生物質(zhì)秸稈成型工藝的試驗研究

第27卷第5期可耳生能獠VoL 27009年10月Renewable Energy Resources生物質(zhì)秸稈成型工藝的試驗研究周春梅,來(lái)小麗(山東英才學(xué)院機械制造及自動(dòng)化工程學(xué)院,山東濟南250104)摘要:以節能降耗、延長(cháng)設備使用壽命為出發(fā)點(diǎn),以玉米秸稈和小麥秸稈為原料,對生物質(zhì)秸稈的不同成型工藝進(jìn)行了系統的成型試驗研究,并對各種成型工藝的能耗進(jìn)行了分析。結果表明:熱壓成型的效果最佳,在條件允許的情況下應優(yōu)先選擇熱壓成型工藝。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)稍稈;成型機理;成型工藝;能耗分析中圖分類(lèi)號:TK6;S216.2文獻標志碼:A文章編號:1671-5292(2009)040037-05Experimental study on biomass briquetting technologyZHOU Chun-mei. LAI Xiao-li(Shandong Yingcai University Machinery Manufacturing and Automation Engineering Institute, Jinan 250104, China)Abstract: Aimed at reducing the energy consumption and prolonging the device life and withcorn straw and wheat straw as feedstock, the experimental study on the briquetting technology ofthe biomass material and the comparison analysis of the three kinds of briquetting technics wascarried out. The result is that the effect of hot forming is the best, so we should select hot formingif it is availableKey words: biomass; briquetting mechanism briquetting technology, energy consumption analysis0引言木素屬非晶體,沒(méi)有熔點(diǎn),但有軟化點(diǎn)。當溫度為我國秸稈類(lèi)生物質(zhì)資源豐富,但存在資源分70-110℃時(shí),木素變軟,具有粘性;當溫度達到散、形態(tài)各異、能量密度低、運輸難、儲存不方便等200-300℃時(shí),木素呈熔融狀,粘性較高,此時(shí)加缺點(diǎn),這是目前制約生物質(zhì)秸稈規?；玫闹饕砸欢ǖ膲毫?就可使其與纖維素緊密粘接并與要瓶頸。生物質(zhì)秸稈成型技術(shù)是將松散、無(wú)定形相鄰顆?；ハ嗄z接,冷卻后即可固化成型。生物質(zhì)的原料壓縮成具有一定形狀、密度較大的燃料的秸稈成型燃料就是利用秸稈的這種特性,用壓縮技術(shù),該技術(shù)大大提髙了單位體積燃料的品質(zhì),因成型機將松散的秸稈在一定的溫度、壓力條件下,而受到國內外研究人員的普遍關(guān)注。目前,生物質(zhì)使木素軟化,經(jīng)擠壓成型而得到的具有一定形狀秸稈成型技術(shù)已取得了很大進(jìn)展,但是仍存在著(zhù)的新型燃料。單位產(chǎn)量功耗大、設備可靠性較差等缺點(diǎn)。本研究12影響秸稈成型的主要因素以節能降耗、延長(cháng)設備使用壽命為出發(fā)點(diǎn),對生物通過(guò)對生物質(zhì)成型機理的分析,確定影響生質(zhì)秸稈的各種成型工藝進(jìn)行了系統的試驗研究。