课件：四生物质压缩成型燃料技术.pptx

能 源 转 化 篇,第四章 生物质压缩成型燃料技术,过度的资源、能源消耗和不可逆转的环境破坏，导致人类生活环境出现了严重的生态危机 地球“发烧”了,中国二氧化碳排放量已超过美国，成为二氧化碳排放量最大的国家。 专家预测，如不加以控制，到2030年中国二氧化碳排放量将达到8兆吨/年，相当于目前全世界的排放量的三分之一。,削减CO2排放是降低温室气体效应 最有效、最得力的措施之一！,减少石油、煤等高污染石化资源利用，充分利用低污染的生物质能源势在必行。 生物质压缩成型燃料是生物质能源转化利用的一个重要领域。,欧洲、美国、日本等发达国家生物质成型燃料产业发展已进入商品化阶段，拥有成熟的技术，完整的标准体系和不断增长的市场。,国外生物质成型燃料产业发展现状,以德国为例,40多座生物质燃料厂，240万吨 1100多个生物质工业供暖设施 超过10万台民用生物质颗粒采暖炉 200多座生物质热电联供厂，2008年供电超过 1170万千瓦时 可再生能源供热的92%来自于生物质能，其中77.8%来自于生物质成型燃料,成型燃料厂,经销商,炉具制造商,锅炉制造商,配件商,协会及组织,德国2008年可再生能源供热统计,生物质成型燃料（民用）,生物质成型燃料（工业）,生物质成型燃料（热电联产）,液态生物质燃料,生物质燃气,垃圾类生物质,太阳能供热,深层地热,浅层地热,国内生物质成型燃料产业发展现状,生物质资源丰富,我国粮食与秸秆产量发展趋势（根据中国农业年鉴整理）,我国秸秆年产量约7亿吨，另有约1.2亿吨稻壳、蔗渣、花生壳等剩余物。据农业部对粮食产量预测分析，到2020年我国主要作物的秸秆总量将达到8亿吨。,我国林木生物质资源预测（亿吨 ）,我国现有生物质成型燃料生产厂近200家。秸秆燃料厂主要分布在华北、华中和东北等地；木质颗粒燃料厂主要集中在华东、华南、东北和内蒙等地。,国内现有成型设备生产厂家100多家，主要分布在河南、河北、山东等地区。,国内生物质燃烧技术,生物质成型燃料村镇应用炉具,生物质工业锅炉,生物质电站锅炉,生物质炉具和锅炉近来也有长足发展，如广州迪森、重庆良奇、山东多乐、湖南万家、张家界三木、北京桑普和北京老万等。但由于种种原因，使用可靠、技术先进、价廉物美、能批量投入工业生产、满足广大用户使用要求的产品并不多。,生物质成型燃料产业发展意义,液态技术（生物乙醇、甲醇和生物柴油）,新能源,风能,太阳能,地热能,潮汐能,生物质能,利用形式,气态技术（生物沼气、垃圾沼气、木质气）,固态技术农林废弃物直燃、压缩成型（发电、供热）,能源问题 环境问题 三农问题,农林废弃物资源化利用 改善农村能源结构 提高农民收入、增加农民就业岗位,新的、可再生的替代能源 优化能源结构、增加能源供给 提高能源使用效率,CO2零排放、SO2、氮氧化物低排放 减少秸秆焚烧污染空气,有助于解决我国三大战略难题,生物质成型燃料,生物质燃料 二氧化碳零排放,植物生长期吸收二氧化碳,生物质燃料燃烧排放的CO2是植物生长期所吸受的，不会增加大气中CO2的总量。国际上称之为CO2零排放，也称碳中性。