生物质成型燃料生产与应用的问题分析

2011年8月农机化研究第8期生物质成型燃料生产与应用的问题分析张国梁,张振涛,孙照斌,曲保雪,李成华,徐长明(1.河北农业大学林学院,河北保定071000;2.中国科学院理化技术研究所,北京100190;3.沈阳理工大学机械工程学院,沈阳110168;4.中国水利水电第十六工程局第二分局,福州350019)摘要:生物质致密成型技术是生物质能转换的方式之一。国内外已经对生物质致密成型做了大量的研究,但在成型燃料生产和应用过程中仍然存在很多问题,如原料难以持续供应、各类原材料特性不同、成型差异大、成型设备能耗高、磨损快、对原料适应性差、成型燃料结渣严重和不同生物质成型燃料燃烧性能差异大等。为此,对上述问题进行了探讨,并分析了解决问题的途径和方法,为深入开展生物质成型燃料的生产和利用提供了新的思路和途径。关键词:生物质;成型燃料;生产;应用中图分类号:S216.2文献标识码:A文章编号:1003-188X(201108-0177-070引言下,能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料6。20世纪70年代初,美国研究开发了环模挤压式颗粒成型生物质能作为自然界的第4大能源资源分布广,机,并在国内大量生产。瑞土、瑞典、西欧等发达国家开发潜力大,环境影响小,发展生物质能源是全球缓都先后开发研究了冲压式成型机、辊模挤压式颗粒成解能源危机、减少温室气体排放、解决生态环境问题型机-。20世纪50年代,日本从国外引进技术后和实现可持续发展的战略选择。我国农业废弃物进行了改进,研究应用了螺旋式挤压成型机,之后又资源丰富,每年约有7×10°t的农作物秸秆,另外还有相继产生了以油压、水压为动力的活塞式生物质压缩大量的林业采伐和林木制品加工厂产生的废弃物,如成型设备9。从20世纪80年代开始,日本对生物质枝丫、小径木、板片和木屑等,总量近1×105t2)。生压缩成型燃料技术进行了探讨对压缩过程中的动力物质致密成型技术生产固体燃料是把农林废弃物加消耗、压模的结构与尺寸、压缩燃料的含水率压缩时工再利用、解决生物质资源浪费和污染问题的一种重的温度和压力及原料的颗粒大小等进行了实验研究,要技术手段,是除生物质气化和液化之外的又一种生进一步改进了生物质压缩成型技术,使之更趋于实用物质能源转换方式3。但由于原料、工艺和设备等化。泰国、印度、菲律宾等国从20世纪80年代开始也诸多方面的原因,生物质成型燃料的生产和利用仍然先后研制成了填加粘结剂的生物质致密成型机。存在着问题。本文就生物质成型燃料生产及其应用1.2国内发展现状中存在的问题进行分析研究,以探索更好地开发生物我国从20世纪80年代起开始致力于生物质致密质能源的途径。成型技术的研究。湖南省衡阳市粮食机械厂于19851国内外生物质成型燃料技术发展现状年研制了第一台ZT-63型生物质压缩成型机,江苏省连云港东海粮食机械厂于1986年引进了一台OBM1.1国外发展现状88棒状燃料成型机。1993年前后,我国从国外引国外发达国家对生物质成型燃料技术都十分重进了近20条生物质压编成型生产线,基本上都采用视,并投入了大量的资金与技术力量研究和开发生物螺旋挤压式,以锯木屑为原料,生产碳化燃料。中国质致密成型设备。早在20世纪30年代,美国就开始林业科学研究院林产化学工业研究所于1998年研制研究压缩固体成型燃料技术,并研制了螺旋式挤压成成功型机,在加热温度为110-350℃压力10MPa的条件置木中国煤化工该机由旋风干燥装型装置3大部分组成CNMHG能耗为120.8~收稿日期:2010-10-12作者简介:张国梁(1984-),男,河北易县人,助教硕士,(E-mi)241.7kW,h/tm2)。中南林业科技大学严永林等(原guoliang2871@163.com,中南林学院)从2002年起在国产饲料制粒机的基础2011年8月农机化研究第8期上结合瑞典生物质颗粒燃料成型机技术研制而成了木材年消耗量达2.5×103m3,折合1.5×l0°t,而现有生物质颗粒燃料成型机。2004年,清华大学和北森林资源可供给量仅为1.5×10m3,供需缺口达6京惠众实科技有限公司开发的 Highzones生物质固化10-1×103m32,可用于成型燃料生产和生物质发成型技术,利用压辊挤压原理实现了生物质就地及时电的木材供应将十分紧张压缩。2006年,河南农业大学李保谦张百良和夏举例如下:按照生物质发电业内通行的标准,半祖璋等研制了HPB-Ⅳ型液压驱动活塞式成型机,合径50km内才允许建一个生物质发电厂,而如果生物肥天炎绿色能源开发有限公司研制了TYK-Ⅱ秸秆质电厂过于密集,则会导致生物质发电厂“无米下成型机。