物質(zhì)成型的主要因素有原料種類(lèi)原料粒度含水1生物質(zhì)秸稈成型技術(shù)率、成型壓力、壓縮成型模具形狀及尺寸、加熱溫1.1生物質(zhì)秸稈成型機理度等同植物細胞中除含有纖維素、半纖維素外,還含1.2.1原料種類(lèi)有木質(zhì)素(木素)。木素是具有芳香族特性的結構不同種類(lèi)原料的壓縮成型特性有很大的差單體是由苯基丙烷單元構成的三維空間聚合物。異,如中國煤化工維狀植物秸稈收稿日期:200903-27CNMHG作者簡(jiǎn)介:周春梅(1982-),女,助教從事機被設計與制造的教學(xué)工作。E- mail: jomei@163com可再生能漉00927(5)和樹(shù)皮等容易被壓縮。不同位置,可將熱壓成型工藝劃為2類(lèi),即非預熱122原料粒度熱壓成型工藝、預熱熱壓成型工藝。一般來(lái)說(shuō)粒度小的原料容易被壓縮粒度大133炭化成型工藝的原料較難被壓縮。原料粒度對成型機的效率及根據不同的工藝流程,可將炭化成型工藝分成型物的質(zhì)量也有影響,例如原料粒度較大時(shí)成為2類(lèi)即先成型后炭化工藝先炭化后成型工藝同型機將不能有效地工作,能耗大,產(chǎn)量小;原料粒2生物質(zhì)秸稈成型試驗度不均勻時(shí),成型物表面將產(chǎn)生裂紋,成型物密21試驗物料度、強度均降低。本研究選用山東地區比較具有代表性且資源123含水率豐富的玉米秸稈和小麥秸稈作為試驗物料。將物當原料水分含量過(guò)高時(shí),加熱過(guò)程中產(chǎn)生的料進(jìn)行自然風(fēng)干、切碎及篩分后,按粒徑0-045蒸汽不能從成型燃料中心孔排出,會(huì )造成燃料開(kāi)mm,0.45-09mm,09-2mm,2-5mm進(jìn)行分類(lèi)。裂,表面非常粗糙,甚至產(chǎn)生爆鳴;原料水分含量2.2試驗裝置及模具太低,則成型困難。一般來(lái)說(shuō),對于顆粒成型燃料,實(shí)驗室模壓成型裝置主要由油壓機構、成型要求原料的水分含量為15%-25%;對于棒狀成型模具和固定架構成(見(jiàn)圖1)。油壓表用于指示油燃料,要求原料的水分含量不大于10%。壓,壓力為0~40MPa124成型壓力與模具尺寸成型壓力是生物質(zhì)秸稈原料壓縮成型的最基本條件。只有施加足夠的壓力,原料才能被壓縮成型。成型壓力與模具的形狀尺寸有著(zhù)密切的關(guān)系。1.25加熱溫度加熱一方面可以使原料中的木素軟化,起到粘結劑的作用,另一方面可以使原料本身變軟,更容易壓縮成型。對于一般的成型機來(lái)說(shuō),加熱溫度調整為150~300℃比較適宜。1.3生物質(zhì)秸稈成型工藝根據主要工藝特征的差別,可以將生物質(zhì)成型工藝劃分為常溫成型、熱壓成型和炭化成型3圖1成型裝置意圖種主要形式。Fig. l Structure and schematic diagram of forming device1.3.1常溫成型工藝借助實(shí)驗室的成型裝置,結合生物質(zhì)秸稈的常溫成型又稱(chēng)冷壓成型。根據在成型過(guò)程中成型機理,我們自行設計了2套閉式壓縮成型模是否加入粘結劑,又可將冷壓成型分為加粘結劑具,分別用于生物質(zhì)秸稈冷壓成型和熱壓成型。在冷壓成型和不加粘結劑冷壓成型。加粘結劑冷壓壓縮成型過(guò)程中,油缸座(機座)是靜止的,工作臺成型工藝就是將原料粉碎、調濕,添加粘結劑后加可以上下移動(dòng)。成型模具的結構原理圖見(jiàn)圖2。壓成型。這種方法具有低壓下容易成型和能耗低等優(yōu)點(diǎn),但對低成本粘結劑的選擇、粘結劑的調配以及粘結劑與原料的均勻混合等要求較高。不加粘結劑冷壓成型就是將秸稈物料粉碎后直接進(jìn)行加壓成型。通氣孔13.2熱壓成型工藝熱壓成型工藝是目前普遍采用的生物質(zhì)壓縮成型工藝。該工藝是在一定的溫度條件下將生物中國煤化工質(zhì)秸稈壓縮成型。根據原料在成型機中被加熱的CNMHG具38周春梅,等生物質(zhì)秸稈成型工藝的試驗研究2.3試驗內容及試驗過(guò)程研究選用玉米秸稈和小麥秸稈,分別在不同粒度2.31試驗內容不同水分含量及不同成型壓力下進(jìn)行分組成型試生物質(zhì)秸稈成型工藝的試驗研究主要分為2驗。部分。