生物质成型技术的研究

第13卷第16期2013年6月科学技术与工程Vol. 13 No. 16 Jun. 20131671-1815(2013)164765-04Science Technology and Engineering⊙2013Sci.Tech. Engrg生物质成型技术的研究任爱玲闫石(河北科技大学,石家庄050018;河北省固体废物资源化工程技术研究中心,石家庄050018)摘要以玉米秸秆、杨树锯末和桰桐树叶生物质为研究对象,经收集、破碎等预处理后,常温下装入成型模具进行成型实验。研究成型压力、含水率及原料粒径对生物质成型效果与成型成品物理特性的彩响。为生物质成型燃料的生产和使用,燃烧设备的研制以及合理选择燃烧设备的种类提供理论基础。关键词生物质成型燃料影响因素松弛密度耐久性中图法分类号X712;文献标志码A生物质是一种清洁的可再生能源,我国农作物仪器:FE220型粉碎机,上海科恒实业发展有限秸秆年产量约7×108t,相当于3.5×103t标准公司;H210电子天平,福州华志仪器有限公司;煤。除此之外,我国每年还有将近1×10t左右XRY-1B微机氧弹量热计,上海昌吉地质仪器有限的林业废弃物,如树枝、树叶、锯末、木屑、板片等。公司;SRⅨX4-13可控温烘箱(箱式电阻炉),北京科农村生物质作为一种农林业生产的副产品,在我国伟永鑫仪器设备厂。有着产量大、分布广的特点,同时也成为一项重要1.2实验部分的生物质资源,具有资源丰富含碳量低的特点2)。1.2.1样品处理随着近代科学的进步,生物质的利用出现了许将收集到的生物质原材料进行晾晒等初步干多新方法新工艺新设备,其中生物质压缩成型技燥处理,而后使用多粒径破碎机进行破碎,得到10术是生物质能的一种简单、实用的利用形式。通mm、15mm、0.5mm粒径的材料。将一定量样品过对原材料进行干燥、破碎、加入黏合剂等方法进粉末放置加热皿中,置于烘箱内,设定温度105℃,行预处理,在成型机高压条件下,压缩成柱状或颗放置时间24h以上。烘干结束后,将加热皿置于干粒状的高密度成型燃料,为高效利用生物质提供了燥皿中至常温。取出一定量的三种生物质原料平新途径4。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1实验部分袋密封,防止吸收空气中水分,放置阴凉处保存。1.1实验材料及仪器1.2.2元素分析与工业分析材料:生物质原材料为玉米秸秆、杨树锯末、梧根据国家标准GB/T211-1996、GBT212桐树叶,均产自河北省石家庄市南郊。2001、GB/T212-2001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2013年2月8日收到,2013年3月15日修改果见表1第一作者简介:任爱玲(19653-),女,汉族,河北龐泉人,河北科技大1.2.3生物质成型实验学环境科学与工程学院教授,研究方向:污染控制和废物资源化。E成型压力、含水率将根据文献资料和实际情况mal; ailing@163.cm。进行选择。成型压力:10MPa、25MPa、50MPa;含通信作者简介:闫石(1986),男,汉族,河北衡水人,河北科技水率:8%、12%、17%;成型粒径:0.5mm、1.5mm、大学环境科学与工程学院硕士研究生,研究方向:污染控制和废物10mm。将资源化。E-mal:yanshi198677@163.com。中国煤化工n的柱形模具中常温条件YHCNMHG,为使结果精476科学技术与工程13卷确每个条件下成型试验重复5次,取平均值。从此高度自由落下到钢板(厚度不小于15mm,长约表1工业分析、元素分析、热值分析结果1200mm,宽约900m),连续落下5次。将样品倒入15mm方孔筛内,经过筛分后,称量筛上物的玉米秸秆杨树锯末梧桐树叶质量。含水量%7.367.839.14按下式计算生物质压块的抗跌碎性:工业分析挥发分/%75.11灰分10.26SS15=M5/M×100%。固定碳/%5.49其中SS;-生物质压块抗跌碎性;M15大于15mm元素分析0.700.920.73C/%43.5745.83的生物质压块的质量(g);M0一装袋时生物质压块TOC/%37.33的质量(g)。3.825.24抗渗水性:将不同实验条件下的成型成品浸没0.130.220.17热值分析样品弹热值(g2)162381942018066于27℃的水面下25m处静置,观察并记录成型燃料完全剥落分解的时间(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2结果与分析桐树叶三种原料,成型压力为10MPa、25MPa、502.1成型压力对生物质成型效果的影响MPa,常温条件下进行成型实验。(2)不同含水率成型试验表2不同成型压力下生物质成型燃料的成型效果将粒径为1.5mm,含水率为8%、12%、17%的原料种类成型压力MPa成型效果描述生物质原料在成型压力为25MPa,常温条件下进行玉米秸秆10成型效果好表面有细小裂纹,密实,硬度较小成型实验。