生物质秸秆成型工艺的试验研究

第27卷第5期可耳生能獠VoL 27009年10月Renewable Energy Resources生物质秸秆成型工艺的试验研究周春梅,来小丽(山东英才学院机械制造及自动化工程学院,山东济南250104)摘要:以节能降耗、延长设备使用寿命为出发点,以玉米秸秆和小麦秸秆为原料,对生物质秸秆的不同成型工艺进行了系统的成型试验研究,并对各种成型工艺的能耗进行了分析。结果表明:热压成型的效果最佳,在条件允许的情况下应优先选择热压成型工艺。关键词:生物质稍秆;成型机理;成型工艺;能耗分析中图分类号:TK6;S216.2文献标志码:A文章编号: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引言木素属非晶体,没有熔点,但有软化点。当温度为我国秸秆类生物质资源丰富,但存在资源分70-110℃时,木素变软,具有粘性;当温度达到散、形态各异、能量密度低、运输难、储存不方便等200-300℃时,木素呈熔融状,粘性较高,此时加缺点,这是目前制约生物质秸秆规模化利用的主以一定的压力,就可使其与纤维素紧密粘接并与要瓶颈。生物质秸秆成型技术是将松散、无定形相邻颗粒互相胶接,冷却后即可固化成型。生物质的原料压缩成具有一定形状、密度较大的燃料的秸秆成型燃料就是利用秸秆的这种特性,用压缩技术,该技术大大提髙了单位体积燃料的品质,因成型机将松散的秸秆在一定的温度、压力条件下,而受到国内外研究人员的普遍关注。目前,生物质使木素软化,经挤压成型而得到的具有一定形状秸秆成型技术已取得了很大进展,但是仍存在着的新型燃料。单位产量功耗大、设备可靠性较差等缺点。本研究12影响秸秆成型的主要因素以节能降耗、延长设备使用寿命为出发点,对生物通过对生物质成型机理的分析,确定影响生质秸秆的各种成型工艺进行了系统的试验研究。物质成型的主要因素有原料种类原料粒度含水1生物质秸秆成型技术率、成型压力、压缩成型模具形状及尺寸、加热温1.1生物质秸秆成型机理度等同植物细胞中除含有纤维素、半纤维素外,还含1.2.1原料种类有木质素(木素)。木素是具有芳香族特性的结构不同种类原料的压缩成型特性有很大的差单体是由苯基丙烷单元构成的三维空间聚合物。异,如中国煤化工维状植物秸秆收稿日期:200903-27CNMHG作者简介:周春梅(1982-),女,助教从事机被设计与制造的教学工作。E- mail: jomei@163com可再生能漉00927(5)和树皮等容易被压缩。不同位置,可将热压成型工艺划为2类,即非预热122原料粒度热压成型工艺、预热热压成型工艺。一般来说粒度小的原料容易被压缩粒度大133炭化成型工艺的原料较难被压缩。原料粒度对成型机的效率及根据不同的工艺流程,可将炭化成型工艺分成型物的质量也有影响,例如原料粒度较大时成为2类即先成型后炭化工艺先炭化后成型工艺同型机将不能有效地工作,能耗大,产量小;原料粒2生物质秸秆成型试验度不均匀时,成型物表面将产生裂纹,成型物密21试验物料度、强度均降低。本研究选用山东地区比较具有代表性且资源123含水率丰富的玉米秸秆和小麦秸秆作为试验物料。将物当原料水分含量过高时,加热过程中产生的料进行自然风干、切碎及筛分后,按粒径0-045蒸汽不能从成型燃料中心孔排出,会造成燃料开mm,0.45-09mm,09-2mm,2-5mm进行分类。裂,表面非常粗糙,甚至产生爆鸣;原料水分含量2.2试验装置及模具太低,则成型困难。一般来说,对于颗粒成型燃料,实验室模压成型装置主要由油压机构、成型要求原料的水分含量为15%-25%;对于棒状成型模具和固定架构成(见图1)。油压表用于指示油燃料,要求原料的水分含量不大于10%。压,压力为0~40MPa124成型压力与模具尺寸成型压力是生物质秸秆原料压缩成型的最基本条件。只有施加足够的压力,原料才能被压缩成型。成型压力与模具的形状尺寸有着密切的关系。1.25加热温度加热一方面可以使原料中的木素软化,起到粘结剂的作用,另一方面可以使原料本身变软,更容易压缩成型。