3L.1原料粒度及成型壓力對秸稈成型效果的影響①針對影響生物質(zhì)秸稈成型的主要因素,選將自然風(fēng)干的粒徑為0-045mm,0.45-0.9擇玉米秸稈和小麥秸稈進(jìn)行成型試驗,研究原料mm,09~2mm,2~5mm的玉米秸稈顆粒和小麥秸粒度、水分含量成型壓力及原料種類(lèi)對生物質(zhì)秸稈顆粒分別放在1,2,3,4,6,8,10MPa的壓力下稈成型效果的影響,確定較優(yōu)的冷壓成型工藝參進(jìn)行成型試驗試驗結果見(jiàn)圖3,4。數②在生物質(zhì)秸稈冷壓成型的基礎上,進(jìn)行生物質(zhì)秸稈加粘結劑冷壓成型及熱壓成型試驗,并一一對3種成型工藝進(jìn)行能耗比較分析。2.32試驗過(guò)程①分別選取粒徑為0045mm,0.45-0.9mm09-2mm及2-5mm的玉米秸稈和小麥秸稈顆粒壓力/MPa備用。圖3不同粒度的玉米秸稈在不同壓力下的成型效果②將物料放入烘干箱內,在105±5℃下烘干Fig 3 The briquetting results of com straw of differentparticle sizes and at different pressures24h后備用。③使用噴霧器和快速水分測量?jì)x調節物料的水分含量④每次試驗稱(chēng)取相同質(zhì)量的物料進(jìn)行壓縮成型亠輪8436m⑤將稱(chēng)量后的物料放入模具中,加壓直至達085麥#;2到設定的成型壓力;在設定的成型壓力下保持一12346810定時(shí)間退模后即可得到成型燃料,自然風(fēng)干一段壓力MPa圖4不同粒度的小麥秸稈在不同壓力下的成型效果時(shí)間后,測量成型燃料密度及跌碎強度。Fig 4 The briquetting results of wheat straw of different2.4試驗指標的測定particle sizes and at different將成型模具內的成型燃料退模、自然風(fēng)干試驗結果表明,秸稈粒度為0-5mm時(shí),秸稈原段時(shí)間后,利用電子天平和游標卡尺分別測量成料都可以成型;在相同的成型壓力下,原料粒度越型燃料的質(zhì)量和長(cháng)度,根據下面的公式來(lái)計算生小,成型后的燃料密度越大,抗跌落強度越高,成物質(zhì)秸稈成型燃料的成型密度。型效果越好。隨著(zhù)成型壓力的增大,生物質(zhì)秸稈成型燃料的成型性能明顯提高。但是提高成型壓力會(huì )使產(chǎn)品的能耗提高,因此成型壓力并不是越大式中:p—一成型燃料的密度,glcm;越好,在滿(mǎn)足成型燃料性能要求的條件下,成型壓一成型燃料的體積,cm3;力越小越好,以減少成型燃料生產(chǎn)過(guò)程中的能耗。成型燃料的質(zhì)量,g為了便于進(jìn)行統一比較,本研究在探討其它d—成型燃料的直徑因素對生物質(zhì)秸稈成型效果的影響時(shí),生物質(zhì)秸1—成型燃料的長(cháng)度桿原料的粒度均取0-045mm。3試驗結果及分析312原料水分含量對秸稈成型效果的影響31生物質(zhì)秸稈冷壓成型試驗V山中國煤化工量分別為5%,為了考察原料粒度、水分含量成型壓力以及10%CNMHG秸桿和小麥秸料種類(lèi)對生物質(zhì)秸稈成型效果的影響規律,本稈顆粒仕4Ma下進(jìn)仃壓規型試驗,試驗結果可耳生能20027(5)見(jiàn)圖5。由圖5可以看出,當水分含量為5%-15%滿(mǎn)足性能要求。在本試驗條件下,玉米淀粉糠醛時(shí),所得的成型燃料均滿(mǎn)足要求,其中,最適宜的渣及粘土作為玉米秸稈成型粘結劑的最佳添加量原料水分含量為10%~15%,即自然風(fēng)干秸稈物料分別為8%,8%和10%。玉米淀粉作為玉米秸稈成就可以滿(mǎn)足壓縮成型工藝的要求。型粘結劑的成型效果最佳。2205008.1251015202530分含量%粘結劑用量偉%圖5不同水分含量的秸稈在相同壓力下的成型效果圖7不同粘結劑添加量的成型效果Fig. 5 The briquetting results of straw of different MoisturFig. 