,燃烧排放二氧化碳,生物质成型燃料,生物质成型燃料产业链,生物质成型燃料产业循环示意图,（1）生物质压缩成型燃料技术：在一定温度和压力下，利用木质素充当黏合剂，将各类分布散、形体轻、储运困难、使用不便的生物质原料（农作物秸秆、稻壳、锯末、木屑等）经压缩成型和炭化工艺，加工成具有一定几何形状、密度较大的成型燃料，以提高燃料的热值，改善燃烧性能，使之成为商品能源。 也称为“压缩致密成型”、“致密固化成型”、“生物质压块”。,一、基本概念,生物质压缩成型燃料：松散的秸杆、籽壳、树枝、锯末等纤维质、木质生物质废料经热挤压工艺制成的固形燃料。,生物质压缩成型燃料类型： 粒状、棒状、块状等,用途： 家庭取暖炉 小型热水锅炉 热风炉 小型发电设施等等。,生物质压缩成型燃料特点： 密度高、强度大：体积缩小68倍，密度约为1.11.4t/m3； 热值高：热值可达到16.7MJ/kg，能源密度相当于中质烟煤； 燃烧性能好：使用时火力持久，炉膛温度高，燃烧特性明显得到改善。 形状和性质均一：便于运输和装卸、适应性强、燃料操作控制方便等。,二、生物质压缩成型原理,（一）压缩过程中生物质的粒子特性 生物质压缩成型过程中粒子状态变化 生物质压缩成型分为两个阶段。,第一阶段，初期，较低压力传递至生物质颗粒中，使原先松散堆积的固体颗粒排列结构开始改变，生物质内部空隙率减少。 第二阶段，压力逐渐增大时，生物质大颗粒在压力作用下破裂，变成更加细小粒子，并发生变形或塑性流动，粒子开始充填空隙，粒子间更加紧密地接触而互相啮合，一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。,成型物内部粒子的粘结机制 1962年德国的Rumpf针对不同材料的压缩成型，将成型物内部的粘结力类型和粘结方式分成5类: 固体颗粒桥接或架桥(Solid bridge)； 固体粒子间的充填或嵌合；,自由移动液体的表面张力和毛细压力； 非自由移动粘结剂作用的粘结力； 粒子间的分子吸引力(范德华力)或静电引力。,压缩过程的影响粒子变化的因素 含水率。生物质内适量的结合水和自由水是一种润滑剂，使粒子间内摩擦变小，流动性增强，从而促进粒子在压力作用下滑动而嵌合。,颗粒尺寸。 构成成型块的粒子越细小，粒子间充填程度就越高，接触越紧密； 当粒子的粒度小到一定程度(几百至几微米)后，成型块内部结合力方式和主次甚至也会发生变化，粒子间分子引力、静电引力和液相附着力(毛细管力)开始上升为主导地位。,（二）压缩成型时生物质的化学成分变化 （1）木质素是生物质固有的最好内在粘接剂。 木质素100才开始软化，160开始熔融形成胶体物质。 在压缩成型过程中，木质素在温度与压力的共同作用下发挥粘结剂功能，粘附和聚合生物质颗粒，提高了成型物的结合强度和耐久性。,（2）水分是一种必不可少的自由基。 水分流动于生物质团粒间，在压力作用下，与果胶质或糖类混合形成胶体，起粘结剂的作用。 水分还有降低木质素的玻变(熔融)温度的作用，使生物质在较低加热温度下成型。,（3）半纤维素与纤维素的作用。 半纤维素水解转化为木糖，也可起到粘结剂的作用。 纤维素分子连接形成的纤丝，在粘聚体内发挥了类似于混凝土中“钢筋”的加强作用，成为提高成型块强度的“骨架”。,（4）其它化学成分的作用。 生物质所含腐殖质、树脂、蜡质等对压力和温度比较敏感。当采用适宜温度和压力时，也有助于在压缩成型过程中发挥粘结作用。,生物质中的纤维素、半纤维素和木质素在不同高温下，都能受热分解转化为液、固和气态产物。 