对于一般的成型机来说,加热温度调整为150~300℃比较适宜。1.3生物质秸秆成型工艺根据主要工艺特征的差别,可以将生物质成型工艺划分为常温成型、热压成型和炭化成型3图1成型装置意图种主要形式。Fig. l Structure and schematic diagram of forming device1.3.1常温成型工艺借助实验室的成型装置,结合生物质秸秆的常温成型又称冷压成型。根据在成型过程中成型机理,我们自行设计了2套闭式压缩成型模是否加入粘结剂,又可将冷压成型分为加粘结剂具,分别用于生物质秸秆冷压成型和热压成型。在冷压成型和不加粘结剂冷压成型。加粘结剂冷压压缩成型过程中,油缸座(机座)是静止的,工作台成型工艺就是将原料粉碎、调湿,添加粘结剂后加可以上下移动。成型模具的结构原理图见图2。压成型。这种方法具有低压下容易成型和能耗低等优点,但对低成本粘结剂的选择、粘结剂的调配以及粘结剂与原料的均匀混合等要求较高。不加粘结剂冷压成型就是将秸秆物料粉碎后直接进行加压成型。通气孔13.2热压成型工艺热压成型工艺是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺。该工艺是在一定的温度条件下将生物中国煤化工质秸秆压缩成型。根据原料在成型机中被加热的CNMHG具38周春梅,等生物质秸秆成型工艺的试验研究2.3试验内容及试验过程研究选用玉米秸秆和小麦秸秆,分别在不同粒度2.31试验内容不同水分含量及不同成型压力下进行分组成型试生物质秸秆成型工艺的试验研究主要分为2验。部分。3L.1原料粒度及成型压力对秸秆成型效果的影响①针对影响生物质秸秆成型的主要因素,选将自然风干的粒径为0-045mm,0.45-0.9择玉米秸秆和小麦秸秆进行成型试验,研究原料mm,09~2mm,2~5mm的玉米秸秆颗粒和小麦秸粒度、水分含量成型压力及原料种类对生物质秸秆颗粒分别放在1,2,3,4,6,8,10MPa的压力下秆成型效果的影响,确定较优的冷压成型工艺参进行成型试验试验结果见图3,4。数②在生物质秸秆冷压成型的基础上,进行生物质秸秆加粘结剂冷压成型及热压成型试验,并一一对3种成型工艺进行能耗比较分析。2.32试验过程①分别选取粒径为0045mm,0.45-0.9mm09-2mm及2-5mm的玉米秸秆和小麦秸秆颗粒压力/MPa备用。图3不同粒度的玉米秸秆在不同压力下的成型效果②将物料放入烘干箱内,在105±5℃下烘干Fig 3 The briquetting results of com straw of differentparticle sizes and at different pressures24h后备用。③使用喷雾器和快速水分测量仪调节物料的水分含量④每次试验称取相同质量的物料进行压缩成型亠轮8436m⑤将称量后的物料放入模具中,加压直至达085麦#;2到设定的成型压力;在设定的成型压力下保持一12346810定时间退模后即可得到成型燃料,自然风干一段压力MPa图4不同粒度的小麦秸秆在不同压力下的成型效果时间后,测量成型燃料密度及跌碎强度。Fig 4 The briquetting results of wheat straw of different2.4试验指标的测定particle sizes and at different将成型模具内的成型燃料退模、自然风干试验结果表明,秸秆粒度为0-5mm时,秸秆原段时间后,利用电子天平和游标卡尺分别测量成料都可以成型;在相同的成型压力下,原料粒度越型燃料的质量和长度,根据下面的公式来计算生小,成型后的燃料密度越大,抗跌落强度越高,成物质秸秆成型燃料的成型密度。型效果越好。随着成型压力的增大,生物质秸秆成型燃料的成型性能明显提高。但是提高成型压力会使产品的能耗提高,因此成型压力并不是越大式中:p—一成型燃料的密度,glcm;越好,在满足成型燃料性能要求的条件下,成型压一成型燃料的体积,cm3;力越小越好,以减少成型燃料生产过程中的能耗。