生物质原料烘焙预处理研究

可生根候说点环统生物质原料燃焙预处理研究凌云逸1孙锲1 Ronald Wennersten2(1山东大学能源与动力工程学院2山东大学热科学与工程研究中心山东济南250061)摘要烘焙预处理是生物质气化或混合煤炭燃烧之前的预热处理过程。综迷国外研究资料的基础上,建立了包括质量产率、能量产率、高热值、氧碳比、含水量、研磨能耗等6项参数在内的综合评价指标和标准,研究了草芦、秸秆、松木屑、锯末、柳树木屑等生物质原料的烘焙预处理方式。研究发现:松木屑、锯末、秸秆的理想烘焙条件为:烘焙时间0.5h,烘焙温度依次为250-275℃、250℃、230-250℃;柳树木屑的理想烘焙条件为:烘焙时间Ih、烘焙温度230℃。草芦在各烘焙条件下均无法达到标准水平。关键词生物质烘焙预处理评价标准烘焙时间烘焙温度中图分类号:TK69文献标识码:A文章编号:1672-9064(2015)04085-03引言表1原料元素分析和工业分析随着传统化石能源的逐步枯竭和环境问题的日益恶化,元素分析工业分析生物质名称积极开发和利用可再生能源成为各国能源发展的重要战略。CHN0水分挥发分灰分固定碳生物质能是太阳能以化学能形式贮存在生物质内的能量形草芹48.66.80.33734.782.55512.1式,其燃烧产生的CO2为植物通过光合作用所吸收的,可实秸秆47.36.80.837.74.176.46.317.3现二氧化碳零排放,且其原料广泛来源于农林废弃物,因此柳树木屑4996.50.23992.887.61710.7具有环境友好和节能减排的双重作用,对于实现可持续发展柳树木屑45.86.20.147.23.480.20.615.5具有重要意义。开发和利用生物质能需要解决一系列和其本身性质有松木屑47.26.60.145.76.685.90.213.7锯末4726.20.445.17.982.11.716关的问题。例如:生物质一般具有较高的含水量和较低的能量密度,因此利用效率和相应的运输存储成本较高;强韧的注数据来源于文献[5~7],其中松木屑原产地为佐治亚州的Ogeorpe,尺寸大小约为长20-70mm、厚1.8-4.9mm、宽15纤维结构增加了加工利用的工艺难度等田。烘焙预处理技术40mm;锯末原产地 Macon GA,主要成分为南部黄松木的木屑、树是一种提升生物质燃料品质的重要技术,通过烘焙预处理可枝树皮叶片及其他小颗粒;草芦、秸秆原产地均为英国 Woburn以有效地减轻或者解决上述问题山影响生物质烘焙预处理Experimental Farm;柳树木屑产自北爱尔兰的 Rural Generation的三个重要因素为:原材料、烘焙温度和烘焙时间23(4)烘焙阶段指温度从200C.升至实验温度再降回200℃02烘焙预处理技术的阶段,该过程中的最高温度即烘焙温度,该过程的时间即烘焙是指在20030c的较低温度下的热处理过程生烘焙时间大量物质在这一阶段发生反应。物质原料通过烘焙后,燃料能量密度增大,基本与低品质煤(5)冷却阶段指产物从200℃降至室温的阶段相当,含水量降低,因此更适合于直接投入火电厂与煤炭混在这5个工序中除烘焙以外的4个阶段固体质量均不合燃烧发电供热“。此外烘焙预处理还可以极大地降低生发生变化,仅在前3个阶段原料含水量会降低,其他结果影物质燃料的运输成本和存储成本。响不大。所以,本文重点研究烘焙阶段的温度和时间对不生物质的种类很多,本文以草芦和秸秆(草本类)松木同生物质原料烘焙预处理效果的影响。屑和锯末(软木类)柳树木屑(硬木类)为代表,其元素分3评价标准析及工业分析如表1所示。一般来说,评价烘焙效果的主要指标包括质量产率、能烘焙预处理过程一般包括:预热、预干燥、升温、烘焙、冷量产率、高热值、含水量研磨能耗氧碳比,本文利用这却等工序些指标,整合成为以下评价烘焙效果的综合标准。(1)预热阶段原料温度由室温开始上升,该阶段结束时质量产率为原料烘干前后质量的比值,能量产率为质量自由水开始蒸发产率乘以烘干前后低温热值的比值(2)预干燥阶段温度维持在稳定数值,原料中大量自由这2个指标是评价烘焙过程能量致密效率的参数,通常水蒸发。以质量产率70%左右,能量产率90%左右作为一次理想烘(3)升温阶段温度迅速升至20℃原料中结合水开始焙的变化比例释放其他少量物质也开始蒸发。中国煤化工基金项目:2014年山东省自然科学基金(2014ZRE27461)CNMHG作者简介:凌云逸(1994-),山东大学能源与动力工程学院本科生通讯作者:孙锲(1982~),山东大学热科学与工程研究中心博士、讲师2015NO4制源而环统可再生能源N167高位热值(HV)是生物质的一项重要指标。在烘焙生表4锯末烘焙0.5h物质原料的过程中,随着温度的升高,若高位热值的增大不质量能量足以弥补由于质量损失而减少的能量时,就没有必要追求更温度产率高热值研磨能耗含水量/%%(kg) /(kWh/t)高的高位热值7。实际中,生物质燃料通常以提升5%的热ref10010018.9236.77.9值,即达到20-21MJkg左右作为平均水平,该热值与电厂中225889219.7(+4%)113.8(-51%)3.1(-60%)燃煤热值(22-23MJkg)相当9。250819221.2(+11%)110.4(-53%)2.7(-66%)氧碳比为原料中氧元素含量与原料中碳原料含量的比275708222.0(+16%)78.0(-67%)2.6(-66%)值。