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我國生物質成型燃料的應用與發展

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作者:本站 日期:2017-11-07 08:37:12 人氣:29
導讀:溧陽番茄社区ios下载機械專業設計製造各種型號顆粒機、木屑顆粒機、生物質顆粒機、秸稈壓塊機和各種顆粒生產線配套的鉸龍、沙克龍、冷卻機、篩選機、輸送帶等輔機設備及環模、壓輥、主軸、空軸、抱箍等顆粒機配件。

近年,石油、煤炭價格大幅上漲,能源短缺十分嚴重,能源形勢日益緊張,同時,大量使用化石能源引起了日益嚴重的環境問題,開發適用的可再生能源產品已成了當務之急。生物質能是指來源於木材、秸稈、動物糞便等生物質的能源。與化石能源不同,它們來自新近生存過的生物,從生物圈循環角度來看,使用生物質能是基本不產生汙染物的。

  可以通過直接燃燒來獲取能量,也可以轉化為生物質燃料,如生物柴油、沼氣、成型顆粒等。生物質能是唯一可以儲存、運輸的可再生能源,是替代化石燃料的首選,具有清潔、可再生、含S很低、CO2零排放、分布廣的特點。但由於散碎的生物質料不易於收藏、運輸、儲存和運輸,必須經過一定的加工。

  生物質能由於其成型工藝不完善、設備磨損嚴重,人們環保意識差及生物質能自身特點致使其沒有得到廣泛利用。馬昊認為農村生物質能產業的發展具有外部性、不確定性等因素,並從國家財稅政策的角度分析了我國生物質能的發展和不足;劉祖軍等對生物質成型燃料的產業發展前景進行了分析,提出了解決成型機生產技術瓶頸、用戶環保意識與產品認知度薄弱、產業政策過於宏觀等問題的策略建議;閆昌國等研究了可移動生物質顆粒燃料設備係統,並做了其經濟技術性能分析。

  O'Dogherty MJ等討論了顆粒燃料長久保存的問題,分析了壓力、水分、模具長徑比等因素對成型顆粒鬆弛密度的影響規律,並推導出了壓力與密度的關係。相關專家學者做了很多方麵的研究,但係統介紹我國生物質能發展與應用的文章還很少,本文在生物質成型顆粒燃料研究的基礎上,係統介紹生物質能在我國的發展與應用,從生物質能原料豐富、成型設備與工藝的改進和需求與效益要求3方麵介紹我國的發展優勢;從人們環保意識薄弱、成型設備與配套設施不完善2個方麵介紹其發展與應用的障礙。


生物質在我國的發展優勢




1.1
生物質能原料豐富


  我國的農業廢棄物資源分布廣泛,其中可用作能源使用的秸稈年產量折合約3億噸標準煤,再加上農產品加工、森林和林業剩餘物、城市垃圾、沼氣等生物質能資源,可開發利用生物質能的資源量約5億噸標準煤。農業方麵,隻是河南省全年的秸稈產量就達到6023萬噸,以前秸稈用來燒火做飯、飼養牲畜,現在秸稈一部分直接還田,一部分賣給造紙廠,其餘的大部分秸稈作為廢棄物一焚了之。對此,各級政府都做了許多工作,禁止焚燒秸稈,雖說取得了一定成效,但收效卻非常有限,關鍵是要找到秸稈的出路。秸稈還田和作為能源利用看似矛盾,實際上保護性耕作的秸稈還田量在30%左右,大量的秸稈還是可以充分回收利用的,這樣秸稈不僅有了出路還創造了效益。林業方麵,我國林木生物質能資源也比較豐富,薪炭林、森林撫育間伐、苗木截杆、經濟林和城市綠化修枝、油料樹種果實和林業三剩物等林木生物質資源都是成型生物質成型燃料很好的原材料。並且隨著科技的進步與管理的改進,單位麵積的農作物產出和林業蓄積都會增加;同時,我國還有大量的宜林荒山荒地、沼澤地、鹽堿地等可作為生物質原料作物的培育基地,為產業發展、壯大提供後備支撐,這些都說明了我國生物質原料會越發豐富,為生物質在我國的發展奠定基礎。