河南省科学院能源研究所何晓峰等研制了锅”。据南方周末报报道,截至2010年,江苏省原来生种在常温下生产颗粒燃料的环模颗粒成型机,变频物质发电厂一共批了28家,布点过于密集导致原料电机驱动螺旋供料装置为挤压装置供料,通过调整供价格攀升,以稻壳为例,其价格最高峰达到460元/t电的频率可实现原料供应量的调整,颗粒燃料的生产由于燃料缺少,大多时间很多电厂都只能减负荷运行效率可达到300~500kg/h3。或亏损运行23。2010年即将投产的涿鹿华达生物热电项目装机容量为2×25kW,年消耗各种秸秆32生物质成型燃料生产与应用中存在的问题10t,而河北涿鹿县秸秆总量才6.8×10°t3,不仅要2.1原料难以持续供应供应生物质电厂,还要供应造纸厂、饲料加工等企业,生物质原料主要包括木质材料和非木质材料(如加之秸秆不可能百分之百地收集(如小麦的手工收割竹材和农业剩余物等),其应用包括用于能源领域生系数为0.85~0.92),因此进一步加大生物质电厂产致密成型燃料供居民釆暖和生物质电厂发电、用于生产规模的可能性就很小。人造板行业生产木质或非木质人造板、用于造纸行业22各类原材料特性不同,成型差异大生产低端纸制品和纸箱包装材料等及用于养殖行业研究表明,不同种类农作物秸秆化学成分不同生产饲料等6-1。2009年,我国人造板的总产量为见表1所示-。化学成分对秸秆的致密成型工艺1.15×10°m3,其中秸秆人造板产量超过7.5×和成型燃料的性能有影响。相对于木材而言,秸秆的105m31-19);2009年1-11月,我国纸和纸板产量累灰分含量高,如阔叶材灰分低于1.5%,而农作物秸秆计达到8.47×101t0,林业废弃物、农业废弃物是造的灰分一般多在2%以上,稻秸的灰分高达14%,成型纸业发展低碳经济的重要环节;2010年3月,全国166过程中易造成粉尘污染,增加除尘系统的能耗。农作家饲料企业生产饲料2.75×10°12)。物秸秆灰分中的主要成分SO2含量多的在65%以上各类生物质利用都需要大量的可持续供应的原(如麦秸、稻秸等)(3,灰分中的SO2在植物纤维中形料,因而不可避免地存在着对生物质原材料的竞争。成了非极性的表层结构,影响胶黏剂吸附和氢键的形随着保护性耕作技术的发展秸秆留茬覆盖还田已成成,不利于其自身胶合固化成型。蓖麻秆的灰分含量为一些粮食主产区(同时也是秸秆主产区)的通用生在24%,因此与稻秸相比,在成型和燃烧是两者必然产方式2-3,可用于生产成型燃料的生物质原料供应呈现不同性能。有机溶剂抽提物含量高,1%NaOH下十分紧张。玉米秆的抽提物高达45.62%,这表明其富含蜡状物另一方面,从成品价格比较,lt人造板售价3000与硅,不易胶接,降低结合强度。秸秆中聚戊糖含量元左右,而1t成型燃料售价仅600~800元,因此原料多在20%以上,聚戊糖使秸秆在成型过程中易出现粘持有者就可能更倾向于将原料出售给收购价格较高附成型压辊和环模或螺旋进料器的现象,增加能耗,者。生物质电厂投资一般在几亿元,一旦上马为收回降低成型机使用寿命。阔叶材的木素和纤维素含量成本或达到预期的经济效益,必然不惜财力抢购原材较高,可分别高达33.09%和64.10%,而一般秸秆的料,从而使成型燃料原料价格进一步攀升。当原料成木素和纤维素含量都低于木材,自身强度也比较低本超过一定界限,即使享受国家补贴,成型燃料生产因此需要提高原料的粉碎程度以增大比表面积,促进和所供应的生物质电厂也会亏损。纤维接增结合强度。棉秆、麻秆等还有部分生物质电厂立项时以秸秆为主要原料,农作中国煤化工素含量较高,如蓖麻实际建成生产时,由于秸秆供应不足,成型燃料燃烧秆的CNMHG维较长,韧性大,采性能差,不得不大量使用木材作为成型的原材料。但用普通的粉碎机不易切断。我国木材资源供需矛盾日益突出,预计2010年我国生物质原料在压力作用下,细小的颗粒互相之间2011年8月农机化研究第8期容易发生紧密充填,成型块的密度和强度显著提高,求,造成能源消耗大和成型部件磨损严重等现象。采粉碎程度高,有助于提高成型燃料的松弛密度和耐久用热压成型虽能使生物质的化学成分转换为粘结剂性。普通的粉碎(物料相对含水率10%-15%)不能以增强成型物颗粒间的粘结力,但却消耗大量能促进原料的自身胶合。为保证成型燃料品质,对成型源3。另一方面普通的粉碎对高含水率秸秆(含压力、温度和成型机对原料的适应性提出了较高的要水率>30%)效果差,不能做到秸秆的即收割即粉碎。