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稻木粉屑燃料棒制造工艺及产品性能的研究 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 / 13-10-31

    我国是能源消费大国,消耗总量每年以6%~7%的速度增长,消耗结构以煤(72%)和石油(15%)等不可再生资源为主,能源储备消耗严重,而且产生S02、NOx等副产物,污染大气环境。农林加工剩余物(例如稻草、人造板砂光粉)是优良的生物质燃料,清洁、可再生,虽然发热量(例如稻草15 000 kj/kg,杨木17 000 kj/kg)比煤(21 000~30 000 kj/kg)有差距,但完全可以替代部分煤和石油,满足城乡生活乃至工业用能和环保的需要。本文基于前人的研究,探讨稻、木混合碎料成型燃料的工艺与性能,重点试验碎料形态和稻木混合比例对产品性能的影响。
1、材料与方法
1.1材料
    选取三种碎料作为燃料棒的原料:1)稻草碎料(含水率9.6%);2)稻草板砂光粉(后文简称“稻草粉”,含水率7.5%),取自江苏鼎元科技发展有限企业;3)木材人造板砂光粉(后文简称“木粉”,意杨,含水率9.9%),取自徐州长青定向结构板有限企业。碎料粒径分布如图l所示。从图中可见:三种碎料都含有较多的细粉(小于80目:稻草碎料45.61%,稻草板砂光粉80.99%,木材人造板砂光粉67.39%),但稻草碎料粒径分布桕对偏大(大于80目46.61%)。后文将考察原料形态对成型燃料工艺和性能的影响。
颗粒机秸秆压块机
1.2燃料棒生产I艺与没备
    采用螺旋挤压式成型机,燃料棒呈正六边形,内含20 mm排汽孔。研究表明,致密成型关键工艺因子包括:碎料形态、成型温度、成型压力(或螺旋转速)和碎料含水率等。基本流程为:秸秆碎料和砂光粉准备→颗粒机、秸秆压块机等挤压机升温-装料→挤压成品→残余燃料棒燃烬。基于前人的研究成果,本次研究工艺条件确定为:成型温度为300℃,挤压速度1 m/min,含水率8%~10%,原料配比见表1。
 颗粒机秸秆压块机
1.3性能测试
    为了揭示燃料棒的密实程度和燃烧性能,参照CB/T 212 - 2001《煤的工业分析方法》,分别测试了产品的密度、燃烧速率、水分、灰分、挥发分和固定碳含量。另外,鉴于燃料棒采用无胶挤压形成,在空气中长时间吸湿(水)可能导致膨胀乃至溃散,提出了“时效含水率( Time-related Moisture Content)”的概念,反应燃料棒含水率随时间的变化关系。具体测试方法为:将燃料棒试样置于相对湿度为100%的密闭环境,每间隔24 h称取试样的质量,直到试样呈现溃散现象,再取出烘至绝干获得绝干质量,据此获得各时间点的含水率,探寻含水率与燃料棒溃散时间的相关关系,可为生产燃料棒(未炭化)的贮存与运输提供参考。
2、结果与分析
2.1密度
    生物质致密成型技术,是在无外加胶粘剂的状态下,依靠机械加压和加热,使松散的生物质碎料(例如锯末、刨花、砂光粉、稻壳等)密实化,达到较高的密度和强度,以期改善生物质的燃烧性能。由于缺乏外加胶粘剂,密度成为决定燃料成型、强度、耐久性以及燃烧性能的关键因子之一。从表1可以看出,稻木粉屑燃料棒密度普遍高于1.0 g/cm3。
    碎料形态和材料性质对密度水平具有显著的影响。从表1中可以看出,在同样的挤压工艺条件下,100%稻草碎料燃料棒在密度1.0g/cm3时即可良好成型,而100%稻草板砂光粉和100%木材人造板砂光粉分别达到1.34 g/cm3和1.27 g/cm3方可。显然,形态越大,碎料的交织能力越强,更有助于成型。相对而言,稻草粉比木粉“自粘”作用更弱,这主要归咎于稻草粉中含量相对高的无机矿物质(如二氧化硅)的阻隔效应。混合碎料(混合比例:20%、50%、80%)也同样体现出上述趋势,稻草碎料含量越高,所需成型密度越低;“木粉一稻草碎料”的混合原料,其成型燃料密度比“稻草粉一稻草碎料”低。