1.2
成型設備與工藝的改進


  設備方麵。首先在我國得到廣泛應用的是螺旋式擠壓成型機,由於其成型溫度高達220~280℃,並且有較高的擠壓力,造成螺旋杆和成型套筒磨損嚴重,使用壽命短;單位產品能耗高,並且生產率相對較低,成型過程對物料含水率、顆粒大小等有嚴格要求,造成成型成本較高。其次是活塞式成型機,它在較大程度上解決了螺旋擠壓式成型方式存在的成型件磨損嚴重、能耗高的問題,但機械驅動活塞成型機存在運行穩定性差、噪音大和潤滑油汙染較嚴重等問題;液壓驅動活塞成型機成型密度偏低,製品機械性能較低。目前,最常用的生物質顆粒成型機是壓輥式成型機,模具磨損程度較低,其生產流程如圖1所示。但其出料不均勻,尤其是木屑等堆積密度較大的原料,進而造成生產率低,如圖2所示,A處明顯比B處成型效果差。本課題組通過結構的優化設計出立式環模成型機,較大程度上解決了出料不均的問題(圖3),在實際生產中得到應用,並取得了良好效果。另外,閆昌國等考慮到生物質原料的分散性特點,運輸成本較高。

  開發了高度集成的可移動式成型設備,可以實現在原料產地生產成型燃料,這對於生物質原料產地過於分散的地區是一個很好的選擇,節省原料運輸成本,從而提高生物質的經濟效益。

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  工藝方麵。生物質固化成型工藝有多種形式,根據其主要工藝特性的差別,可分為濕壓成型、熱壓成型、冷壓成型和碳化成型4種基本類型。

  (1)濕壓成型就是先對生物質能原料進行一定程度的腐化,即增加原料的熟化程度,然後擠壓成型,其成型性能會有一定的改善,但存在有能量損失、成型燃料密度低、成型模具磨損較快等缺陷,並且成型產品還要經過幹燥才能存放,致使成本升高。

  (2)熱壓成型是目前普遍采用的成型工藝,壓縮過程中加熱,一方麵可使原料中含有的木質素軟化,起到黏結劑的作用,另一方麵還可使原料本身變軟,容易壓縮,但加熱的同時也增加了其功率的損耗,並且隻有加熱到220~260℃之間才能較快成型,這樣不但耗能大而且對設備損壞嚴重,成型顆粒還需要經過專門的冷卻幹燥設備處理,才能包裝儲存。

  (3)冷壓成型是近年來研究利用的一種生物質成型工藝,成型時原料和機器部件之間的摩擦作用能使原料加熱到100℃左右,也能起到軟化木質素的作用,並且在一定程度上解決了以往成型設備對含水率和加熱溫度要求的限製,但其成型所需壓力偏高,達幾十個兆帕,也存在耗能大和設備損耗嚴重的問題。

  (4)碳化成型主要是製得機製木炭,與本文使用方向不同,不做討論。

  本課題組綜合考慮冷、熱壓縮成型工藝的特點,一定程度上降低熱壓溫度、提高壓力。通過改進的熱壓成型試驗,考察了玉米秸稈、鋸末、棉杆3種典型原料的影響因素,找出的最佳成型範圍為:粒度0~2mm、含水率15%~23%、溫度130~150℃和長徑比5.28,並通過微觀角度探討了不同成型條件下顆粒的微觀型貌,其微觀特征與試驗結果相符。

  在本課題組設計立式環模成型機時,充分考慮了以上最佳工藝參數。改進的熱壓成型工藝,實現了節能降耗、延長設備使用壽命的目的,從而增強了生物質顆粒燃料的市場競爭力。

  生物質燃料壓縮成型生產的一般工藝流程如圖4所示。步驟如下:

  (1)從加工廠附近收集生物質;

  (2)通過粉碎機粉碎至一定的粒度;

  (3)對原料進行幹燥處理,使含水率處於最佳範圍;

  (4)輸送原料的螺旋推進器可同時做預壓工作,提高生產率;

  (5)在模具和環模的共同作用下壓縮成型;

  (6)在成型過程中對原料進行加熱,提高成型性能;

  (7)對成型顆粒進行保型,穩定其形狀;