表1部分农作物粘秆的化学成分Tab 1 Chemical composition of crop straw水分灰分溶液抽提物/%聚戊糖木素纤维素种类产地冷水热水苯醇1%NBOH麦秆河南7.736,4710.023.3033.60稻秸河北19.8011.93棉秆四川1246玉米秆10.6520.400.5645.6237.68高梁秆河北9434.7613.88河北14.132.1210.690.7431.5143.55甘蔗渣四川10.537.6315.880.8526.2623.5119.30蓖麻秆内蒙古9.175,48海蓬子江苏57.21阔叶材0.10~1.5014.69-30.8317.81-33.0949.96-64.10带*号的是综纤维素含量23成型设备能耗高且磨损快对原料适应性差料要求严格:为锯末、木屑设计的成型设备不能处理现在应用较多的成型燃料加工设备有辊模挤压式生物质秸秆等;能处理秸秆的成型设备对稻壳无能为(包括环模式和平模式)、活塞冲压式(包括机被式、液力;处理稻壳的成型设备却奈何不得棉花秆等。压式)和螺旋挤压式等3种机型。其中,辊模挤压式2.4成型燃料结渣严重成型机采用的是湿压(冷压)成型工艺,活塞冲压式与秸秆类生物质在生长过程中会吸收一定量的金属螺旋挤压式成型机都采用的是热压成型工艺。当前元素(如K,Na,Cl,S,Ca,Si,P等),这些元素以盐或氧生物质致密燃料成型设备主要存在如下几个问题:化物等形式存在于生物质机体内,且熔点相对较低,1)在成型机中将纤维和木质素软化必然要求高大部分在700~90℃。当秸秆类生物质固体成型燃的能量消耗。例如,对于螺杆挤压成型机,粉料在螺料在锅炉内燃烧时,炉内温度远高于碱金属化合物的旋挤压成型前先要经过电加温预热,挤压成型过程的熔点导致炉排上的秸秆灰在800~900℃时就开始发吨料电耗一般为100kW/h生软化,温度过高时灰分会全部或者部分发生熔化2)滚轮和成型孔磨损很快,费用高。国产设备形成玻璃状坚硬炉渣难以清除{“。另外烟气中中螺杆的最高寿命不超过500h,距国际先进水平夹带着熔化或半溶化的碱金属硅酸盐,在接触到锅炉的1000h差距很大2;活塞式成型机的成型模腔一内壁面时凝结,不断积聚,最终产生严重的积灰或结般要10h修复一次;国内外的同类环模式成型设备渣等问题。结渣现象不仅会影响燃烧设备的热性能平均修复周期在100左右维修费用(取决于环模而且会危及燃烧设备的安全性直径)为1万~4万元。德国某厂环模成型机的环模25不同生物质成型燃料燃烧性能差异大每运行90d需要维修一次,一台环模总成可维修10不同种类生物质的热值和工业成分不同“,见次每次耗资4500欧元表2稻草的低位热值为1.39×10kJ/kg,而杂3)成型机对原料的粒度和含水率要求不尽相同,草的中国煤化工相比之下,木材的发从6%-35%不等超出正常范围就会导致不能成型热量CNMH热值分别为1.89或能耗增大,从而导致因各地原料不同而配备各种专10kJ/kg和1.90×10kJ/kg。热值的不同致使对应的门设计的成型设备。另外,不同的成型设备适用的原成型燃料在燃料炉中燃烧时性能存在差异,从一种燃17920l1年8月农机化研究第8期料换到另一种燃料燃烧时,所发出的能量就会存在波物纤维原料的半纤维素和木质素降解为低分子物质,动,从而导致供热或发电的不均匀性。这种不均匀性并且使纤维疏松,形成多孔性,易于燃烧4-“1。经此必然影响居民取暖或输电的稳定。处理的纤维便于成型,从而可提高成型机对原料的适表2几种生物质原料的工业成分分析应性。实施时可对不同种类秸秆采用不同含水率、不Tah.2 Analysis on industrial ingredients of several biomass raw materials同温度、不同压力进行工艺优化,得到不同种类秸秆生物质类们水分挥发分固定碳灰分低位热值爆破法工艺参数,提高成型设备对不同种类原料的适%/·kg应性。66.87169.46植物纤维材料苄基塑化即通过化学手段,用其他5.10746517.123.13的官能团来部分取代其纤维素、半纤维素或木质素上稻草l116.0613.8613970面的羟基,一方面会减少各成分之间的氢键,使纤维67.1119.3515363素及半纤维素等分子间的结合力大大下降;另一方面玉米秸4.8771.4517.755.9315539这种改性还会破坏纤维素的结晶结构,最终使木质纤棉秆6.78685420.7139715991维材料可以在一定温度下软化成为热塑性材料“」枫木78.6021.30.10热塑性材料在一定温度下易于成型,且结合强度提高。