成型效果好,表面光滑密实,硬度大3)不同粒径成型试验50成型效果好,表面光滑,密实,硬度较大杨树锯末基本成型,有裂缝松散硬度较小取含水率为8%,粒径分别为:0.5mm、1.525成型效果好,表面光滑,密实,硬度大mm、10mm的生物质原料,在成型压力为25MPa,50成型效果好表面光滑,密实,硬度较大常温条件下进行实验。梧桐树叶10成型效果好表面较松散较密实硬度适中1.2.4生物质成型燃料的物理特性测定成型效果好,表面光滑密实,硬度大(1)松弛密度50成型效果好,表面光滑,非常密实,硬度大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,测量成型燃料的尺寸及质量大小,2.2含水率对生物质成型效果的影响按下式计算生物质燃料的松弛密度表3不同含水率下生物质成型燃料的成型效果原料种类含水率/%成型效果描述其中p松弛密度(g/cm3);m-生物质放置3d后玉米秸秆8成型效果好,表面光滑密实,硬度大质量(g);V一生物质放置3d后体积(cm)。12成型效果好,表面光滑较密实硬度大(2)耐久性17基本成型,底部有裂痕较密实硬度小主要进行生物质成型成品的抗跌碎性、抗渗水杨树锯末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,硬度较大性的测定。17不成型,表面有较大裂痕松散抗跌碎性:依照煤的抗碎强度测定方法(GB/树叶8成型效果好,表面光滑,密实硬度大T15459-1995)对生物质成型燃料进行实验。称型效果好表面有细小裂痕密实硬度大500g生物质成型燃料,装入袋内,排除空气,扎紧袋中国煤化工较密实,硬度小口。用刻度尺量出2m的高度,让装有样品的袋子CNMHG16期任爱玲,等:生物质成型技术的研究47672.3粒径对生物质成型效果的影响由以上测量数据可知,成型压力、原料含水率表4不同成型压力下生物质成型燃料的成型效果及粒径对成型燃料的松弛密度场均起着至关重要原料种类粒径/mm成型效果描述的作用。三种生物质都呈现出松弛密度随成型压玉米秸秆0.5成型效果好,表面光滑,密实硬度大力的增大而增大的趋势,说明一定成型压力范围内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增大压力会对成型材料的松弛密度产生促进作用。杨树锯末0.5成型效果好,表面有细小裂纹密实硬度大三种生物质均在含水率为12%的条件下产出了最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大松弛密度的成型燃料,在8%-12%范围内松弛梧桐树叶0.5成型效果好,表面光滑密实硬度大密度随含水率增大而增大,在12%~17%范围内松成型效果好,密实,表面光滑,硬度大弛密度随含水率增大而减小。这一现象说明了含10成型效果差,表面分层现象明显,硬度较大水率过大,成型过程中原料中的水分被快速汽化,24生物质成型燃料的物理特性造成燃料棒出模时涨裂,表面粗糙,无法成型,即使在生物质成型燃料的各种理化品质特性中,除成型了,由于成型质量不好,松弛密度低,也会增加燃烧特性外,成型燃料的物理品质是最重要的理化包装和运输成本,在使用过程中造成不便,影响生特性,它直接决定了成型燃料是否符合使用和储运物质成型燃料的使用。要求。而松弛密度和耐久性是衡量成型块物理品2.4.2耐久性质特性的两个重要指标6。耐久性常用抗跌碎性和抗渗水性指标来描述。2.4.1松弛密度抗跌碎性是指成型燃料在储运过程中承受一定跌松弛密度是指生物质成型后由于弹性变形和落和碰撞时的抗破碎能力。生物质成型燃料的耐应力松弛其成型密度逐渐减小,一段时间后密度趋久性直接影响生物质成型燃料的储运性能。于稳定,此时成型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。它是决定成型燃表8不同压力下三种生物质的耐久性料物理品质和燃烧性能的一个重要指标。玉米秸秆杨树锯末梧桐树叶压力/MPa抗跌碎抗渗水抗跌碎抗滲水抗趺碎抗滲水表5不同压力下三种生物质成型燃料松弛密度性/%性/h性/%性/h性/%性/h玉米秸秆杨树锯末梧桐树叶压力松弛密度松弛密度松弛密度2587.45785.6783.205/(g·cm-3)/(g·cm-3)/(g·cm-3)5095.1694.3294.78100.590.表9不同含水率下三种生物质的耐久性0.710.650.74令玉米秸秆杨树锯末梧桐树叶表6不同含水率条件下三种生物质成型燃料松弛密度率%抗跌碎抗渗水抗跌碎抗渗水抗跌碎抗渗水”性/%性/h性/%性h性/%性h玉米秸秆杨树锯末梧桐树叶含水率4585.67783.206松弛密度松弛密度松弛密度1295.371093.682.98/(g·cm(g·cm3)/(g·cm3)1776.463.750.590.580.0.62表10不同粒径下三种生物质的耐久性0.54粒径一玉米秸秆杨树锯末梧桐树叶表7不同粒径下三种生物质成型燃料松弛密度抗跌碎抗渗水抗跌碎抗渗水抗趺碎抗渗水玉米秸秆杨树锯末梧桐树叶性/%性h性/%性/性/%性h粒径松弛密度松弛密度松弛密度0.58487.42(g·cm-3)/(g:cm3)/(g·cm-3)1.596.9396.7895.40100.590.580.62中国煤化工0.74由以上CNMH好松弛密度4768科学技术与工程13卷的成型燃料,它的抗跌碎性和抗渗水性都很强,尤5)原料粒径增大,抗渗水时间也相应延长,但其是1.5mm粒径下的三种生物质原料在25MPa燃料表面会变得粗糙,中间会出现裂缝,松弛密度压力,8%含水率条件下生成的成型燃料,不仅松弛降低,不利成型。