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生物质(秸秆)致密成型技术研究进展 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 14-11-04

摘要:先容以秸秆为主的生物质原料致密成型过程中的原料特性测试和成型机理,详细阐述了该项技术在成型能耗、成型颗粒燃料品质和模具失效方面的国内外研究成果,并提出了当前研究工作中存在的不足。分析表明生物质致密成型技术将沿着更广的原料适应性、低能耗、设备高可靠性和成套化方向发展。关键词:秸秆:致密成型:能耗;燃料品质;模具失效
0、引言
    生物质是指通过光合作用而形成的各种有机体,包括农作物秸秆、木材及林业废弃物、城市及工业有机废弃物和动物粪便等.其内部储存的生物质能是一种清洁、可持续发展、且资源丰富的可再生能源。联合国开发计划署、世界能源委员会都将其列为可再生能源的首选。我国是一个农业大国,丰富的农作物秸秆是生物质资源的重要组成部分,《可再生能源发展十二五规划》中提出,到2015年生物质燃料年利用规模要达1500万吨.因此秸秆等生物质的能源化利用已成为一项重要研究课题。生物质致密成型技术具有生产成本低、产品能量密度较高和便于贮运等优点,是能源化利用最具潜力的发展方向之一,富通新能源生产销售的秸秆颗粒机木屑颗粒机专业压制生物质成型颗粒燃料。木屑颗粒机
    生物质致密成型技术是指将原料经烘干机干燥、粉碎(或切断)和成型等程序制备成致密固体燃料的技术。其原理是依靠外部加热或者摩擦产生的热量将原料中的纤维素和木质素等非晶体软化,同时物料碎粒因压力作用在模具内部紧密充填并发生弹塑性变形,在外部压力取消后,经保型冷却即成为成型颗粒燃料。致密成型的生产工艺可分为热压成型、冷压(常温)成型和炭化成型。因成型方式不同,成型产品具有颗粒状、棒状和块状三种形式,密度在0.8~1.4g/cm3范围内,可作为发电、工业锅炉、供热、户用炊事等用途。
    生物质致密成型设备可分为螺旋挤压式、活塞冲压(机械及液压)式和模压(平模及环模)式三类。螺旋挤压和活塞冲压成型因生产率低、产品尺寸大,不易实现自动化生产。模压成型具有原料适应性强、生产率高和成型品质好等优势,已经逐渐成为当今的主流技术,国内的秸秆类生物质成型设备有80%采用,富通新能源生产的颗粒机、秸秆压块机都是环模式的生物质成型机。秸秆颗粒机压制的小麦秸秆颗粒燃料1、生物质致密成型技术研究现状
    国内外学者对生物质致密成型技术进行了较多研究.但该过程受原料种类、含水率、颗粒尺寸、压力、加热温度、模具以及添加剂等因素影响,较为复杂。目前该项技术仍存在生产率较低、成型能耗高、主要部件寿命短和原料适应性差等问题。综合利用国内外生物质成型技术的研究成果,对提高我国生物质成型设备的设计与制造水平具有重要意义。下文先容了秸秆等生物质原料致密成型过程中的原料特性测试、成型机理、成型能耗、产品品质和模具失效等方面的研究现状。
1.1原料物理特性测试
    测试原料特性是各项研究工作的基础。秸秆等生物质原料的物理特性主要包括粒度、含水率、堆积密度、外摩擦系数、内摩擦系数、流动特性和力学特性等。目前粉碎秸秆类原料特性暂无统一的测试方法.但有类似的标准供参照。
    宋孝周等测得棉秆、烟秆、大豆秸秆及辣椒秆4种秸秆均由韧皮部、木质部和髓芯组成,主要化学成分与木材相似。霍丽丽等试验得出不同种类和地区秸秆的静态和动态堆积角分别在44~51°和17~31°之间,与金属、橡胶材料的最大静摩擦系数分别为0.45~0.55和0.51~0.62.内摩擦系数在0.53~0.73之间,粉碎秸秆的堆积密度范围为37.43~140kg/m3。
    分形理论可用于研究生物质颗粒的形状特征,郭强等对稻秆等4种秸秆颗粒的形状特征研究后发现随着粒径减小,颗粒长宽比及不同生物质颗粒长宽比之间的差异均变小。Carr指数法能分析颗粒状秸秆物料的流动特性,姚宗路等采用该方法将秸秆分为易于流动(如玉米芯)、一般流动(如玉米秸)、不易流动(如豆秸)3类。
    秸秆等生物质原料为各向异性材料.其拉伸强度、弹性模量和剪切强度等力学参数是进行各项分析计算的基础。郭维俊、杜现军等对秸秆的力学参数进行了测试。小麦茎秆最大拉力为182.38~242.74 N.拉伸强度为30. 36~52. 65MPa.弹性模量为
1、143.44~1 985.86MPa.