实施时可对不同种类原材料(木材、麦秸、玉米松木6.3079.4020.100.5019045秸、棉秆、稻壳等)进行一定比例(5%~10%)苄基化预处理,将苄基化产物与未处理原料混合,之后在成3解决问题的方案型机内成型,总体提高设备对原材料的适应性。33研发和改进成型设备3.1充分论证,保证原料可持续供应研制多种类高含水率物料(湿物料秸秆)一次粉项目投资人和地方政府要对生物质电厂项目进行碎技术与设备。普通的晾晒处理如遇阴雨天气,秸秆科学的可行性分析和论证,充分考虑国家政策、当地易霉变甚至腐烂,使秸秆利用价值降低,因而有必要的生物质原料数目分布、利用途径、已有企业类型和研发针对不同来源、不同种类的高含水率物料(湿秸经济效益等。立项规模要合适地点选择要恰当,宏秆)一次粉碎技术与设备,实现多种湿秸秆即收割即观审批要慎重,有大型人造板厂则不宜批建生物质电粉碎,并且提高碎料程度。可采用揉搓装置、锤片粉厂,从而保证原料供应充足,并且对可用于成型燃料碎、筛分装置等的有机结合技术设计开发设备,将秸生产和发电项目的生物质总量、可获得性、可供应量、秆高度分离,得到介于刨花碎料和热磨纤维之间的亚秸秆等生物质原料到厂价格以及秸秆资料的区域差纤维。粉碎后的秸秆进行再气干或人工干燥,一方面异等相关问题形成一套完整的理论体系。项目一旦提高干燥效率,另一方面可预防或减少秸秆霉变腐上马,要进行科学的管理保证项目的长久发展,确保烂,为后续成型工艺做好准备对当地经济、农民生活质量及农村环境切实有益提高成型部件的耐磨性,合理设计成型部件的材32对原料合理预处理优化成型工艺料、尺寸,合理选择成型因素水平,对成型的关键部件预处理对于增加原料成型性能、改善成型燃料的采用先进的表面热处理和涂层及渗层等技术以提高物理品质和燃烧性能及降低成型机能耗具有重要影耐磨性。响。改变原料的预处理方式可以提高不同种类秸秆研究设备对原料的适应性,从结构设计、尺寸设自身胶合固化成型性能,从而有效改善不同种类秸秆计、制造精度等角度角度出发,提高其对原料的适应成型性能和颗粒成型燃料结合强度。在原料预处理性,主要是对含水率的适应性。方面,蒸汽爆破预处理、木质纤维材料苄基塑化是新3.4提高成型燃料的抗结渣性能近发展起来的预处理方法。在对原料进行蒸汽爆破是进一步改善对原料的预处理,减少秸秆中的和苄基化处理的基础上,确定合理的成型工艺。金属元素。试验表明,使用60~70℃的水对秸秆进行蒸汽爆破主要是利用高温高压水燕汽处理纤维原洗滤,V凵中国煤化工l元素“则。二是料,并通过瞬间泄压过程实现原料的组分分离和结构在秸科CNMHG混人含有SiO2的泥变化。处理后天然纤维原料膨松呈烟丝状,纤维素的沙,防止K和Na等元素的化合物与SO2发生反应而孔隙增大。对其进行热性质分析表明蒸汽爆破使植生成低熔点的共晶体:。三是研制和选用合理的2011年8月农机化研究第8期抗结渣添加剂。农业部规划设计研究院田宜水等提势[冂].林业机械与木工设备,2009,37(2):4-8出了一种生物质固体成型燃料抗结渣添加剂。该[8]姜洋郭军,王忠诚等生物质致密成型设备生产颗粒添加剂主要由15%~25%的碳酸镁20%~30%氧化燃料技术及经济分析[J].可再生能源,2006(4):81铝和45%~65%的碳酸钙组成,按照不同的生物质原料制定不同的配方配比,并按照1%-5%的比例将抗9 P Y HFu, MU F Kirschbaum, R J Raison,etal.he结渣添加剂添加到不同的生物质原料中。四是采用potential for bioenergy production from Australian forests, its各种措施(如水冷震动炉排等)将锅炉燃烧温度控制contribution to national greenhouse targets and recent delopments in conversion processes [J]. Biomass and在900℃以下,对锅炉内部结构进行精心设计,避免携Bioenergy,2002(22):223-236带低熔点颗粒的热气体与换热面接触等。[10]樊峰鸣,傅玉清.生物质成型燃料技术及其热电联产应3.5提高成型燃料燃烧均匀性用探讨[J].中国建设动态阳光能源,2007(3):56应改变不同种类生物质原料的成型参数,以提高11] Ayhan Demiras, Ayse Sahin. Evaluation of Biomass reside其成型燃料的燃烧性能。