生物质成型技术的研究_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

生物质是一种清洁的可再生能源，我国农作物秸秆年产量约7×10⁸t，相当于3.5×10⁸ t标准煤。除此之外，我国每年还有将近1x10⁸t左右的林业废弃物，如树枝、树叶、锯末、木屑、板片等。农村生物质作为一种农林业生产的副产品，在我国有着产量大、分布广的特点，同时也成为一项重要的生物质资源，具有资源丰富含碳量低的特点。
    随着近代科学的进步，生物质的利用出现了许多新方法、新工艺、新设备，其中生物质压缩成型技术是生物质能的一种简单、实用的利用形式。通过对原材料进行干燥、破碎、加入黏合剂等方法进行预处理，在成型机高压条件下，压缩成柱状或颗粒状的高密度成型颗粒燃料，为高效利用生物质提供了新途径，富通新能源专业生产销售秸秆颗粒机、木屑颗粒机等生物质成型颗粒燃料成型机械设备，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
1、实验部分
1.1实验材料及仪器
    材料：生物质原材料为玉米秸秆、杨树锯末、梧桐树叶，均产自河北省石家庄市南郊。
   仪器：FE220型粉碎机，上海某发展有限公司；H2-210电子天平，福州某仪器有限公司；XRY-1B微机氧弹量热计，上海某地质仪器有限公司；SRJX-4-13可控温烘箱（箱式电阻炉），北京某仪器设备厂。
1.2实验部分
1.2.1 样品处理
    将收集到的生物质原材料进行晾晒等初步干燥处理，而后使用多粒径破碎机进行破碎，得到10mm、1.5mm、0.5mm粒径的材料。将一定量样品粉末放置加热皿中，置于烘箱内，设定温度105℃，放置时间24 h以上。烘干结束后，将加热皿置于干燥皿中至常温。取出一定量的三种生物质原料平铺于培养皿中，喷入水雾，均匀搅拌，调配出含水率为8%、12%、17%的实验原料。将所有原料用密封袋密封，防止吸收空气中水分，放置阴凉处保存。
1.2.2元素分析与工业分析
根据国家标准GB/T 211-1996、GB/T 212-2001、GB/T 212-2001和GB/T213 -2008进行了三种生物质的工业分析、元素分析和热值分析，结果见表1。

		样品
		玉米秸秆	杨树锯末	梧桐树叶
工业分析	含水量/%	7.36	7.83	9.14
	挥发份/%	71.34	86.70	75.11
	灰分/%	6.90	1.74	10.26
	固定碳/%	14.40	3.37	5.49
元素分析	N/%	0.70	0.92	0.73
	C/%	43.57	45.83	45.00
	TOC/%	37.86	39.41	37.33
	H/%	3.82	4.94	5.24
	S/%	0.13	0.22	0.17
热值分析	样品弹热值/（j·g^-1）	16238	19420	18066

1.2.3生物质成型实验
    成型压力、含水率将根据文献资料和实际情况进行选择。成型压力：10MPa、25MPa、50MPa；含水率：8%、12%、17%；成型粒径：0.5mm、1.5mm、10mm。将原料放置于内径为55 mm的柱形模具中，常温条件下，进行单因素成型实验，为使结果精确每个条件下成型试验重复5次，取平均值。
    (1)不同成型压力成型试验
    取粒径均为1.5mm的玉米秸秆、杨树锯末、梧桐树叶三种原料，成型压力为10 MPa、25 MPa、50 MPa，常温条件下进行成型实验。
    (2)不同含水率成型试验
    将粒径为1.5mm，含水率为8%、l2%、17%的生物质原料在成型压力为25 MPa，常温条件下进行成型实验。
    (3)不同粒径成型试验
    取含水率为8%，粒径分别为：0.5 mm、1.5mm、10mm的生物质原料，在成型压力为25 MPa，常温条件下进行实验。
1.2.4 生物质成型颗粒燃料的物理特性测定
    (1)松弛密度
    将所有实验条件下的生物质成型成品，在密封橱中放置3天后，测量成型颗粒燃料的尺寸及质量大小，按下式计算生物质燃料的松弛密度：
p=m/V
其中p-松弛密度( g/cm3)；m一生物质放置3d后质量(g)；v一生物质放置3 d后体积(cm3)。
    (2)耐久性
    主要进行生物质成型成品的抗跌碎性、抗渗水性的测定。
    抗跌碎性：依照煤的抗碎强度测定方法( GB/T15459-1995)对生物质成型颗粒燃料进行实验。称5009生物质成型颗粒燃料，装入袋内，排除空气，扎紧袋口。用刻度尺量出2m的高度，让装有样品的袋子从此高度自由落下到钢板（厚度不小于15 mm，长约1200 mm，宽约900m），连续落下5次。将样品倒入15mm方孔筛内，经过筛分后，称量筛上物的质量。
    按下式计算生物质压块的抗跌碎性：
    SS15= Mis/Mo×100%。其中SS15-生物质压块抗跌碎性；Mis -大于15 mm的生物质压块的质量(g)；M-装袋时生物质压块的质量(g)。
    抗渗水性：将不同实验条件下的成型成品浸没于27℃的水面下25 mm处静置，观察并记录成型颗粒燃料完全剥落分解的时间。
2、结果与分析
2.1成型压力对生物质成型效果的影响
表2 不同成型压力下生物质成型颗粒燃料的成型效果