通常氧碳比越低越适合燃烧,煤炭的氧碳比一般在0.2226.4(+39%)37.6(-84%)2.3(-70%)以内,本文以氧碳比降低10%至07左右作为理想烘焙的表5草芦烘焙0.5h评价标准温度声高热值含水量含水量为原料中结合水的质量与原料总质量的比值。含7℃%%(M/kg)氧碳比水量是影响生物质燃料运输存储成本的重要因素,本文以含0010019.50.774.7水量降低50%作为理想烘焙的评价标准230929325(-46%)研磨能耗是将烘焙后的生物质原料研磨为直径小于250848620.0(+2%)0.74(-4%)1.9(-59%)1.5mm所需的单位能耗,是衡量生物质材料研磨难易程度的270727720.8(+6%)0.71(-6%)1.3(-72%)重要参数。未经处理的生物质原料研磨能耗非常大,通常在290616921.8(+11%)0.67(-12%)1.2(-74%)20 kWh/t以上,烘焙可以将生物质的研磨能耗降低至20注:“-”表示未测到该项数据,下同。oKWh左右③。因此,本文将烘焙后研磨能耗降低50%作表6秸秆烘焙0.5h为理想烘焙的评价标准。温度质高热值含水量综合相关文献,本文拟确定表2所示的理想烘焙标准。/(MI/kg)氧碳比ref 10018.9表2理想烘焙标准9.4(+2%)1.5(-63%)质量能量产率产率高热值能耗含水量氧碳比619.8(+4%)0.72(-%)0.9(-78%)270717820.7(+9%)0.64(-19%)0.3(-92%)绝对数值>20MJ/kg<80kWh/t<3<0.72055652.6(+19%)0.49(-3%5)08(-809%)相对比例≈70%≈90%+5%50%%-10%焙时间为0.5h)烘焙温度可选择230-250℃。4典型生物质的烘焙实验4.5柳树木屑4.1松木屑柳树木屑实验数据如表7所示。对照表2,0.5h烘焙时松木屑烘焙实验数据如表3所示。对照表2,对于松木间内并无达标的烘焙温度。屑(烘焙时间为05h)烘焙温度以250-275℃为宜。表7柳树木屑烘焙0.5h表3松木屑烘焙0.5h质量能量温度声萨葉高热值研磨能耗含水量温度产率产率(M/kg)高热值氧碳比含水量/%/%/(M/kg)/(kWht)ref10010018.4237.76.6230959620.2(+1%)0.78(-2%)0.5(-82%)225899419.4(+5%)102.6(-56%)3.3(-50%)250899220.6(+3%)0.75(-6%)0.1(-96%)250829020.0(+8%)714(-69%)2.8(-56%270798521.4(+7%)0.70(-12%)0.1(-96%)275738721.8(+18%)52.0(-78%)24(-63%)7921.9(+9%)0.67(-16%)0.0(-100%)300527125.3(+37%)23.9(-89%)2.5(-61%柳树木屑烘焙Ih的实验数据如表8所示。对照表2,烘注:ref指未处理材料,下同焙温度230℃即可。4.2锯末表8柳树木屑烘焙lh锯末实验数据如表4所示,对照表2,对于锯末(烘焙时间为05h)烘焙温度可选择250℃,若对研磨能耗要求较高,度质量产率能量产率高热值/(MJ/kg)氧碳比可选择适当升高10~20℃。4.3草芦638023.7(+28%)0.6(-45%)草芦烘焙实验数据如表5所示。对照表2,草芦在05h6828.53(+55%)0.4(-63%)的烘焙时间下,难以找到合适的烘焙温度。因此,草芦作为生中国煤化工)0.3(-72%)物质燃料的可行性需要进一步研究5结论CNMHG44秸秆结合5种生物质原料的烘焙实验数据,确定其理想的烘秸秆烘焙实验数据如表6所示。对照表2,对于秸秆(烘焙温度与时间如表9所示。2015NO.4可再生能罩制源卣环境表9理想烘培时间与温度w. biomass and bioenergy 35(2011)原料种类烘焙时间/h焙温度/℃2 Nikos Nikolopoulos, Rafail L. Isemin, and Oleg Y. Milovanov. ANew松木屑0.5250-275Modeling Approach and New Two-Stage Reactor for Straw Pellets锯末0.5Torrefaction for Energy. Intemational Journal of Chemical Engineer秸秆230-250ing and Applications, 2012, Vol3柳树木屑2303赵辉,周劲松,曹小伟,骆仲泱,岑可法.生物质烘焙预处理对气流床0.5h烘焙时间内无合适的烘焙温度气化的影响.太阳能学报,2008.Vol,29根据表9,主要结论如下:4 P C.A. Bergman. Combined torrefaction and pelletisation the TOPprocess. Dutch: Energy research Center of the Netherlands, 2005(1)在05h的烘焙条件下,不同类型生物质原料的理想5 Manunya Phanphanich, Sudhagar Mani. Impact of torrefaction on the烘焙温度是不一样的。