有研究表明,玉米秸秆成型(1) briqueting waste paper and wheat straw mixtures[J]燃料的燃烧性能随着相对孔隙率的不同而变化,相对FuelProcessing Technol, 1998, (55): 185-193孔隙率大的玉米秸秆成型燃料相对较好燃烧,具有较12]刘圣勇陈开碇张百良国内外生物质成型燃料及燃好的燃烧性能,反之则不好5。为此,应根据生物质烧设备研究与开发现状[J].可再生能源,2002(4):14成型燃料的燃烧特性优化成型燃料锅炉运行参数,以提高燃烧效率和热效率。如上文表2所示,木材比秸13严水林生物质固化成型设备的研究[J,林业机械与木工设备,2003,31(12)秆的热值高,可尝试木质材料和非木质材料混合,如[14]车战斌,生物质就地及时压缩成型技术[J.新能源技木材-麦秆、木材-稻秸等混合成型燃料、生物质原术,2005(1):28-31料和煤粉混合成型燃料,从配比、密度等方面提高成[15」回彩姻生物质燃料常温高压致密成型技术及成形机型燃料的燃烧均匀性,提高热值理研究[D].北京:北京林业大学,2006:4-84结语[16] Monique Hoogwijk, Andre Faaija, Richard van den Broekaetc.Exploration of the ranges of the global potentialof bio-开发和利用生物质能是解决环境污染、能源短缺mass for energy [J]. Biomass and Bioenergy, 2003( 25):问题的重要途径,但生物质成型燃料生产和利用过程119-133中在原料的持续供应、原料预处理、成型工艺、设备、[17] Li Junfeng, Hu Runqing. Sustainable biomass production for成型燃料结渣和燃烧性能等方面仍然存在诸多问题,nergy in China[ J]. Biomass and解决好这些问题是确保生物质致密成型和利用产业83-499发展的关键,尚有大量的工作需要进行。[18佚名,2009年我国人造板产量[J].中国人造板,2010(7):37.参考文献[19]高述超我国秸秆人造板发展概况及建议[J].林产工业,2007,34(4):5-7[]刘广青董任杰李秀金生物质能源转化技术[M].北[20]陈奇志转变经济发展方式下我国造纸工业的发展趋京:化学工业出版社,2009:15-23势[J].造纸信息,2010(5):17-19[2]肖宏儒,宋卫东,钟成义,等生物质成型燃料加工技术[21中国饲料工业协会信息中心市场部2010年3月全国分析研究[J].中国农机化,2009(5):65-68.饲料生产形势分析[J].饲料广角,2010(8):10-12.[3] Ayhan Demirbas. Combustion characteristics of different bio-[22付杰沈北新区玉米保护性耕作技术体系研究[].农mass fuels[ J ]. 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Sinhydro Burean 16 Co., LTD, the Second Branch, Fuzhou 350019, China)Abstract: Biomass densification and formation technology is one of the transformation methods of biomass energy. Sub-2011年8月农机化研究第8期stantive researches on densifying technologies of biomass were done in and out of China. However, problems still existedin such aspects as difficult continuity of raw material supply, great forming diversity resulting from different raw materialcharacteristic,high energy consumption, fast wear and tear and bad adaptation to raw material of forming