将生物质热解技术与压缩成型工艺结合，利用热解反应产生的热解油或木焦油作为黏结剂，有利于提高粒子间的黏聚作用，提高成型燃料的品位和热值。,二、生物质压缩成型的工艺流程,生物质收集 工厂化加工主要涉及的问题： 加工厂的服务半径； 农户供给加工厂的原料的形式； 原料状况。,物料粉碎 木块、树皮、植物秸杆等尺寸较大的原料要时行粉碎，粉碎作业尽量在粉碎机上完成； 锯末、稻壳等只需清除尺寸较大的异物，无需粉碎。 对颗粒成型燃料，一般需要将90%左右的原料粉碎到2mm以下，必要时原料需进行二次甚至三次粉碎。 常用粉碎机械：锤片式粉碎机。,干燥 干燥处理的原因： 水分含量超过经验值上限时，加工过程中当温度升高时，体积突然膨胀，易发生爆炸造成事故；水分含量过低时，会使范德华力降低，物料难以成型。 物料湿度一般要求在1015%之间，间歇式或低速压缩工艺中可适当放宽。 常用干燥机有回转圆筒干燥机、立式气流干燥机。,回转圆筒干燥机： 构造：,优点： 生产能力大，运行可靠，操作容易，适应性强，流体阻力小，动力消耗低。 缺点： 设备复杂，体积庞大，一次性投资高，占地面积大。,干燥过程： 原料进入干燥筒； 干燥筒作低速回转运动。干燥筒向出口方向下倾210，并在筒内安装有抄板。 物料在随干燥筒回转时被抄起后落下，由热风发生炉产生的热风加热干燥； 由于干燥筒的倾斜及回转作用，原料被移送到出料口排出机外。,干燥筒内操作方式： 逆流操作干燥器内传热与传质推动力比较均匀，适用于不允许快速干燥的热敏性物料。干燥处理后物料含水率较低。 顺流操作适用于原料含水量较高，允许干燥速度快，在干燥过程中不分解，能耐高温的非热敏性物料。,立式气流干燥设备： 构造：,特点： 原料在气流中分散性好，故干燥有效面积大，干燥强度高，生产能力大，从而干燥时间大大缩短； 干燥过程中采用顺流操作，入口处气温高而原料温度大，能充分利用气体的热能，故热效率高； 设备简单，占地面积小，一次性投资少，可同时完成输送作业，工艺流程简化，便于实现自动化作业。,2019/8/30,43,可编辑,干燥过程： 热风发生炉产生的热风在抽风机作用下被吸入干燥管道内； 同时，被干燥的原料由加料口加入与热风汇合，二者在干燥管内充分混合并向前流动，完成干燥过程。 干燥后的物料被吸入离心分离器分离，然后从出料口排出。 湿空气被风机抽出排放。,预压缩 为提高生产率，在推进器进刀前先把松散的物料预压一下，然后再推入成型模具。多采用螺旋推进器、液压推进器。 压缩,F1机器主推力， F2摩擦力， F3模具壁的向心反作用压力， 模具内壁的倾斜夹角。 影响F1大小的是F2和料块的密度、直径等， 影响F2大小的是和模具的温度。 是成型模设计的关键因素，它随着料块的直径、密度、原料类型而有不同的要求。 的确定需要经过试验，一般从3开始，用插入法进行调试。 模具设计有内模和外模，外模是不变的，内模可以调换。,加热 棒形成型机的加热温度一般在150300之间； 颗粒成型机没有外热源加热，但成型过程中原料与机器工作部件之间的摩擦作用可将原料加热到100左右。 加热方式： 电阻丝加热、导热油加热。应先预热后开机。 也可加大成型模内壁的夹角，利用挤压过程中产生摩擦热加热。但动力消耗大，螺旋头和模具磨损加剧，一般3050h就得更换螺旋头。