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      以玉米秸稈為原料擠出生物質(zhì)顆粒燃料的研究 木屑顆粒機|秸稈顆粒機|秸稈壓塊機|木屑制粒機|生物質(zhì)顆粒機|富通新能源 / 15-07-22

      摘要:對不同情況下以玉米秸稈為原料經(jīng)過秸稈顆粒機擠出生物質(zhì)顆粒燃料的技術(shù)進行了研究,通過對玉米秸稈在不同顆粒機環(huán)模壓縮比下的顆粒密度,不同粒度玉米秸稈在同一環(huán)模下的成型狀況以及不同含水率玉米秸稈在同一環(huán)模下的成型狀況進行試驗,篩選出顆粒成型的最佳條件。
      關(guān)鍵詞:玉米秸稈;生物質(zhì)能;顆粒燃料;可再生能源
      0、引言
          我國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源十分豐富。目前我國農(nóng)作物秸稈年總產(chǎn)量約7億t,是豐富的生物質(zhì)能資源,但由于技術(shù)和意識的缺乏,大量農(nóng)作物秸稈未能充分利用,有的露天燃燒,有的直接排入自然環(huán)境,不僅造成了巨大的資源浪費,而且導致了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)平衡的破壞。利用各種農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化技術(shù)將其轉(zhuǎn)化成高效、潔凈、高品位的能源及其他有益的資源,不僅可以提高我國的能源儲備,有利于我國經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展,還可以減少環(huán)境污染,因此具有重要戰(zhàn)略意義。
          生物質(zhì)作為能源利用已有相當長的歷史,而顆粒燃料始于20世紀70年代的美國和加拿大,90年代初發(fā)展于歐洲。尤其是瑞典、丹麥和奧地利對生物質(zhì)能的開發(fā)利用最普遍。1996年瑞典議會通過議案逐步淘汰核電,而以生物質(zhì)顆粒燃料發(fā)電替代,其2001年生物質(zhì)顆粒燃料產(chǎn)值達7 000萬歐元,F(xiàn)在很多國家致力于生物質(zhì)能的開發(fā)利用,歐洲各國都在商討如何加大力度利用生物質(zhì)顆粒燃料,顆粒燃料是一種最具潛力的替代固體燃料用于供暖和發(fā)電的新興能源,秸稈顆粒機壓制的玉米秸稈顆粒燃料小麥秸稈顆粒燃料如下所示:
      1、原料玉米秸稈生物質(zhì)顆粒燃料小麥秸稈顆粒燃料此次試驗采用玉米秸稈為原料,因為玉米秸稈在我國產(chǎn)量大、分布廣,具有普遍性。玉米秸稈的生物質(zhì)成分見表1。玉米秸稈發(fā)熱量是15.55kj/g。
      表1 玉米秸稈生物質(zhì)成分 %
      水分 灰分 揮發(fā)份 固定碳
      4.87 5.93 71.45 17.75 5.45 42.17 0.12 0.74 2.60 13.8
      2、原理
      2.1顆粒燃料成型機理
          構(gòu)成生物質(zhì)的主要物質(zhì)形態(tài)為不同粒徑的粒子,粒子在壓縮過程中表現(xiàn)出的充填特性、流動特性和壓縮特性對生物質(zhì)的壓縮成型有很大的影響。通常生物質(zhì)壓縮成型分為兩個階段。第一階段,在壓縮初期,較低的壓力傳遞至生物質(zhì)顆粒中,使原先松散堆積的固體顆粒排列結(jié)構(gòu)開始改變,生物質(zhì)內(nèi)部空隙率減少。第二階段,當壓力逐漸增大時,生物質(zhì)大顆粒在壓力作用下破裂,變成更加細小的粒子,并發(fā)生變形或塑性流動,粒子開始充填空隙,粒子間更加緊密地接觸而互相嚙合,一部分殘余應(yīng)力貯存于成型塊內(nèi)部,使粒子間結(jié)合更牢固。壓力、含水率及粒徑是影響粒子在壓縮過程中發(fā)生變化的主要因素。
      2.2顆粒機工作機理
          顆粒機是用來生產(chǎn)顆粒燃料的主要設(shè)備,靠壓輥和環(huán)模對原料進行擠壓來生產(chǎn)顆粒燃料。電動機帶動環(huán)模旋轉(zhuǎn),由進入環(huán)模上的物料帶動壓輥轉(zhuǎn)動,當物料被強制喂料器送人工作區(qū)內(nèi)時,隨著模和輥的轉(zhuǎn)動,壓輥前的物料被擠入壓縮區(qū)。物料在壓縮區(qū)被擠壓,物料之間的空隙急速縮小,物料內(nèi)部壓力及密度增大,物料的彈性變形轉(zhuǎn)為塑性變形,達到一定密度的物料被壓入?,經(jīng)過一定時間保壓,擠出模孔外,形成顆粒,如圖2所示。
      3、工藝流程與設(shè)備
      3.1試驗設(shè)備
          遼寧省能源研究所研制的生物質(zhì)顆粒燃料設(shè)備系統(tǒng),由上料部分、制粒部分、冷卻部分、成品包裝和除塵部分組成。結(jié)構(gòu)合理,運行穩(wěn)定。