    姜洋等( 2004)研究指出,适于生物质成型燃料的碎料,其合理粒径应心于5 mm,长度宜控制在25 mm以下。本项试验进一步表明,在上述优化范围内,可以通过改变碎料形态和材料种类,灵活调控成型燃料的密度,以求达到理想的燃烧性能。
2.2燃烧速率
    燃料形态是影响燃烧性能的重要因素。对于碎料型燃料(例如砂光粉),必须采用喷燃或流化燃烧方式,对传统的链条式锅炉进行改造;即便如此,其燃烧速率也受到送料均匀性的影响,难以控制;通过致密成型,上述困难可以得到有效改善。试验测试了不同配比燃料棒的燃烧速率。燃烧初期( 0~10 min),挥发分浓度较大,燃烧速率普遍快,达到0.60~1.18 g/min;中后期( 1~30 min),灰壳的逐渐加厚,阻碍挥发份向外溢出,导致燃烧速率放慢且趋于平稳,达到0.03~0.09g/min。从表1可以看出,原料的变化对燃烧速率没有显著影响。
2.3工业分析
    工业分析涵盖水分、灰分、挥发分和固定碳等指
标,四个指标测试值满足如下数学关系:水分含量(%)+灰分含量(%)+挥发分含量(%)+固定碳含量(%)= 100%。本试验对不同原料的燃料棒进行分析,结果见表l和图2。结果表明,所有燃料棒产品(1~9号试件)的挥发分含量相近( 64.62%~69.27%),但灰分含量( 6.62%~20.85%)和固定碳含量(7.54%~22.37%)随粉屑形态和原料配比的变化,呈现显著差异。1)粉屑形态的影响:以1—2号试件为代表,尽管同为稻草,碎料的灰分含量(20.85%)明显比砂光粉( 13.41010)高。这可从稻草板的制造工艺过程分析:稻草一截断(含分选)→粉碎→分选-→稻草碎料→稻草板→砂光→砂光粉。由此可见,从稻草到砂光粉,经历了两次分选工序,导致无机矿物质(灰分)含量有所降低。2)原料配比的影响:随着稻草碎料混合比例的提高(20%→80%),混合燃料棒的灰分合量明显增加(“稻草碎料一木粉”:6.62%→16.72%;“稻草碎料→稻粉”:14.90%→19.36%)。
颗粒机秸秆压块机
    上述分析进一步表明,通过调整粉屑形态和复合不同原材料,可以有效改善燃料棒的燃烧性能。
2.4时效含水率
    燃料棒的形态和尺寸稳定性关系到产品的贮存时间。在试验中,采取加速湿变方式(相对湿度100%),揭示了燃料棒的耐久性能。结果表明,在初含水率为0.32%~2.73%的条件下,9种原料的燃料棒经历9~10天强制吸湿后,含水率达到4.89%~16.59%,普遍呈现溃散现象。初含水率越高,10天后的含水率也越高。值得指出的是,在本次试验中,采取300℃的加热温度条件,产品表面尚无明显炭化现象;如果通过调整挤压工艺,赋予燃料棒表面炭化保护层,可望能延长产品的贮存周期。
颗粒机秸秆压块机
    图3以1—3号试件为例(其他试件体现了同样的趋势),描述了燃料棒的含水率随时间的变化。从图上可以看出,在100%相对湿度条件下陈放10天,试件含水率MC(t)与时间t呈现强线性关系(回归系数R2见表2),即:MC(t)=MCo+K.t。式中,MCo和K分别为初含水率(%)和每小时变化率(%)。9种试件的线性分析参数(每小时变化率K、回归系数R2)汇总于表2。
 颗粒机秸秆压块机
    从表2可以比较不同原料配比条件下,燃料棒的吸湿速率。三种原料中,稻草板砂光粉每小时变化率K值最大( 2,59%),稻草碎料其次(2.34%),木粉最小(2.18%)。这种趋势也体现在混合原料燃料棒中。“稻草碎料一木粉”混合燃料棒中,随着稻草碎料含量的增大(20%~80%),K值呈明显的递增趋势。这表明,利用碎料、木粉和稻草粉的吸湿差异性,在一定程度上可以调控混合燃料棒的湿变特性。
3、结论
    生物质致密成型技术,使稻草粉屑作为工业化燃料成为可能。在挤压速度(压力)和温度确定的条件下,材料种类、碎料形态、成品密度是决定成型燃料产品性能的关键因素,采用粗细匹配、材料混合的方法,可以使稻草和木材两种原料在挤压性、吸湿性等方面优势互补,赋予产品优异的综合性能。
    三门峡富通新能源生产颗粒机秸秆压块机、饲料颗粒机等生物质燃料饲料成型机械设备。

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