成型燃料的质量,g为了便于进行统一比较,本研究在探讨其它d—成型燃料的直径因素对生物质秸秆成型效果的影响时,生物质秸1—成型燃料的长度杆原料的粒度均取0-045mm。3试验结果及分析312原料水分含量对秸秆成型效果的影响31生物质秸秆冷压成型试验V山中国煤化工量分别为5%,为了考察原料粒度、水分含量成型压力以及10%CNMHG秸杆和小麦秸料种类对生物质秸秆成型效果的影响规律,本秆颗粒仕4Ma下进仃压规型试验,试验结果可耳生能20027(5)见图5。由图5可以看出,当水分含量为5%-15%满足性能要求。在本试验条件下,玉米淀粉糠醛时,所得的成型燃料均满足要求,其中,最适宜的渣及粘土作为玉米秸秆成型粘结剂的最佳添加量原料水分含量为10%~15%,即自然风干秸秆物料分别为8%,8%和10%。玉米淀粉作为玉米秸秆成就可以满足压缩成型工艺的要求。型粘结剂的成型效果最佳。2205008.1251015202530分含量%粘结剂用量伟%图5不同水分含量的秸秆在相同压力下的成型效果图7不同粘结剂添加量的成型效果Fig. 5 The briquetting results of straw of different MoisturFig. 7 The bng curve of different binder dosagesontents and at the same pressure3.3生物质热压成型31.3原料种类对秸秆成型效果的影响由生物质秸秆成型机理可知,木素在7010℃将粒径为0~0.45mm,水分含量为10%左右下开始软化粘合力开始增加,粘结作用增强,因的玉米秸秆和小麦秸秆颗粒在不同成型压力下的此本研究选定80,110,130℃3个成型温度进行试验结果进行对比(图6)。在相同的成型条件下,生物质秸秆热压成型试验试验结果表明,成型温玉米秸秆成型燃料的密度和抗跌碎强度均优于小度对成型效果的影响还是很明显的,在温度达到麦秸秆,这说明玉米秸秆比小麦秸秆更容易压缩定值后,即使施加很小的压力也可以得到很好成型。这是因为玉米秸秆中的木素含量高于小麦的成型效果。综合考虑原料成型效果和能耗情况,秸秆,而木素在生物质秸秆成型过程中起粘结剂本研究确定最佳成型温度为110<。的作用,有助于秸秆的成型。此外,小麦秸秆外表面有一层蜡,而这层蜡在小麦秸秆成型过程中起1.25到阻碍成型作用,致使小麦秸杆的成型特性较差。L.101.181.001一0.102030.5田8秸秆在不同温度下的成型效果Figu. 8 The briquetting curve of straw under differenttemperatures34生物质秸秆成型工艺的能耗比较压力/MP图6玉米秸秤与小麦秸秆成型效果比较在生物质秸秆成型过程中,成型压力越大,成Fig 6 Comparison on briquetting results of com straw and型设备的能耗越高,成型设备各部件的使用寿命heat straw就越短。为了解决目前成型技术中成型能耗高、设从目前国内现状来看,可以利用的小麦秸秆备使用寿命短的问题,寻求秸秆成型的最佳工艺资源很少,玉米秸秆资源极其丰富,因此,下述成在满足相同的成型燃料密度的情况下,本研究对型试验都是以玉米秸秆为原料进行的。秸秆冷压成型、加粘结剂冷压成型及热压成型33.2生物质秸秆加粘结剂冷压成型种工艺的能耗进行了对比分析。在冷压成型条件本研究分别选择玉米淀粉、糠醛渣及粘土作下,满足成型指标所需成型压力为2MPa;在加人为粘结剂,对生物质秸秆加粘结剂冷压成型效果8%玉所需成型压力进行研究(图7)。由图7可以看出,加入粘结剂可为1中国煤化工件,只需要0.5以使物料在较低的压力下成型,得到的成型燃料MPaCNMHG因此,热压成40周梅,等生物质穑秆成型工艺的试验研究型可以较大幅度地降低成型压力(成型压力降低005,27(1):28-3了300%),从而大大减少了设备的内部摩擦延2吴创之马隆龙生物质能现代化利用技围M北京:长了设备的使用寿命,提高了设备的可靠性。