7 The bng curve of different binder dosagesontents and at the same pressure3.3生物質(zhì)熱壓成型31.3原料種類(lèi)對秸稈成型效果的影響由生物質(zhì)秸稈成型機理可知,木素在7010℃將粒徑為0~0.45mm,水分含量為10%左右下開(kāi)始軟化粘合力開(kāi)始增加,粘結作用增強,因的玉米秸稈和小麥秸稈顆粒在不同成型壓力下的此本研究選定80,110,130℃3個(gè)成型溫度進(jìn)行試驗結果進(jìn)行對比(圖6)。在相同的成型條件下,生物質(zhì)秸稈熱壓成型試驗試驗結果表明,成型溫玉米秸稈成型燃料的密度和抗跌碎強度均優(yōu)于小度對成型效果的影響還是很明顯的,在溫度達到麥秸稈,這說(shuō)明玉米秸稈比小麥秸稈更容易壓縮定值后,即使施加很小的壓力也可以得到很好成型。這是因為玉米秸稈中的木素含量高于小麥的成型效果。綜合考慮原料成型效果和能耗情況,秸稈,而木素在生物質(zhì)秸稈成型過(guò)程中起粘結劑本研究確定最佳成型溫度為110<。的作用,有助于秸稈的成型。此外,小麥秸稈外表面有一層蠟,而這層蠟在小麥秸稈成型過(guò)程中起1.25到阻礙成型作用,致使小麥秸桿的成型特性較差。L.101.181.001一0.102030.5田8秸稈在不同溫度下的成型效果Figu. 8 The briquetting curve of straw under differenttemperatures34生物質(zhì)秸稈成型工藝的能耗比較壓力/MP圖6玉米秸秤與小麥秸稈成型效果比較在生物質(zhì)秸稈成型過(guò)程中,成型壓力越大,成Fig 6 Comparison on briquetting results of com straw and型設備的能耗越高,成型設備各部件的使用壽命heat straw就越短。為了解決目前成型技術(shù)中成型能耗高、設從目前國內現狀來(lái)看,可以利用的小麥秸稈備使用壽命短的問(wèn)題,尋求秸稈成型的最佳工藝資源很少,玉米秸稈資源極其豐富,因此,下述成在滿(mǎn)足相同的成型燃料密度的情況下,本研究對型試驗都是以玉米秸稈為原料進(jìn)行的。秸稈冷壓成型、加粘結劑冷壓成型及熱壓成型33.2生物質(zhì)秸稈加粘結劑冷壓成型種工藝的能耗進(jìn)行了對比分析。在冷壓成型條件本研究分別選擇玉米淀粉、糠醛渣及粘土作下,滿(mǎn)足成型指標所需成型壓力為2MPa;在加人為粘結劑,對生物質(zhì)秸稈加粘結劑冷壓成型效果8%玉所需成型壓力進(jìn)行研究(圖7)。由圖7可以看出,加入粘結劑可為1中國煤化工件,只需要0.5以使物料在較低的壓力下成型,得到的成型燃料MPaCNMHG因此,熱壓成40周梅,等生物質(zhì)穡稈成型工藝的試驗研究型可以較大幅度地降低成型壓力(成型壓力降低005,27(1):28-3了300%),從而大大減少了設備的內部摩擦延2吳創(chuàng )之馬隆龍生物質(zhì)能現代化利用技圍M北京:長(cháng)了設備的使用壽命,提高了設備的可靠性。加化學(xué)工業(yè)出版社,2002.粘結劑冷壓成型時(shí)要考慮粘結劑的成本和燃料3]何元斌生物質(zhì)壓縮成型燃料及成型技術(shù)(-)農村的熱值,熱壓成型時(shí)要考慮外部熱源的能量損能源,1995(5):12-14.耗。綜合分析得出,秸稈成型的最佳工藝為熱壓4袁振宏吳創(chuàng )之,馬隆龍等生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)M]北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.4結論5]李美華生物質(zhì)燃料致密成型參數的研究D小北京:北本研究圍繞影響秸稈成型的各工藝參數,以京林業(yè)大學(xué),2005.玉米秸稈和小麥秸稈為原料進(jìn)行冷壓成型試驗,向徐新惠棉稈壓縮成型特性的試驗研究[D石河子石河子大學(xué),2006.數范圍研究結果表明:玉米秸稈比小麥秸稈易于⑦程佩藝玉米稈碎料模壓成型制品尺寸穩定性的研究成型。