我國生物質(zhì)（鋸屑、稻殼、樹枝、秸稈等）資源豐富，總量達(dá)9億多噸，怛存在能源密度低、生產(chǎn)具有季節(jié)性、資源分散、運(yùn)輸難、儲(chǔ)存損耗大等缺點(diǎn)，成為制約我國生物質(zhì)規(guī)模化利用的主要瓶頸。生物質(zhì)固化成型技術(shù)是指具有一定粒度的農(nóng)林廢棄物干燥后在一定的壓力作用下，可連續(xù)擠壓制成棒狀、粒狀、塊狀等各種成型燃料的加工工藝，該技術(shù)大大提高了單位體積燃料的品質(zhì)，便于貯存和運(yùn)輸。
目前，我國生物質(zhì)成型技術(shù)已取得了很大進(jìn)展，但是仍存在著單位產(chǎn)量能耗大、設(shè)備可靠性差等缺點(diǎn)。本文主要研究了生物質(zhì)成型的各種工藝參數(shù)，為延長生物質(zhì)成型設(shè)備使用壽命，降低能源消耗提供參考。
富通新能源生產(chǎn)銷售
秸稈顆粒機(jī)、
秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備。
1、生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)
1.1生物質(zhì)成型原理
植物細(xì)胞中含有纖維素、半纖維素和一定量的木質(zhì)索。其中具有一定含水率的纖維素在力的作用下可以形成一定的形狀，而木質(zhì)素具有膠黏作用。當(dāng)溫度達(dá)到70~100℃時(shí)，木質(zhì)素開始軟化，并有一定的黏度，當(dāng)達(dá)到200~300℃時(shí)，呈熔融狀，黏度變高，此時(shí)若施加一定的外力，可使它與因受熱分子團(tuán)變形的纖維素緊密粘結(jié)，并與相鄰顆粒互相膠接，使體積變小，密度增大，取消外力后，由于非彈性或粘彈性的纖維分子間的相互纏繞和絞合，其仍能保持給定形狀，冷卻后強(qiáng)度進(jìn)一步增加，成為成型燃料。
1.2影響生物質(zhì)成型的因素
影響生物質(zhì)燃料壓縮成型的因素很多，主要有生物原料本身（包括原料種類、粒度、含水率等）、成型壓力、成型溫度、成型模具形狀及尺寸、壓縮方式、成型工藝、成型過程的滯留時(shí)間、粘結(jié)劑等。
由于生物質(zhì)材料的種類和成分不同，受壓縮方式和壓縮條件的影響，成型燃料的品質(zhì)特性存在較大差異。生物質(zhì)成型燃料的品質(zhì)特性主要有燃燒特性和物理特性，物理品質(zhì)特性直接決定了成型塊的使用要求、運(yùn)輸要求和貯藏條件。
1.2.1生物質(zhì)原料生物質(zhì)原料具有流動(dòng)性差、相互牽連力大的特性，是成型喂入和壓縮的瓶頸。對(duì)于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，壓縮特性有很大的差異，并對(duì)成型過程和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。
1.2.1.1原料種類不同種類的原料，其壓縮成型特性有很大差異。一般來說木材較難壓縮，而纖維狀植物秸稈等容易壓縮。在冷壓條件下，較難壓縮的原料不易成型，易壓縮的原料則較易成型。在熱壓條件下，像木材等雖然難于壓縮，但其纖維素含量高，在高溫條件下反而易成型，而植物秸稈等則不易成型。木質(zhì)素含量高的農(nóng)作物秸稈和林業(yè)廢棄物非常適合熱壓成型。生物質(zhì)內(nèi)纖維素含量決定了其成型的難易程度。
1.2.1.2原料粒度原料的粒度影響壓縮成型塊的質(zhì)量，也影響生產(chǎn)效率和能量消耗。一般來說，粒度小的原料容易被壓縮，粒度大的原料較難被壓縮。并且在相同的成型壓力下，原料粒度越小，成型后的燃料密度越大，成型效果越好；原料粒度較大時(shí)，成型機(jī)不能有效地工作，使能耗大，產(chǎn)量小。
一般高壓設(shè)備(1000~1500 bar)的顆粒可以適當(dāng)大些，10 mm左右為好；中、低壓設(shè)備的顆粒應(yīng)小些，但螺旋式設(shè)備的要求不能小于2 mm，否則影響密度和生產(chǎn)率。木屑、稻殼等由于粒度細(xì)小，篩除雜物即可直接使用，秸稈、麥秸需經(jīng)專用設(shè)備粉碎，一般至粒度在10 mm以下。