密度较大,而且抗跌碎性和抗渗水性均很好。也就(6)粒径为1.5mm的生物质原料在25MPa,是说成型燃料的耐久性与松弛密度大小成正比。含水率在8%~12%范围内,玉米秸杆、杨树锯末、3结论梧桐树叶三种生物质材料成型效果最好(1)三种生物质的挥发分均较高而固定碳含量参考文献较低,发热量均高于二类烟煤标准,表明生物质的1李美华,俞国胜,生物物质燃料成型技术研究现状.木材加工机燃烧利用价值很大。械,2005;(2):36-40(2)成型过程中成型压力、原料含水率及粒径徐芯惠,王维新,吴杰.棉秆燃料成型压缩技术的研究,农业与技术,2005;(2):97-98是影响成型燃料松弛密度及耐久性的主要因素。3盛奎川,吴杰.生物物质成型燃料的物理品质和成型机理的研(3)松弛密度、抗跌碎性和抗滲水性都随成型究.农业工程学报,2004;20(2):242-245压力增大而增大。常温下的生物质成型工艺存在4HanY, Tamer U, Nesim S. Briquetting最低成型压力,在10MPa左右。压力在25MPa以 to be used as a rural fuel source. Biomass and Bioenergy,,2010上成型效果比较好,但成型压力过大,成型燃料物5 Vamvuka D. Troulinos s Kastanaki E. The effect of mineral matter on过于紧实,反而能耗会迅速增大,不利燃烧。the physical and chemical activation of low rank coal and biomass ma-4)原料含水率大小对松弛密度和抗渗水性的terials. Fuel,2006;(85):1763-1771影响很显著,原料含水率也是关系到生物质能否成6DasP, Ganesh a, Wangikar E. Influence of pretreatment for deashing型的重要因素之一。含水率太高或太低都不能使of sugarcane bagasse on pyrolysis products, Biomass and Bioenergy得生物质压缩成较为理想的成型燃料。实验表明2004;(27):445-457含水率在8%~12%范围内,无论是对燃料的松弛7刘伟军,王佐民,于晓东,等.生物物质型煤燃烧机理分析和燃烧速度试验研究,煤炭转化,1998;(4):52-57密度还是耐久性均是非常有利的。Biomass Briquetting Technology ResearchREN Ai-ling, YAN ShiHebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, P. R. ChinaSolid Waste Utilization Engineering and Technology Research Center in Hebei province, Shijiazhuang 050018, P. R. China)Abstract] The corn stover, poplar sawdust and tree leaves raw biomass are selected for the study, by collecting, crushing and other pretreatment, room temperature, loaded with molding mold molding experiments. Re-search molding pressure, moisture content, and raw material particle size of of biomass forming effect and moldingfinished physical characteristics. A theoretical basis was provided for biomass molding fuel production and use, de-velopment of combustion equipment and reasonable choice of the type of combustion equpmentI Key words biomass densification briquetting fuel influencing factors relax density durability中国煤化工CNMHG