      4、結(jié)果與分析
      4.1玉米秸稈在不同壓縮比環(huán)模中成型分析
          玉米秸稈的成型隨著環(huán)模壓縮比的加大,顆粒密度增大,能耗增加,產(chǎn)量提高,當達到一定壓縮比時,成型顆粒的密度增加較小,能耗相應(yīng)增加,而產(chǎn)量卻有所下降,如圖4和表2。
      表2 玉米秸稈在不同環(huán)模壓縮比中成型的測試及計算結(jié)果
      壓縮比 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
      密度/kg·m-3 0.92 1.08 1.200 1.22 1.21
      產(chǎn)量/kg·h-1 500 780 900 810 650
      能耗/kwh·t-1 64.00 46.15 46.67 54.32 72.31
          這些結(jié)果均符合壓縮過程中壓力與密度的指數(shù)關(guān)系形式,即:P =Aeu式中:A、6均為經(jīng)驗常數(shù);P為壓力,MPa;r為密度,kg·m-3。
          同一種原料在不同壓縮比環(huán)模中成型,顆粒燃料的密度隨壓縮比增大而逐漸增大,并在一定壓縮比范圍內(nèi)密度保持相對穩(wěn)定,當壓縮比增大到一定程度時,原料會因為壓力過大造成出料不暢而不能成型。
          根據(jù)這一理論依據(jù),對于同一種物料,為獲得較大的顆粒密度,應(yīng)設(shè)計采用較大的環(huán)模壓縮比。
          因而用玉米秸稈作原料進行顆粒燃料的生產(chǎn),采用壓縮比為4.5的環(huán)模即可滿足顆粒燃料的質(zhì)量要求,同時保證設(shè)備系統(tǒng)能耗相對較低。
      4.2玉米秸稈在相同環(huán)模中不同粒度成型分析
          由表3可看出,隨著玉米秸稈原料粒度的增大,成型顆粒密度逐漸減小,當原料粒度大于10mm時成型效果極差,甚至不成型,但原料粒度太小也會影響顆粒密度。
          表3 原料在不同粒度范圍內(nèi)成型顆粒燃料測試結(jié)果
      粒度范圍/mm 0~1 1~5 5~10 10以上
      密度/kg·m-3 1.15 1.23 1.02 0.80
          這是因為生物質(zhì)原料壓縮成型時粒子以相互嚙合的形式結(jié)合,粒子層之間以相互貼合的形式結(jié)合。構(gòu)成成型塊的粒子越細小,粒子間充填程度就越高,接觸越緊密;當粒子的粒度小到一定程度(幾百至幾微米)后,成型塊內(nèi)部的結(jié)合力方式和主次甚至也會發(fā)生變化,粒子間的分子引力、靜電引力和液相附著力(毛細管力)開始上升為主導地位。
          因而,玉米秸稈這一類生物質(zhì)作原料進行顆粒燃料的生產(chǎn),粒度范圍保持在0~5mm較為適宜,最佳為1~5mm。
      4.3不同水分玉米秸稈在相同環(huán)模中成型情況
          選擇壓縮比4.5的環(huán)模研究原料含水率與顆粒密度的關(guān)系,可看出隨著原料含水率的增加,成型顆粒燃料的密度隨之增大,當達到一定的適宜含水率范圍內(nèi)時,顆粒燃料的密度達到最大并保持相對穩(wěn)定,當原料的含水率增加到一定程度后,顆料燃料的密度開始下降,最終導致不成型。
          在生物機體內(nèi)存在的適量結(jié)合水和自由水是一種潤滑劑,使粒子間的內(nèi)摩擦變小,流動性增強,從而促進粒子在壓力作用下滑動而嵌合。當生物質(zhì)原料的含水量過低時,粒子得不到充分延展,與四周的粒子結(jié)合不夠緊密,所以不能成型;當含水率過高時,粒子盡管在垂直于最大主應(yīng)力方向上充分延展,粒子間能夠嚙合,但由于原料中較多的水分被擠出后,分布于粒子層之間,使得粒子層間不能緊密貼合,因而不能成型。
          因此,玉米秸稈這類生物質(zhì)作原料進行顆粒燃料的生產(chǎn),原料的含水率范圍保持在12%~18%的范圍內(nèi)較為適宜,最佳含水率為15%。
      4、結(jié)論
          研究結(jié)果表明,利用玉米秸稈擠出生物質(zhì)顆粒燃料是可行的,在壓縮比為4.5的環(huán)模,玉米秸稈粒度范圍保持在1~5mm,含水率保持在12%~18%的范圍內(nèi)時效果最好,這時顆粒密度、產(chǎn)量最大且能耗較小。同時,對玉米秸稈擠出生物質(zhì)顆粒燃料的成型機理也進行了研究,確定了合適的設(shè)備系統(tǒng),并研究了生物質(zhì)顆粒燃料成型的變化規(guī)律,為下一步大規(guī)模利用玉米秸稈生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒燃料奠定了基礎(chǔ)。
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