    需指出的是,不同生物质原料的物理特性差距很大。对于同类秸秆原料,因地区不同其物理特性也存在差异,计算时要实测各类参数。
1.2成型机理研究
    生物质燃料内部颗粒间的结合形式以及成型过程中物料的流变规律是研究成型机理的基础。国内外学者多利用扫描电镜和有限元分析等手段从微观和宏观角度对致密成型过程进行研究。
    1962年Rumpf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:非自由移动粘结剂作用的粘结力:自由移动液体的表面张力和毛细压力;粒子间的分子吸引力或静电引力:固体粒子间的充填或嵌合。生物质燃料特性可以用上述的一种或几种粘结类型来说明其内部的成型机制,秸秆燃料的内部结合形式主要为机械镶嵌和天然粘结剂粘结。
    玉米秸秆等生物质燃料(环模成型)的微观成型机理为分层间断性压缩,分为中心层、过渡层和表层,层与层间距为25~40um;微观接触几何模型为:压辊对原料的正压力F与生物质颗粒表面斜角a的余弦成正比。陈正宇等指出生物质原料微观形态最佳时,成型效果也好。
    生物质成型过程包括松散、压紧和固化3个阶段,固化过程是塑性变形和粘性变形的结合。对于成型过程中物料的变化规律,Rehkuglar等利用流变力学模型对此进行了分析,有限元App可以用于模拟该过程中的应力应变和温度场,存在适宜的温度使原料流动性增强,成型容易。
1.3致密成型能耗研究
    对于致密成型技术来说.能耗是一个非常重要的指标。在整个成型颗粒燃料加工系统中,压缩成型部分的能耗最高,主要用于压缩物料和克服摩擦力做功两方面。成型压力、原料种类、模孔长度、含水率、颗粒尺寸和压缩速度等都会影响成型能耗。
    成型压力是研究能耗的关键参数.成型压力越大,对应的能耗越高,研究发现压缩力会随模孔变长和随初始密度增大而增大,随压缩速度的增大而减小,与压缩量之间呈现指数关系变化闭。Jens K率先采用单孔装置进行生物质压制试验,得到模孔内部不同位置压力的计算方法。对于压制数学模型.P.K.Adapa指出Cooper-Eaton和Panelli-Filho模型适用于生物质致密成型。
    含水率对压缩能耗有较大影响,且在一定范围内作用明显,Kamel得到含水率为15%~20%时,生物质压缩能耗随含水率增加而增加,含水率为20%~25%时,含水率增加,能耗降低。同时,玉米秸秆存在适宜的初始压缩始密度使能耗降至最低,压缩速度降低,成型能耗减少。对于环模成型,攫取角取45°,模辊直径比取0.585时成型效果好,吨电耗最低。
    对于各因素对能耗的作用强弱.胡建军指出秸秆压制成型时压缩速度对能耗的影响比含水率大,卞兆娟等人利用环模式秸秆成型机进行试验后得到对吨电耗影响的强弱依次为转速、间隙和含水率。
    对于成型能耗的分析计算.段宇等建立了锯末压缩成型的最小二乘支撑向量机模型.优化得到了能耗最低的成型条件。武凯等推导了环模成型机能耗计算公式,并指出在减小模孔长径比和压辊直径,采用大尺寸的环模有利于降低能耗。Pharu Adapa利用多元回归分析得出了单孔装置压制苜蓿的能耗模型。
1.4成型颗粒燃料品质研究
    成型颗粒燃料的品质包括燃烧特性、成型率、松弛密度和耐久性等。松弛密度指成型颗粒燃料在出模一定时间后的密度。耐久性是固体燃料在装卸、输送和运输过程中保持完整个体的能力.可细化为抗变形性、抗跌碎性、抗渗水性和抗吸湿性等几项指标。松弛密度和耐久性为衡量成型颗粒燃料品质的两个重要特性。相关测试方法可参照《生物质固体成型颗粒燃料试验方法》。