原料种类	成型压力/MPa	成型效果描述
玉米秸秆	10	成型效果好，表面有细小裂纹，密实，硬度较小
	25	成型效果好，表面光滑，密实，硬度大
	50	成型效果好，表面光滑，密实，硬度较大
杨树锯末	10	基本成型，有裂缝，松散，硬度较小
	25	成型效果好，表面光滑，密实，硬度大
	50	成型效果好，表面光滑，密实，硬度较大
梧桐树叶	10	成型效果好，表面较松散，较密实，硬度适中
	25	成型效果好，表面光滑，密实，硬度大
	50	成型效果好，表面光滑，非常密实，硬度大

2.2含水率对生物质成型效果的影响
表3 不同含水率下生物质成型颗粒燃料的成型效果

原料种类	含水率/%	成型效果描述
玉米秸秆	8	成型效果好，表面光滑，密实，硬度大
	12	成型效果好，表面光滑，较密实，硬度大
	17	基本成型，底部有裂痕，较密实，硬度小
杨树锯末	8	基本成型，有裂缝，松散，硬度较小
	12	成型效果好，表面光滑，非常密实，硬度较大
	17	不成型，表面有较大裂痕，松散
梧桐树叶	8	成型效果好，表面光滑，密实，硬度大
	12	成型效果好，表面有细小裂痕，密实，硬度大
	17	基本成型，表面有多处裂痕，较密实，硬度小

2.3粒径对生物质成型效果的影响
表4 不同成型压力下生物质成型颗粒燃料的成型效果

原料种类	粒径/mm	成型效果描述
玉米秸秆	0.5	成型效果好，表面光滑，密实，硬度大
	1.5	成型效果好，表面光滑，密实，硬度大
	10	成型效果好，表面有分层现象，密实，硬度较大
杨树锯末	0.5	成型效果好，表面有细小裂纹，密实，硬度大
	1.5	成型效果好，密实，表面光滑，硬度大
	10	成型效果好，表面稍有分层现象，硬度较大
梧桐树叶	0.5	成型效果好，表面光滑，密实，硬度大
	1.5	成型效果好，密实，表面光滑，硬度大
	10	成型效果差，表面分层现象明显，硬度较大

2.4生物质成型颗粒燃料的物理特性
在生物质成型颗粒燃料的各种理化品质特性中，除燃烧特性外，成型颗粒燃料的物理品质是最重要的理化特性，它直接决定了成型颗粒燃料是否符合使用和储运要求。而松弛密度和耐久性是衡量成型块物理品质特性的两个重要指标。
2.4.1松弛密度
松弛密度是指生物质成型后由于弹性变形和应力松弛其成型密度逐渐减小，一段时间后密度趋于稳定，此时成型颗粒燃料的密度即为松弛密度。松弛密度要比模内最终压缩密度小。它是决定成型颗粒燃料物理品质和燃烧性能的一个重要指标。
由以上测量数据可知，成型压力、原料含水率及粒径对成型颗粒燃料的松弛密度场均起着至关重要的作用。三种生物质都呈现出松弛密度随成型压力的增大而增大的趋势，说明一定成型压力范围内增大压力会对成型材料的松弛密度产生促进作用。三种生物质均在含水率为12%的条件下产出了最大松弛密度的成型颗粒燃料，在8%～12%范围内松弛密度随含水率增大而增大，在12%～17%范围内松弛密度随含水率增大而减小。这一现象说明了含水率过大，成型过程中原料中的水分被快速汽化，造成燃料棒出模时涨裂，表面粗糙，无法成型，即使成型了，由于成型质量不好，松弛密度低，也会增加包装和运输成本，在使用过程中造成不便，影响生物质成型颗粒燃料的使用。
表5 不同压力下三种生物质成型颗粒燃料松弛密度

