離, 調質, 制粒系統等組成 [7], 原材料 (稻殼或木屑等) 由引風機引至待烘乾物料儲藏倉內, 經絞龍攪拌後, 將混合物送入滾筒式烘乾機, 在熱風烘乾爐作用下, 對物料進行烘乾, 烘乾後的物料再由風機送到旋風式分離器內, 通過分離器把粉料與混合的氣體進行分離, 分離後的物料由提升機提升到待加工物料儲藏倉, 在此檢測物料的含水率和溫度 (如物料指標與加工要求出入很大, 通過調整前面工藝參數以達到要求) , 並通過絞龍內部的攪拌杆使其與物料混合調質, 調質後的物料經過喂料絞龍, 進入制粒機進行壓制. 壓制後的顆粒經由提升機提升到冷卻倉進行冷卻, 待顆粒冷卻後, 在振動篩中進行篩選分離 (圖1) .
3.2生產設備特點
環模壓縮成型設備: 它的壓模為圓環狀, 壓輥與壓模採用內嵌式結合 [8-12]; 原料進入環模後, 在壓輥與環模之間被擠壓成型, 並從環模上的孔徑被擠出. 其技術特點為: ①採用常溫緻密成型的方法, 依靠物料擠壓成型時所產生的摩擦熱, 即可使物料軟化和粘合; ②對原料的含水率要求較寬; ③生產效率高, 產量有大幅提高, 產品質量比較好, 產品粒度均勻, 密度大; ④能耗成本低廉; ⑤設備體積小, 設計簡單實用; ⑥不添加任何粘結劑, 有效降低生產成本, 產品也更加天然環保.
4生物質顆粒燃料製造技術的開發前景
生物質能源顆粒可利用的原料資源豐富. 全國林產工業每年產生可收集的剩餘物超過4000萬m 3. 農作物秸稈, 水稻殼, 花生殼, 榛子殼等每年多達6億t. 為發展生物質能源顆粒提供了豐富而廉價的原料 [13-14]; 生物質顆粒燃料符合節能環保的迴圈經濟理念. 與煤炭等傳統能源相比, 生物質顆粒燃料具有二氧化碳零排放, 碳氫化合物 (HC) , 氮氧化合物 (NO x) , 二氧化硫 (SO 2) 等排放低, 對環境汙染少, 可再生等優點.
生物質顆粒產品市場前景廣闊, 可廣泛應用於工業生產和居民生活. 我國政府對電力企業使用生物質能源給予補貼的政策, 電力企業使用生物質顆粒燃料正在變為現實. 近期, 國家林業局召開生物質能源專題會議, 要求各地制定生物質能源發展規劃並發展龍頭企業. 生物質顆粒開發必將成為一種趨勢. 總之, 開發生物質燃料顆粒製造技術符合我國產業政策和我國國情, 具有良好開發前景.
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