    对于影响成型颗粒燃料品质的因素,Kaliyan等指出原料特性、预处理过程和成型设备都会影响成型产品的强度和耐久性。Sudhagar等人研究得出成型压力、颗粒尺寸和含水率对小麦和玉米秸秆的成型密度均有影响。压力是决定生物质燃料品质的主要参数,增加成型压力和保压时间以及加入添加剂会提高燃料品质,成型温度越高,燃料的抗跌碎和抗渗水能力越差。玉米秸秆等生物质燃料的松弛特性还与原料的木质素含量相关。黄晓鹏等试验得到:对苜蓿制粒密度影响的强弱依次为挤出力、含水率、草粉粒度。含水率和进料速度还对玉米秸秆成型颗粒燃料裂纹的形成有较大影响。
    学者们对生物质原料获得最佳品质的成型条件进行了较多的试验研究,高微等试验发现玉米秸秆原料含水率为20%、发酵时间4h、粒径1.66mm时,成型品质最好。Yumak Hc45]等经试验得到生物质原料最佳压制条件为:含水率7%~10%,压力31.4MPa,温度85~105℃。李大中等指出当含水率为6.6%,成型温度为140.90C时,稻壳成型颗粒燃料的松弛密度达最大值1.28g/cm3。孙清等试验后认为水稻秆在压力为32MPa、粘结剂添加比4:1、含水率10%、原料粒径4mm时,松弛密度可达1.18g/cm3。为优化成型条件,Granada等对橡树末进行压缩实验.得到了生物质成型颗粒燃料的密度和耐久性数学模型。
1.5成型模具失效研究
    成型模具工作时长期承受压力和物料摩擦,工作条件恶劣,容易失效,是目前生物质成型设备存在的主要问题。失效形式以结构破坏和过度磨损为主,与模具材料、模具结构、热处理方式、物料特性和生产条件有关。目前对于成型模具失效的研究主要从失效机理,结构受力分析,改变模具材料、结构、热处理工艺和物料特性进行磨损试验等方面进行。
    模具磨损失效为在疲劳剥落和显微切削两种磨损机制作用下材料的过度流失,植物纤维与金属间相互作用的摩擦力是造成该类磨损的主要原因。生物质成型模具以磨料磨损为主,苜蓿等生物质原料对金属表面的磨损为硬、软磨粒共同作用的结果,磨料磨损时材料微观局部会发生塑性变形,如图2所示,这实际上是一种微观应变疲劳导致的材料损伤。克拉盖尔斯基提出磨损的疲劳理论时指出:疲劳磨损机理在磨料磨损中起主导作用。
    磨损试验研究方面,吴劲锋等利用苜蓿草粉进行试验后得到影响磨损各因素的强弱依次为转速、物料颗粒尺寸和载荷。黄晓鹏等指出转速、负载和粒度是影响模具磨损的重要因素,并建立了苜蓿草粉对45钢磨损的RBF神经网络模型,对不同试验参数下的磨损量进行了预测。孔雪辉对生物质环模的磨损问题进行了研究,建立了模孔的等磨损优化数学模型。
    模具结构破坏是其另一种失效形式.包括疲劳断裂和冲击破坏等。结构分析主要包括受力分析.疲劳失效分析以及模孔分析(模孔排布、开孔率、孔口倒角)等方面。施水娟等指出环模沿轴向受到的是非均匀载荷,疲劳断裂是环模的一种失效形式。申树云等指出生物质成型机模孔的最佳长径比为5:1。刘超等研究了生物质模具锥角与应力的关系,得到了最佳锥角度取值为5.5°~6.0°。
    模具材料和热处理工艺也是关乎其性能的重要方面,杨毅等指出为提高模具寿命.需确保材料的Cr含量在12.5%以上。孙晶锋等对45钢、9SiCr和60SiMn试样进行磨料(紫花苜蓿)磨损试验,结果表明9SiCr钢韧性和磨损性能最好。陈志光等通过试验表明4Cr13钢环模经低温碳氮共渗、真空高压气淬后,其使用寿命显著提高。增加模具硬度可提高其耐磨性能,但太硬容易发生脆性断裂,设计时应同时考虑材料的硬度和韧性.