,添加黏结剂 目的： 增加压块的热值，同时增大黏结力。 方法：加入10%20%的煤粉或炭粉。 注意事项：添加要均匀，避免因相对密度不同造成不均匀聚结； 纯增加黏结力，减少动力输入。 要求：生物质颗粒尺寸要小，便于黏结剂均匀接触。一般在预压前输送的过程中添加，以便于搅拌。,保型 目的： 使已成型的生物质棒消除部分应力，使料块形状固定下来。 方法： 在生物质成型后的那段套筒内进行。此段套筒内径略大于压缩成型的最小部位直径，成型料进入后适量膨胀，消除部分应力。保型套筒端部有开口，用以调整保型套筒的保型能力。 保型筒直径的影响： 若保型筒直径过大，生物质会迅速膨胀，容易产生裂纹； 直径过小，应力得不到消除，出品后会因温度突然下降发生崩裂或粉碎。,三、生物质压缩成型的工艺类型,热压缩成型技术 冷压缩成型技术 炭化成型技术,湿压成型,热压成型,炭化成型,干燥,不炭化,炭化,低密度成型块,生物质成型块,成型炭块,挤压成型,生物质压缩成型的工艺形式,生物质燃料,“热压缩”颗粒成型技术 定义：是把粉碎后的生物质在220280高温及高压下压缩成1 t/m3左右的高密度成型燃料。 “热压缩”技术的工艺由粉碎、干燥、加热、压缩、冷却过程组成。对成型前粉料含水率有严格要求，必须控制在8% 12%。,“冷压缩”颗粒成型技术 也称湿压成型工艺技术。对原料含水率要求不高。 其成型机理是在常温下，通过特殊的挤压方式，使粉碎的生物质纤维结构互相镶嵌包裹而形成颗粒。 因为颗粒成型机理的不同，“冷压缩”技术的工艺只需粉碎和压缩2个环节。,特点： “冷压缩”技术与“热压缩”技术相比，具原料适用性广，设备系统简单、体积小、重量轻、价格低、可移动性强，颗粒成型能耗低、成本低等优点。,炭化成型技术 根据工艺流程分为两类：先成型后炭化、先炭化后成型 先成型后炭化：先用压缩成型机将生物质物料压缩成具有一定密度和形状的棒料，然后在炭化炉内炭化成为木炭。,先炭化后成型：先将生物质原料炭化或部分炭化，然后加入一定量的黏结剂压缩成型。 特点： 炭化过程高分子组分受热裂解转化成炭，并释放出挥发分，其挤压加工性能得到改善，功率消耗也明显下降。 炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状能力较差，故成型时一般都要加入一定量黏结剂。,四、生物质成型影响因素,成型压力 原料含水率 原料颗粒度 原料的种类 温度 黏结剂,成型压力 压力作用： 破坏原生物质的物相结构，组成新的物相结构； 加强分子间的凝聚力，提高成型体的强度和刚度； 为生物质在模具成型提供必要的动力。,当压力较小时，密度随压力增加而增加的幅度较大，当压力增加到一定值以后，成型物密度的增加就变得缓慢。 成型压力与模具的形状尺寸有密切的关系。,原料含水率 水分过高时，加热过程中产生的蒸汽不能顺利地从燃料中心孔排出，造成表面开裂，严重时会伴有爆鸣。 若过低，成型很困难，因为微量水分对木质素的软化、塑化有促进作用。 对于颗粒成型燃料，一般要求原料的含水率在15% 25%；对于棒状成型燃料，则要求原料的含水率不大于10%。,原料颗粒度 在相同的压力及实验条件下，原料粒径越小，越易成型。 当成型方式已定，原料粒度应不大于成型料尺寸。 如：对于直径6mm的颗粒燃料，其原料粒度应小于5 。,原料粒度还影响成型机的效率及成型物的质量。 