加化学工业出版社,2002.粘结剂冷压成型时要考虑粘结剂的成本和燃料3]何元斌生物质压缩成型燃料及成型技术(-)农村的热值,热压成型时要考虑外部热源的能量损能源,1995(5):12-14.耗。综合分析得出,秸秆成型的最佳工艺为热压4袁振宏吴创之,马隆龙等生物质能利用原理与技术M]北京:化学工业出版社,2004.4结论5]李美华生物质燃料致密成型参数的研究D小北京:北本研究围绕影响秸秆成型的各工艺参数,以京林业大学,2005.玉米秸秆和小麦秸秆为原料进行冷压成型试验,向徐新惠棉秆压缩成型特性的试验研究[D石河子石河子大学,2006.数范围研究结果表明:玉米秸秆比小麦秸秆易于⑦程佩艺玉米秆碎料模压成型制品尺寸稳定性的研究成型。本研究还对比分析了玉米秸秆冷压成型加[D]北京:北京林业大学,2005粘结剂冷压成型及热压成型3种工艺下的能耗情81]郑戈杨世关孔书轩等生物质压缩成型技术的发况研究结果表明:热压成型及加粘结剂冷压成型展与分析]河南农业大学学报,1998,32(4):349-效果明显优于冷压成型。综合考虑成型效果及能耗情况,本研究认为秸秆成型的最佳工艺为热压9周春梅许敏易维明生物质压缩成型技术的研究科技信息,2006(8):72-75成型。因此,在条件允许的情况下,应该优先选择0刘军利蒋剑春论生物质能源标准体系(Ⅲ)—生热压成型工艺。物质固体燃料标准化研究进展生物质化学工程2006,40(6):5458参考文献:[l姜洋,曲静震郭军,等.生物质颗粒燃料成型条件的[车战斌生物质就地及时压缩成型技术]中国能源,研究可再生能源,2006(5):16-18.……+十+++“十“十“““-+“+“+“““““(上接第36页)uation of transesterification of waste palm oil into油质量比为051,催化剂用量为棉籽酸化油质量biodiesel []Bioresource Technology, 2002, 85: 253的3%,反应温度为90℃,反应时间为150mn;在二次酯交换反应阶段醇油质量比为07:1,催化{4 OFF M J, BAUER N S, LOPES S,eta.Aid-clt剂用量为棉籽酸化油质量的4%,反应时间为90alyzed alcoholysis of soybean oil JJJ. Am. Oil, ChemSoc2004,81(4):415-420min。反应产物经水洗、中和、分层脱水及减压蒸馏后得到生物柴油其产率达到94%以上,质量5]刘世英,包宗宏已烷作助溶剂合成生物柴油粮油加T,2008(7):72-75达到GB/20828-2007要求。采用棉籽酸化油制1李泓,沈本贤棉籽油联产生物柴油和甘油的工艺优备生物柴油,原料价廉易得,方法简便易行,生物化及数学模型研究J中国油脂,2008,32(2):50-52柴油产率高,生产成本低,可有效地利用棉籽油加7 GHADGE S V. RAHEMAN H. Biodiesel production工业中的副产品,为内燃机提供优质的绿色燃料,from mahua oil having high free fatty acids [].Biomass适合于工业化生产。and Bioenergy, 2005, 28: 601-605.[8] VELJKOVI V B, LAKIEVI S H, STAMENKOVI S,et al.参考文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]刘双青陈燕,吴金平生物柴油的研究进展门现代农9]盛梅田大亮曹园民利用餐饮废油制备生物柴油业科技,2008(8):200-201中国煤化工[3] AL WIDYAN M I.SHYOUKH A O Experimental eval- [10]中国油脂,2005,30CNMHG