  (8)對成型顆粒進行切割、包裝和儲運處理,供應市場。

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1.3
需求與效益要求


  市場是檢驗一切產品的標準,產品隻有在市場上有需求,才能獲得市場的認可與接受,最終帶動產業良性發展。市場需求是生物質成型燃料產業發展的最終驅動力。我國生物質成型燃料的市場需求主要來自於廣大嚴重依賴煤炭資源的企業,依賴秸稈、林業剩餘物等非商品能源的農村居民和部分城鎮的餐飲店、理發店、洗浴中心等服務業小經營業主。北京菲美得機械有限公司抓住生物質能利用的機遇,已研發了多種生物質成型燃料機,其公司的下屬廠都在使用自己生產的生物質成型燃料,不僅應用於飲水、取暖等生活方麵,而且在鑄件烤漆的工業領域有了應用(圖5),每年比以前少用3000~4000t煤,有一定的經濟效益和生態效益。

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  同樣有很多類似的企業認識到環境汙染的危害和國家對生物質產業的支持,有很大的積極性。我國農村地區傳統、低效的生活用能方式不僅浪費資源,也導致農村室內空氣惡劣,破壞生態環境,影響人們身心健康。隨著人們生活水平不斷提高和生態環保意識逐步增強,部分農村居民有改變目前不良生活用能方式的願望。北京、河南、山西等省(市)有22%的農戶已經意識到目前用能方式的環境和健康代價,願意改變當前的用能方式。

  政府方麵的需求,政府機關和國有企業的工廠在洗浴和燒水方麵也可以用生物質成型燃料代替煤,但更多的是一種基於改善生態環境、獲取生態效益的需求。生物質成型燃料產業的發展有著明顯的正外部性,對充分利用自然資源、改善自然生態環境有積極的意義,符合國家的發展戰略。政府會從財稅、金融、保險等方麵給予政策支持,為產業發展拓寬空間,理清障礙。

  目前,在國內隻有生物質成型燃料產業的示範工程,沒有大規模的生產、消費,缺乏像國外那樣完善的標準體係。張百良等對中國固體生物質成型燃料標準體係進行了研究,指出了構建該標準體係的必要性和迫切性,並提出了一些具體建議。生物質成型產業的市場沒有激活,造成外部資金注入較少,致使生產規模小和產品成本難於降低。國家通過自然科學基金資助、減免相關產業稅收、給予企業和消費者一定補助等措施在一定程度上促進了該產業的發展,但隻有這些是不夠的,要想產生生態效益和經濟效益,就必須有較大範圍的推廣。可以實行由省農機推廣站負責,召開各鄉鎮長、縣農業局、交通局、環保局、財政局、公安局及公路局等單位的主管領導和各鄉鎮農辦主任、農機站長、農技站長現場會,加大宣傳力度,製定的方案層層落實,各種補貼確保及時發放。


存在的發展障礙


  公眾對開發利用生物質能的關注程度不夠。人們普遍認為開發利用生物質能僅僅是農民的事情,與己無關,沒有形成全社會積極參與和支持可再生能源發展的局麵。某些地方政府的認識存在誤區,對如何開發利用生物質能知之甚少,甚至不屑於管理,沒有明確的發展方向和目標。對生物質成型燃料認知度調查發現,58%受訪對象不了解或從未聽說過生物質成型燃料,僅有部分人從電視節目或平麵媒體上看過相關介紹,而真正使用過的用戶更寥寥無幾。

  雖然生物質成型燃料的生產工藝和設備有了很大進步,但仍然存在模具磨損較嚴重、連續加工能力不足、模具孔洞易堵塞等問題。配套爐具不能充分考慮產品特點,存在易結渣、熱效率低、排煙中的汙染物含量高等缺陷。


結語


  生物質成型燃料的發展前景很廣闊,潛力很大,但目前存在一些問題亟需解決。建議如下:

  (1)繼續成型燃料關鍵技術的研發和配套爐具的設計。改進生物質固化成型的工藝,提高模具耐磨性和連續生產能力,從生產上降低成本;提高鍋爐中煙氣熱量的利用率,降低鍋爐的結渣性。

  (2)各地政府、企業應因地製宜,製定相應的發展模式和有利政策,加大相關方麵的宣傳力度。


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