1.2.1.3原料含水率水分是原料中最好的傳熱介質(zhì)，可以降低成型過程中木質(zhì)素軟化和液化的溫度，提高成型物料的表觀導(dǎo)熱系數(shù)，均勻成型物料的溫度場(chǎng)。但當(dāng)水分含量過高，加熱過程產(chǎn)生的蒸汽不能從成型燃料中心孔排出，會(huì)造成燃料開裂，表面粗糙，甚至產(chǎn)生爆鳴等現(xiàn)象；而水分含量太低時(shí)，不利于木質(zhì)素的塑化和熱量的傳遞，則成型困難。一般要求原料的含水率在15%~25%左右；對(duì)于棒狀成型燃料，要求原料的含水率不大于10%左右。活塞式成型機(jī)因其加工過程是間斷式的，因此可以適當(dāng)高些，為16%～20%。
1.2.2成型溫度加熱使生物質(zhì)物料達(dá)到一定的溫度，其主要作用為：①使生物質(zhì)中的木質(zhì)素軟化、熔融而成為粘結(jié)劑；②使所壓縮燃料的外表層炭化，減少擠壓動(dòng)力消耗：③提供物料分子結(jié)構(gòu)變化所需的能量。對(duì)于熱壓成型機(jī)，一般溫度控制在150~ 300℃之間比較適宜，溫度過高，可使其水分氣化，揮發(fā)分大量釋放，導(dǎo)致成型物料疏松斷裂，成型失敗。
1.2.3成型壓力與模具類型成型壓力是生物質(zhì)原料固化成型的最基本條件。對(duì)生物質(zhì)原料施加壓力的主要目的是：①破壞物料原來的物相結(jié)構(gòu)，組成新的物相結(jié)構(gòu)；②加強(qiáng)分子間的作用力，使物料變得致密均實(shí)；③為物料在模內(nèi)成型及推進(jìn)提供動(dòng)力。隨著成型壓力的增大，成型塊物質(zhì)的結(jié)合力增大，結(jié)合強(qiáng)度提高，致密度大。同時(shí)，考慮成型壓力過大對(duì)設(shè)備的要求相應(yīng)提高，而對(duì)提高成型塊性能不明顯，易造成能源浪費(fèi)，選取成型壓力為60一90 MPa較為經(jīng)濟(jì)適宜。
1.2.3.1模具尺寸“成型模”是生物質(zhì)成型的關(guān)鍵部件，模具的形狀尺寸與成型壓力有密切關(guān)系。因?yàn)榇蠖鄶?shù)成型機(jī)都采取擠壓成型的方式，即原料從成型模具的一端連續(xù)壓入，又從另一端連續(xù)擠出，這時(shí)原料擠壓所需要的成型壓力與容器內(nèi)壁面摩擦力相平衡，而摩擦力的大小與模具的形狀尺寸有直接關(guān)系
1.2.3,2環(huán)模壓縮比環(huán)模壓縮比的大小決定了成型壓力的大小。植物秸稈等原料的纖維素含量少，受到外力擠壓時(shí)易發(fā)生形變，因此成型時(shí)所需的環(huán)模壓縮比小，即成型壓力較小；鋸末等的纖維素含量高，成犁時(shí)所需的環(huán)模壓縮比大，即成型壓力較大。因而，用不同生物質(zhì)原料生產(chǎn)成型顆粒燃料，應(yīng)采用不同的環(huán)模壓縮比。植物秸稈等的壓縮比在9~ 12之間，木屑廢料等的壓縮比在5~9之間。
1.2.4成型過程的滯留時(shí)間成型物料形狀保持不變后，其在模具內(nèi)所受的壓應(yīng)力隨時(shí)間的增加而逐漸減小。因此，必須有一定的滯留時(shí)間，以保證成型物料中的應(yīng)力充分松弛，防止擠壓出模后產(chǎn)生過大的膨脹，也可使物料有較長時(shí)間進(jìn)行熱交換。
1.2.5添加劑 生物質(zhì)在成型的過程中加入添加劑，以增加成型時(shí)的粘結(jié)力，減少動(dòng)力輸入，同時(shí)研究也發(fā)現(xiàn)一些添加劑還能阻止燃料燃燒時(shí)結(jié)渣。S．P．Bhattaeharya研究表明，使用添加劑（如石英砂、石膏、膨潤土或粉煤灰等）能有效阻止生物質(zhì)灰結(jié)渣。相對(duì)而言石膏和磷酸氫鈣的抗結(jié)渣特性較差，膨潤土的抗結(jié)渣特性較好，但是價(jià)格較為昂貴。添加劑一般都在予壓前輸送過程中加入，便于攪拌，在加入時(shí)一定注意均勻度，防止因比重不同造成不均勻聚結(jié)。
2、生物質(zhì)壓縮成型的工藝參數(shù)
2.1 生物質(zhì)壓縮成型工藝
按成型加壓的方法不同來區(qū)分，技術(shù)較成熟、應(yīng)用較多的技術(shù)有輥模擠壓式、活塞沖壓式、螺旋擠壓式等3種。根據(jù)主要r芝特征的差別，國內(nèi)外生產(chǎn)壓縮燃料的丁藝大致可劃分為冷壓成型、熱壓成型和碳化成型3種主要形式。