grindability and fuel characteristics of forest biomass. Bioresource(2)随着烘焙温度的升高,对于温度的敏感程度由高到Technology 102(2011)低依次为:草本类>软木类>硬木类。6 T.G. Bridgeman, J M. Jones, I. Shield b, P.T. Williams. Torrefaction of(3)一般来说,高温烘焙(290℃以上)并不利于提高能量reed canary grass, wheat straw and willow to enhance solid fuel qual产率,因此在中温烘焙(250℃左右)不能达到理想效果时,可ities and combustion properties. Fuel 87(2008)适当延长时间,避免过度升温。7 Wei-Hsin Chen, Wen-Yi Cheng, Ke-Miao Lu, Ying-Pin Huang. An通过研究可以看出,本文建立的烘焙技术综合评价标evaluation on improvement of pulverized biomass property for solid准,即:质量产率、能量产率、高热值、含水量、研磨能耗、氧碳fuel through torrefaction. Applied Energy 88(201n)比,能够综合的反应烘焙过程的效果。利用该综合评价标准8 P.C. A. Bergman, A.R. Boersma, R. W.R. Zwart, J. H.A. Kiel. Torrefad本文对常见的不同类型生物质原料的烘焙工艺进行了研究tion for biomass co-firing in existing co-fired power stations. DutchEnergy research Center of the Netherlands 2005得出理想烘焙条件,并进一步归纳出烘焙过程中不同指标的9 JJ. Chew, V. Doshi. Recent advances in biomass pretreatment变化规律。此外,烘焙成本是影响实际技术选择的重要因素Torrefaction fundamentals and technology. Renewable and Sustain未来应该把烘焙的技术指标和经济成本结合,做进一步研able Energy Reviews 15(2011)究10 FVerhoeff, A Adeli I Amuelos. Torrefaction Technology for the参考文献duction of solid bioenergy carriers from biomass and waste. DutchI M.J.C. van der Stelt, H. Gerhauser, J. H.A. Kiel b, K.J. Ptasinski.Energy research Center of the Netherlands. 2011Biomass upgrading by torrefaction for the production of biofuels: A(上接第83页)企业设备检查方法大体分3种:①一般性检查,即维修人员(4)加强先进的检测技术在生产中的运用。传统的设备在检查设备时是通过人的“五感”(问诊、目视、嗅诊、听声、手检测方法存在诸多弊端已经不符合社会发展的需要。企业触)来判断设备运行中发生的异常现象,从而来判断设备的要逐步推行先进的状态检测技术和故障诊断技术,积极研发故障原因,并及时采取相应处理措施对设备进行维修,保证简易低廉的仪器仪表和检测工具,同时要利用现代计算机技设备经常处于良好的运行状态。具体对设备故障的检查方法术功能,对设备出现的异常情况及时做出判断。就要体现在:问诊一向操作人员询问故障发生经过及出现的4结语症状,弄清是突发的渐发的或维修后发生的,及以前的处理随着生产技术和工艺不断向自动化、智能化方向发展方法;日视一观察设备运行中是否缺件、破损,各个部是否有企业对预防设备故障的维修要求越来越高,设备新型状态监松动、冒烟和冒火花等情况;嗅诊一嗅现场气味,如油焦味、测措施及设备故障预防技术在企业中占主导地位。借助于逐绝缘老化味等;听声一听设备在运行当中是否有异常响声等步成熟的设备状态监测和故障诊断技术、人工智能、专家系现象;手触一摸设备在运行中是否有升温及振动等现象。②统等先进理论和方法,建立新的预知维修管理模式促进了目前大多数企业采用对设备进行的日历化检查计划对设备设备维修管理模式的不断改进和发展,这种新的维修管理模确定的部位进行拆检和修理保证设备正常运转。③采用专式将成为现代化设备维修管理的发展方向。用的检测仪器对设备进行定期检测、诊断,来判断设备性能的优劣情况,以提前采用相应措施对设备进行维修保养科普知识创意设计产业M凵中国煤化工工业设计作为文化创意产业,现代服务业,生产性服务广。工业设计CNMHG”。工业设计是业,绿色智力产业,具有与生俱来的低碳经济优势。“工业设在市场竟争中实现综合品牌价值的关键手段计”一直被经济发达国家或地区作为核心战略予以普及与推2015.NO.4