equipmentheavy slagging of biomass briquette and big variety of combustion performance of different biomass briquette during prduction and application of biomass briquette These problems were analyzed and Methods and routes of solving these prob-lems were discussed in this paper. Therefore, new thoughts and methods were presented for developing production andapplication of biomass briquette in depthKey words: biomass; briquette; production; application(上接第167页)Abstract ID:1003-188X(2011)08-0164-EAThe Application of Fuzzy Control on Intelligent Humidity MeterWang Yue, Zhu Fengwu, Han Guanghui, Li Tie(ilin Agricultural University, Changchun 130118, ChinaAbstract This paper was focused on nonlinear, delay and uncertainty characteristics of the humidity control, and pro-posed intelligent hygronom based on fuzzy control. The design was not only further study of fuzzy rules but defuzzificationby the minimum and maximum method and simulation study by MATLAB to test its rules and control effect. The simulation results was shown intelligent hygronom based on fuzzy control has good robustness, dynamic and widely applicationKey words: hygrometer; intelligent; fuzzy control(上接第171页)Abstract I:1003-188X(2011)08-0168-EAThe Design of Temperature Controlling System Based onElectrothermal Blowing Dry BoxLin hongjuDepartment of Machinery and Electronics, Hebei Normal University of Science and Technology, Qinhuangdao 066004China)Abstract: One new temperature controlling system design method based on electrothermal blowing dry box is presented inthe paper, including in hardware and software design. Single chip AT89552 is core of the system, which can completetemperature measure, controlling and display by PID control algorithm. It is small error and better expensive. It haswidespread prospects in many fieldsKey words: electrothermal blowing dry box; single chip AT89S52; Pt100; LCD; PID control algorithm中国煤化工CNMHG