2.1.1冷壓成型工藝?yán)鋲撼尚图夹g(shù)減少了原料烘干、成型時(shí)加熱和降溫等3道工序，可節(jié)約能耗44%~ 67%。該成型方式原料最大含水率可達(dá)22%左右，但是由于原料沒有加熱軟化，成型時(shí)所需壓力較加熱成型大。
輥模擠壓式成型機(jī)屬于冷壓成型工藝，一般不需要外部加熱，對(duì)原料含水率要求較寬，一般在10%~ 40%之間，其中最佳成型條件為18%左右；原料粒度要求小于10 mm；成型壓力相對(duì)較大，在20~ 50 MPa之間。平模擠壓成型機(jī)在壓制纖維性物料時(shí)，原料水分在15%~ 25%(最佳18%左右)之間，一般不需要對(duì)原料進(jìn)行干燥。
2.1.2熱壓成型工藝熱壓成型工藝是目前普遍采用的生物質(zhì)壓縮成型工藝，成型時(shí)加熱溫度通常調(diào)整為150~ 300℃之間，含水率一般控制在8%~12%之間。
活塞沖壓式成型機(jī)：設(shè)備允許物料水分含量在20%左右，其中液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)要求水分在12%以內(nèi)，成型溫度為160~ 200℃，原料粒度小于40 mm。
螺旋擠壓式成型機(jī)：成型時(shí)溫度通常在150~ 300℃，其中最佳成型溫度在220~280℃之間；成型含水率一般控制在8010~ 12%之間；成型原料粒度要求小于40 mm；成型壓力的大小隨原料和所要求成型塊的質(zhì)量不同而異，一般在4.9~ 12.74 kPa之間。
2.1.3碳化成型工藝碳化是在隔絕或限制空氣的條件下，將木材、秸稈等在400~600℃的溫度下加熱，得到固體炭、氣體、液體等產(chǎn)物的技術(shù)。以生產(chǎn)炭為主要目的的技術(shù)稱為制炭，以氣體或液體的回收利用為重點(diǎn)的技術(shù)稱為干餾，兩者合稱為碳化。
2.2各種生物質(zhì)原料的最佳成型參數(shù)
下面是我國幾種主要生物質(zhì)原料在成型時(shí)的不同工藝參數(shù)要求：
棉桿熱壓成型的工藝參數(shù)：溫度在150~ 260℃之間，粒度在0~ 12.5 mm之間，含水率在6%~10%之間。
玉米稈熱壓成型的工藝參數(shù)：原料含水率5%~ 15%，最適宜的水分含量是10%~15%，原料粒度1～5mm之間，溫度為110℃左右。
小麥秸稈熱壓成型的_[藝參數(shù)：原料含水率5%~ 18%，最佳水分含量10%~ 15%，溫度為110℃左右，原料粒度在1—5 mm。
水稻桿冷壓成型的工藝參數(shù)：成型壓力32 MPa，含水率10%，原料粒徑4mm，粘結(jié)劑的添加比為4:1。
稻殼熱壓成型的工藝參數(shù)：稻殼粒度細(xì)小，篩除雜物即可直接使用，加熱溫度80~111℃，含水率15.4%~17.5%，成型壓力8.8~ 11.5 MPa，粘結(jié)劑添加比為(2.85~ 4.25)：1。
3、討論
生物質(zhì)成型燃料的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性，隨著保護(hù)自然生態(tài)環(huán)境意識(shí)的日益加強(qiáng)，國家相應(yīng)配套政策的通過，以及該技術(shù)一些關(guān)鍵問題的解決，生物質(zhì)燃料的市場(chǎng)覆蓋率將逐漸擴(kuò)大。但是由于多種因素影響，短期內(nèi)可能不會(huì)出現(xiàn)期望中的全面應(yīng)用。我國生物質(zhì)成型燃料利用存在的問題主要有：一是秸稈原料的收集與存儲(chǔ)，二是生物質(zhì)成型燃料設(shè)備的快速磨損，三是生物質(zhì)成型燃料燃燒過程中的結(jié)渣和沉積腐蝕。這些造成推廣受到一定程度的限制。
本文圍繞生物質(zhì)成型的各工藝參數(shù)，如原料特性、成形工藝、工藝參數(shù)等，探討它們對(duì)生物質(zhì)燃料成型時(shí)的影響效果，為降低能耗，減少加工成本，減少對(duì)原料成型條件的限制和改進(jìn)生產(chǎn)工藝提供理論依據(jù)。綜合考慮成型效果及能耗情況，在條件允許的情況下，應(yīng)該優(yōu)先選擇最適合的生物質(zhì)成型工藝。
富通新能源主要生產(chǎn)銷售秸稈顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們也有大量的生物質(zhì)顆粒燃料。