2、致密成型技术研究存在的问题
    综上所述,国外内对致密成型技术的研究主要集中在能耗、产品品质和模具失效三个方面.对原料特性以及成型过程的微观机理和流变特性等方面也展开了试验研究和探讨,涵盖了生物质燃料从原料搜集到生产为产品的整个生命周期。但目前的研究工作仍存在一些不足之处。
2.1影响因素方面
    对于秸秆等生物质原料成型能耗的研究手段大都采用单孔制粒装置模拟挤压过程,但对能耗的评价应涵盖燃料生产的整个过程,包括粉碎(切断)和加热等工艺对能量的消耗,例如部分学者指出粒径较小时成型能耗较低,但减小粒径会增加粉碎能耗:模具寿命受多种因素影响,改变部分因素进行试验难以得出全面的结论,并且成型原料多样,不同物料对金属模具的抗磨损性能影响具有差异,采用特定原料的得出的试验结论通用性较差:燃料品质这方面的定性研究多,定量研究较少。在实际生产过程中,模辊间隙、喂料频率以及物料尺寸均匀性对产品品质都有着不同程度的作用。各因素对能耗、磨损和品质的作用并非独立,应综合考虑。
2.2粘结剂的作用
    秸秆等原料成型为燃料以后,具有一定的使用优势,但在燃烧过程中会有比较严重的结渣现象.对燃烧炉具提出了更高的要求,目前的解决手段为改进炉具结构,或在成型物料内加入粘结剂(应用于生物质成型的粘结剂有50余种,有木质素磺酸钙、膨润土和石灰等)。需要指出的是粘结剂的加入会改变成型原料的成分,同时也会影响成型能耗、颗粒质量和模具磨损。粘结剂对于抗结渣性能影响的研究较多,对能耗等方面的研究还少见报道。可以通过加粘结剂,得到其对抗结渣性能、能耗和质量等方面的综合影响规律。例如将石蜡或者碳粉加入到成型物料中,提高其燃烧性能的同时也会降低磨损,此类设想还需要在后续的试验中验证。
2.3有限元模拟
    对生物质致密过程进行有限元模拟能为成型设备设计提供参考,缩短设计周期,降低设计成本。当前研究手段为将原料视为可压缩的连续体进行单孔模拟,而秸秆等生物质原料为碎粒状,压缩初期是离散的,并非连续,这会带来较大的误差。离散有限元法(DEM)能进行颗粒行为模拟和分析,可用于生物质致密成型过程的仿真。对于成型模具的磨损问题,有限元分析也是有效快速的研究手段。生物质致密成型和粉末冶金压制过程比较类似,可将粉末冶金的相关研究方法用于该领域。
2.4其它方面
    秸秆等生物质原料致密成型过程中,温度是一个重要的影响因素。(秸秆)成型初期需要对模具进行预热,此后依靠摩擦产生的热量软化物料。预热温度易于控制,而摩擦热大小与模具尺寸、成型速度、物料含水率、摩擦系数和模辊间隙等有关,不便于控制。摩擦温度过低,成型困难,太高会加剧模具磨损,降低产品品质,目前这方面的研究还不多。在实际调研过程中发现,部分秸秆成型机工作时摩擦产生的热量太大(主要在夏季环境温度较高时),无法进行正常生产。
    再者,对于秸秆类原料,最为理想的是在作物收获以后即转化为成型颗粒燃料,能节约存储和运输成本。但刚收获的秸秆具有较高的水分(50%左右),当前的成型技术在水分含量超过40%时便成型困难或者不能成型。目前国内外对于高水分物料成型这方面的研究较少。不同地域、不同种类的秸秆等生物质原料的物理特性差异较大,使得对成型设备具有不同的要求,需统一原料的物性测试方法。建立合理的收集、贮藏和运输机制,保证原料的持续供应也是急需解决的问题。
    综上,秸秆等生物质致密成型技术各方面的研究还有待进一步深入。
3、致密成型技术的发展趋势
    秸秆等生物质致密成型颗粒燃料作为可再生能源的重要组成部分,具有良好的应用前景。发展生物质致密成型技术,对缓解能源紧张局面具有重要意义,相应的对成型技术及设备也提出了更多的要求。需解决研究工作中存在的不足,采用更为合理有效的研究手段,开发出高效技能的成型技术,以适应生产需求。该项技术的发展趋势是:
    1)原料适应性不断增强。秸秆等生物质原料具有多样性.致密成型技术的开发要与原料来源相结合,使成型设备具有更广的原料适应性。
    2)高效、节能和高可靠性。当前成型技术存在着能耗高、设备关键部件磨损快的问题,通过对该项技术的深入研究,提高设备产量和可靠性,降低成型能耗,节约生产成本。
    3)成型设备成套化、自动化。建立结构合理的成型颗粒燃料自动化生产线.使秸秆等生物质燃料从单机生产走向成套化生产、规模化运作的模式,从示范阶段走向市场。
    4)成型设备和成型颗粒燃料标准化。成型颗粒燃料及加工设备将沿着标准化、系列化的趋势发展,可规范设备、燃料和炉具市场,便于该项技术的推广应用。
4、结论
    随着能源问题日益突出,生物质能的开发受到越来越多的重视。通过致密成型技术对秸秆等生物质原料进行能源化利用,可丰富我国的可再生能资源。利用国内外致密成型技术的研究成果,解决当前生物质致密成型设备存在的生产率低、成型能耗高、主要部件寿命短和原料适应性差等问题,将推动该项技术沿着低能耗、高可靠性、更广的原料适应性、标准化和成套化方向发展。
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