本研究還對比分析了玉米秸稈冷壓成型加[D]北京:北京林業(yè)大學(xué),2005粘結劑冷壓成型及熱壓成型3種工藝下的能耗情81]鄭戈楊世關(guān)孔書(shū)軒等生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的發(fā)況研究結果表明:熱壓成型及加粘結劑冷壓成型展與分析]河南農業(yè)大學(xué)學(xué)報,1998,32(4):349-效果明顯優(yōu)于冷壓成型。綜合考慮成型效果及能耗情況,本研究認為秸稈成型的最佳工藝為熱壓9周春梅許敏易維明生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究科技信息,2006(8):72-75成型。因此,在條件允許的情況下,應該優(yōu)先選擇0劉軍利蔣劍春論生物質(zhì)能源標準體系(Ⅲ)—生熱壓成型工藝。物質(zhì)固體燃料標準化研究進(jìn)展生物質(zhì)化學(xué)工程2006,40(6):5458參考文獻:[l姜洋,曲靜震郭軍,等.生物質(zhì)顆粒燃料成型條件的[車(chē)戰斌生物質(zhì)就地及時(shí)壓縮成型技術(shù)]中國能源,研究可再生能源,2006(5):16-18.……+十+++“十“十“““-+“+“+“““““(上接第36頁(yè))uation of transesterification of waste palm oil into油質(zhì)量比為051,催化劑用量為棉籽酸化油質(zhì)量biodiesel []Bioresource Technology, 2002, 85: 253的3%,反應溫度為90℃,反應時(shí)間為150mn;在二次酯交換反應階段醇油質(zhì)量比為07:1,催化{4 OFF M J, BAUER N S, LOPES S,eta.Aid-clt劑用量為棉籽酸化油質(zhì)量的4%,反應時(shí)間為90alyzed alcoholysis of soybean oil JJJ. Am. Oil, ChemSoc2004,81(4):415-420min。反應產(chǎn)物經(jīng)水洗、中和、分層脫水及減壓蒸餾后得到生物柴油其產(chǎn)率達到94%以上,質(zhì)量5]劉世英,包宗宏已烷作助溶劑合成生物柴油糧油加T,2008(7):72-75達到GB/20828-2007要求。采用棉籽酸化油制1李泓,沈本賢棉籽油聯(lián)產(chǎn)生物柴油和甘油的工藝優(yōu)備生物柴油,原料價(jià)廉易得,方法簡(jiǎn)便易行,生物化及數學(xué)模型研究J中國油脂,2008,32(2):50-52柴油產(chǎn)率高,生產(chǎn)成本低,可有效地利用棉籽油加7 GHADGE S V. RAHEMAN H. Biodiesel production工業(yè)中的副產(chǎn)品,為內燃機提供優(yōu)質(zhì)的綠色燃料,from mahua oil having high free fatty acids [].Biomass適合于工業(yè)化生產(chǎn)。and Bioenergy, 2005, 28: 601-605.[8] VELJKOVI V B, LAKIEVI S H, STAMENKOVI S,et al.參考文Biodiesel production from tobacco (Nicotiana tabacumL)seed oil with a high content of free fatty acids[] MA F, HANNA M A. Biodiesel production: a review []Fue,2006.85:2671-2675Bioresource Technology. 1999, 70: 1-15.2]劉雙青陳燕,吳金平生物柴油的研究進(jìn)展門(mén)現代農9]盛梅田大亮曹園民利用餐飲廢油制備生物柴油業(yè)科技,2008(8):200-201中國煤化工[3] AL WIDYAN M I.SHYOUKH A O Experimental eval- [10]中國油脂,2005,30CNMHG