原料粒度较大时，能耗大，产量小。原料粒度形态差异较大时，成型物表面易产生裂纹。 但对有些成型方式，如冲压成型时，要求原料有较大的尺寸或较长的纤维。,原料的种类 不同种类原料的压缩成型特性差异很大。 原料种类不但影响成型质量，且影响成型机的产量及动力消耗。 在不加热条件下，木材废料一般较难压缩，而纤维状植物秸秆和树皮等容易压缩。但在加热条件下，木材废料反而容易成型，而植物秸秆和树皮等不易成型。 思考一下原因？,温度 影响原料成型，而且影响成型机的工作效率。一般到控制在150 300 ，可根据原料形态进行调整。 加热的作用： 使原料中含有的木质素软化，起到粘结剂的作用， 使原料本身变软，变得容易压缩。,加热温度过低，不但原料不能成型，而且功耗增加； 加热温度过高，电机功耗减小，但成型压力变小，颗粒挤压不实，密度变小，容易断裂破损。且燃料表面过热，容易烧焦，烟气较大。,黏结剂 要求：必须能够保证成型炭块具有足够的强度和抗潮解性，而且在燃烧时不产生烟尘和异味，最好黏结剂本身能够燃烧。,常用的黏结剂 无机黏结剂：水泥、黏土、水玻璃等； 有机黏结剂：焦油、沥青、树脂、淀粉等； 纤维类黏结剂：废纸浆、水解纤维等；,四、 生物质压缩成型技术与设备,螺旋挤压成型技术,活塞冲压成型技术,压辊式成型技术,压辊成型机,（一） 螺旋挤压成型技术,（一）螺旋挤压机类型 双螺杆挤压机 单螺杆挤压机 加热螺旋挤压机 大型机：纯压缩型锥形螺杆压缩机、双螺杆压缩机 小型机： 外部加热成型螺旋挤压机,双螺杆挤压机： 特点： 对原料的预处理要求不严，原料粒度在3080mm之间，水分含量可高达30%。 物料干燥由机械压缩来完成。需大型的电机，能耗较高； 推力轴承、密封装置、齿轮传动装置需维护保养，成本增加。,单螺杆挤压机： 生物质原料被旋转的 锥形螺杆压入压缩室， 然后被螺杆挤压头挤 入模具。 特点： 螺旋头和模具磨损严重，寿命短（如花生壳原料100h，稻壳300h），需采用硬质合金，维修费用高。,加热螺旋挤压机 在螺旋压缩机压缩成型筒外设置一加热装置，使筒温保持在220280，生物质中的木素受热塑化后具有粘性，降低螺旋压缩成型设备从而的功耗。,制 棒 机,（二） 活塞冲压成型技术,(一)活塞冲压原理： 活塞后退时，粉碎的生物质原料从入料口进入套筒，活塞前进时把原料压紧到减缩的锥形模具内成型。 在压缩过程中由于摩擦生热作用，生物质会被加热，使生物质中的木质素软化起黏结作用； 也可采用对模具外部加热的方式增强木质素的黏结作用。,活塞冲压的特点 优点： 与螺旋挤压相比，改变了成型部件与原料的作用方式，冲头与生物质原料间没有相对滑动，故磨损小，成型部件使用寿命大幅度提高，单位产品能耗降低。 缺点： 但作用时为间断式冲击，有不平衡现象，产品不适宜炭化。,机械驱动活塞压缩 依靠存储于飞轮中的转动动能，通过曲柄连杆机构带动活塞做高速往复运动，压缩成型原料。 生产能力大，产品密度大，但其设备庞大，震动强烈而且噪音剧烈。,(2) 液压驱动活塞压缩装置 利用液压油缸所提供的压力，带动活塞冲压生物质成型。 运行稳定性得到极大提高，产生的噪音也很小，明显改善了操作环境。 根据液压驱动方式，液压驱动式成型机分为单向驱动和双向驱动。,（三） 压辊式成型技术,成型模具直径较小，而且每一个压模盘片上有很多成型孔