第二章生物质压缩成型燃料技术上

第二章生物质压缩成型燃料技术上第一页，共八十二页，2022年，8月28日过度的资源、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”了第二页，共八十二页，2022年，8月28日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。第三页，共八十二页，2022年，8月28日削减CO2排放是降低温室气体效应最有效、最得力的措施之一！！第四页，共八十二页，2022年，8月28日减少石油、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。第五页，共八十二页，2022年，8月28日

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第六页，共八十二页，2022年，8月28日以德国为例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第七页，共八十二页，2022年，8月28日

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第八页，共八十二页，2022年，8月28日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。第九页，共八十二页，2022年，8月28日

我国林木生物质资源预测（亿吨）第十页，共八十二页，2022年，8月28日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。第十一页，共八十二页，2022年，8月28日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。第十二页，共八十二页，2022年，8月28日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。第十三页，共八十二页，2022年，8月28日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）第十四页，共八十二页，2022年，8月28日能源问题﹖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第十五页，共八十二页，2022年，8月28日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第十六页，共八十二页，2022年，8月28日生物质成型燃料产业链原料规模收集能源作物种植原料收集原料分散收集燃料生产粉碎调制成型冷却包装生产流程民用炉具工业锅炉电站锅炉往复式炉排锅炉循环流化床锅炉热水锅炉蒸汽锅炉生物质炊事炉炊事取暖两用炉生物质取暖炉燃烧设备水冷震动式锅炉燃料销售第十七页，共八十二页，2022年，8月28日生物质成型燃料产业循环示意图第十八页，共八十二页，2022年，8月28日（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、基本概念第十九页，共八十二页，2022年，8月28日⑵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。第二十页，共八十二页，2022年，8月28日①生物质压缩成型燃料类型：粒状、棒状、块状等第二十一页，共八十二页，2022年，8月28日②用途：家庭取暖炉小型热水锅炉热风炉小型发电设施等等。第二十二页，共八十二页，2022年，8月28日③生物质压缩成型燃料特点：密度高、强度大：体积缩小6~8倍，密度约为1.1~1.4t/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。第二十三页，共八十二页，2022年，8月28日二、生物质压缩成型原理（一）压缩过程中生物质的粒子特性

⑴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。第二十四页，共八十二页，2022年，8月28日第一阶段，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。第二十五页，共八十二页，2022年，8月28日⑵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:①固体颗粒桥接或架桥(Solidbridge)；②固体粒子间的充填或嵌合；第二十六页，共八十二页，2022年，8月28日③自由移动液体的表面张力和毛细压力；④非自由移动粘结剂作用的粘结力；⑤粒子间的分子吸引力(范德华力)或静电引力。第二十七页，共八十二页，2022年，8月28日⑶压缩过程的影响粒子变化的因素①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。第二十八页，共八十二页，2022年，8月28日②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。第二十九页，共八十二页，2022年，8月28日（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。第三十页，共八十二页，2022年，8月28日（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。第三十一页，共八十二页，2022年，8月28日（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”。第三十二页，共八十二页，2022年，8月28日（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。

第三十三页，共八十二页，2022年，8月28日生物质中的纤维素、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。第三十四页，共八十二页，2022年，8月28日二、生物质压缩成型的工艺流程第三十五页，共八十二页，2022年，8月28日⑴生物质收集工厂化加工主要涉及的问题：

①加工厂的服务半径；

②农户供给加工厂的原料的形式；

③原料状况。第三十六页，共八十二页，2022年，8月28日⑵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。第三十七页，共八十二页，2022年，8月28日⑶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10～15%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。第三十八页，共八十二页，2022年，8月28日出料口排湿口驱动装置干燥筒进料口热风炉①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。第三十九页，共八十二页，2022年，8月28日干燥过程：

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2～10°，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。第四十页，共八十二页，2022年，8月28日干燥筒内操作方式：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。第四十一页，共八十二页，2022年，8月28日上干燥管下干燥管分离器热风炉加料口出料口抽风机②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。第四十二页，共八十二页，2022年，8月28日干燥过程：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。第四十三页，共八十二页，2022年，8月28日⑷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。⑸压缩F1—机器主推力，

F2—摩擦力，

F3—模具壁的向心反作用压力，

α—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α和模具的温度。α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。α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。第四十四页，共八十二页，2022年，8月28日⑹加热棒形成型机的加热温度一般在150~300℃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30~50h就得更换螺旋头。第四十五页，共八十二页，2022年，8月28日⑺添加黏结剂目的：①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；②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。第四十六页，共八十二页，2022年，8月28日⑻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。第四十七页，共八十二页，2022年，8月28日三、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第四十八页，共八十二页，2022年，8月28日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第四十九页，共八十二页，2022年，8月28日⑴“热压缩”颗粒成型技术定义：是把粉碎后的生物质在220~280℃高温及高压下压缩成1t/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%。第五十页，共八十二页，2022年，8月28日第五十一页，共八十二页，2022年，8月28日⑵“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。第五十二页，共八十二页，2022年，8月28日特点：

“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。第五十三页，共八十二页，2022年，8月28日⑶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①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。

第五十四页，共八十二页，2022年，8月28日②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。第五十五页，共八十二页，2022年，8月28日四、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第五十六页，共八十二页，2022年，8月28日⑴成型压力压力作用：①破坏原生物质的物相结构，组成新的物相结构；②加强分子间的凝聚力，提高成型体的强度和刚度；③为生物质在模具成型提供必要的动力。第五十七页，共八十二页，2022年，8月28日当压力较小时，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。第五十八页，共八十二页，2022年，8月28日⑵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%。第五十九页，共八十二页，2022年，8月28日⑶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。第六十页，共八十二页，2022年，8月28日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。第六十一页，共八十二页，2022年，8月28日⑷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？第六十二页，共八十二页，2022年，8月28日⑸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。第六十三页，共八十二页，2022年，8月28日加热温度过低，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。第六十四页，共八十二页，2022年，8月28日⑹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。第六十五页，共八十二页，2022年，8月28日常用的黏结剂①无机黏结剂：水泥、黏土、水玻璃等；②有机黏结剂：焦油、沥青、树脂、淀粉等；③纤维类黏结剂：废纸浆、水解纤维等；第六十六页，共八十二页，2022年，8月28日四、

生物质压缩成型技术与设备机械驱动活塞压缩机

液压驱动活塞压缩机双螺杆挤压机单螺杆挤压机加热螺旋挤压机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第六十七页，共八十二页，2022年，8月28日（一）

螺旋挤压成型技术（一）螺旋挤压机类型⑴双螺杆挤压机⑵单螺杆挤压机⑶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第六十八页，共八十二页，2022年，8月28日⑴双螺杆挤压机：

特点：

对原料的预处理要求不严，原料粒度在30～80mm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。第六十九页，共八十二页，2022年，8月28日⑵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。第七十页，共八十二页，2022年，8月28日⑶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220～280℃，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。制棒机第七十一页，共八十二页，2022年，8月28日（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。第七十二页，共八十二页，2022年，8月28日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。第七十三页，共八十二页，2022年，8月28日机械驱动活塞压缩依靠存