压力/MPa	玉米秸秆松弛密度/（g·cm^-3）	杨树锯末松弛密度/（g·cm^-3）	梧桐树叶松弛米醋/（g·cm^-3）
10	0.44	0.47	0.46
25	0.59	0.58	0.62
50	0.71	0.65	0.74

表6 不同含水率条件下三种生物质成型颗粒燃料松弛密度

含水率/%	玉米秸秆松弛密度/（g·cm^-3）	杨树锯末松弛密度/（g·cm^-3）	梧桐树叶松弛米醋/（g·cm^-3）
8	0.59	0.58	0.62
12	0.65	0.62	0.67
17	0.54	0.43	0.67

表7 不同粒径下三种生物质成型颗粒燃料松弛密度

粒径/%	玉米秸秆松弛密度/（g·cm^-3）	杨树锯末松弛密度/（g·cm^-3）	梧桐树叶松弛米醋/（g·cm^-3）
0.5	0.46	0.58	0.46
1.5	0.59	0.58	0.62
10	0.74	0.53	0.74

2.4.2耐久性
耐久性常用抗跌碎性和抗渗水性指标来描述。抗跌碎性是指成型颗粒燃料在储运过程中承受一定跌落和碰撞时的抗破碎能力。生物质成型颗粒燃料的耐久性直接影响生物质成型颗粒燃料的储运性能。
表8 不同压力下三种生物质的耐久性

压力/MPa	玉米秸秆		杨树锯末		梧桐树叶
压力/MPa	抗跌摔性/%	抗渗水性/h	抗跌摔性/%	抗渗水性/h	抗跌摔性/%	抗渗水性/h
10	55.34	-	50.36	-	60.15	-
25	87.45	7	85.67	6	83.20	5
50	95.16	10	94.32	10	94.78	10

表9 不同含水率下三种生物质的耐久性

含水率/%	玉米秸秆		杨树锯末		梧桐树叶
含水率/%	抗跌摔性/%	抗渗水性/h	抗跌摔性/%	抗渗水性/h	抗跌摔性/%	抗渗水性/h
8	87.45	7	85.67	7	83.20	6
12	95.37	10	93.62	9	82.98	5
17	76.47	1	45.34	-	63.75	1

表10 不同粒径率下三种生物质的耐久性

粒径/%	玉米秸秆		杨树锯末		梧桐树叶
粒径/%	抗跌摔性/%	抗渗水性/h	抗跌摔性/%	抗渗水性/h	抗跌摔性/%	抗渗水性/h
0.5	84.83	6	74.82	5	87.42	7
1.5	96.93	11	96.78	11	95.40	10
10	75.89	5	84.96	7	68.41	4

由以上试验结果可知，对于具有良好松弛密度的成型颗粒燃料，它的抗跌碎性和抗渗水性都很强，尤其是1.5 mm粒径下的三种生物质原料在25 MPa压力，8%含水率条件下生成的成型颗粒燃料，不仅松弛密度较大，而且抗跌碎性和抗渗水性均很好。也就是说成型颗粒燃料的耐久性与松弛密度大小成正比。
3、结论
    (1)三种生物质的挥发分均较高而固定碳含量较低，发热量均高于二类烟煤标准，表明生物质的燃烧利用价值很大。
    (2)成型过程中成型压力、原料含水率及粒径是影响成型颗粒燃料松弛密度及耐久性的主要因素。
    (3)松弛密度、抗跌碎性和抗渗水性都随成型压力增大而增大。常温下的生物质成型工艺存在最低成型压力，在10MPa左右。压力在25 MPa以上成型效果比较好，但成型压力过大，成型颗粒燃料物过于紧实，反而能耗会迅速增大，不利燃烧。
    (4)原料含水率大小对松弛密度和抗渗水性的影响很显著，原料含水率也是关系到生物质能否成型的重要因素之一。含水率太高或太低都不能使得生物质压缩成较为理想的成型颗粒燃料。实验表明含水率在8%～12%范围内，无论是对燃料的松弛密度还是耐久性均是非常有利的。
    (5)原料粒径增大，抗渗水时间也相应延长，但燃料表面会变得粗糙，中间会出现裂缝，松弛密度降低，不利成型。
    (6)粒径为1.5mm的生物质原料在25 MPa，含水率在8%~12%范围内，玉米秸杆、杨树锯末、梧桐树叶三种生物质材料成型效果最好。
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