影响生物质压缩成型的主要因素有:原料种类、含水率、粒度、成型压力、压缩成型模具的形状尺寸及加热温度等。这些影响因素在不同的燕缩成型条件下的表现形式也不尽相同。
1.原料的种类 不同种类的原料,其压缩成型的特性有很大差异。原料的种类不但影响成型的质量,如成型块的密度、强度、热值等,而且影响成型机的产量及动力消耗。
2.原料的粒度 原料粒度大小也是影响压缩成型的重要因素。对于某一确定的成型方式,原料的粒度大小不应大于某一尺寸。如:对于直径为6mm的颗粒成型原料,通常要求原料的粒度不大于5mm。一般来说,粒度小的原料容易压缩粒度大的原料较难于压缩。这种倾向在要求原料粒度较小的成型方式条件下较为明显。
原料的粒度同样影响成型机的效率及成型物的质量。例如原料的粒度较大时,成型机将不能有效的工作,能耗大、产量小。原料粒度不均匀,特别是形态差异较大时,成型物表面将产生裂纹、密度、强度降低。但对有些成型方式,如冲压成型时,要求原料有较大的尺寸或较大的纤维,原料粒度小反而容易产生脱落。
3.原料的含水率 原料的含水率是生物质压缩成型过程中需要控制的一个重要参数。原料的含水率过高或过低都不能很好的成型。例如:对于颗粒成型原料,一般要求原料的含水率在15%~25%wb左右,对于棒状的成型原料,要求原料的含水率不大于10%wb左右。
4.成型压力与模具尺寸 成型压力是植物材料压缩成型最基本的条件。只有足够的压力,原材料才能被压缩成型。但成型压力与模具的形状尺寸有密切的关系。实验证明党压力较小时,密度随压力增加而增加的幅度较大,当压力增加到一定值以后,成型物密度的增加就变得缓慢。
5.加热温度 加热温度也是影响压缩成型的一个显著因素。通过加热,一方面可使原料中含有的木质素软化,起到粘结剂的作用,另一方面还可以使原料本身变软,变得容易压缩。
此外,加热温度还会影响成型机的工作效率。温度过低,不但不能成型,而且功耗增加;温度过高,电机功耗减小,但成型机压力减小,成型物挤压不实,密度变小,容易断裂破损。
有些成型方式,如颗粒燃料成型机,虽然没有外热源加热,但在成型过程中,原料和机器部件之间的摩擦作用也可将原料加热到100℃,同样可使原料所含木质素软化,起到粘结剂作用。
是工业生产和日常生活中使用的最基本的能源之一.近年来由于需求量的增加,林业部门为保护森林资源和生态平衡,禁止乱砍滥伐、成材烧炭,使供需矛盾日趋紧张.在科学发展的今天,人们开发了凡是含有纤维素、半纤维素、木素等的一切生物质,经过一系列的工艺过程,都可以生产出木炭类新能源的技术.国外许多发达国家将生物质视作对环境和社会有好处的能源资源,加快了生物质能源产品进程.到2050年,生物质将为世界提供1/5的电力和2/5直接使用的燃料.我国每年林业枝丫材及锯材废弃物锯末、木屑、刨花等约2亿t,农作物秸杆约为7亿t.这些都是生产生物质炭的资源.生物质炭又称“人造炭”,在国外早已广泛应用.美国应用锯末炭冶炼特种合金钢,因为该炭中含有极少量的对金属有害的硫、磷等元素,韩国有用锯末炭烧家庭专用采暖锅炉,香港、日本、台湾等用人造炭于烧烤等饮食业.生物质炭与木炭相比,具有以下优点:①代替木材烧制的炭,保护森林资源,维持生态平衡.②以废弃物为原料,变废为宝,化害为利,综合利用,减轻对环境的污染.③原料取之不尽,用之不竭,年复一年生长,廉价甚至无价.④热值高,放热时间长.⑤无毒、无味、无烟.
1 炭化技术与设备根据中药炭化原理和木材热解原理,炭化是在不通空气的情况下加热到高温使被炭化物发生物理化学变化的过程,而生物质制炭与木材制炭的过程相同,即原料→干燥→制棒→炭化→成品炭.笔者研制的生物质炭化技术及设备〔1,2〕,是将松散的生物质加锯末、刨花、木粉、玉米芯、瓜子皮、稻壳等原料,利用压缩成型制棒机,压缩成外径为50~65mm,长度为30~50cm,内径为12~15mm的中空的燃料棒,送入真空式炭化窑内进行升温、炭化、锻烧、冷却等过程,最后生产出质量能为3.16~3.36kJ/kg的生物质炭.在炭化过程中,被炭化物的含水量、长度、直径、窑中升温速度、加热时间、炭化温度等一系列因素,均与炭化物的质量能、灰分、挥发分、固定碳含量及热分解产物:木焦油、木醋液、醇、酮、醛、酯等馏出物有关.因此,可根据是以炭为主产品还是以馏出物为主产品的产品方案,来调正炭化过程中的各种操作数据〔3〕.在生产中,对锯末、刨花、玉米芯、稻壳等原料的各种数据见表1.炭化设备可以在原材料产地如锯木厂、林场、农村等地就地设计、施工.设备型式可以是方型室式、长方型室式、圆筒式等.材质可以是砖、耐火砖、钢板等,炭化温度为400~800℃,炭化时间为4~6h.炭化需用的能源为生物质棒和炭化过程中产生的木煤气等气体.
2 生物质炭的开发前景生物质作为能源资源是最有发展潜力的,不管从环境角度,还是从社会持续发展的角度,改变传统的生物质能源的使用方式,将是建立永续能源结构的战略举措.美国、瑞典、奥地利等国生物质转型的能源用量日益增长,在国家总能耗中分别达到4%,16%,10%.1992年美国约有1000个燃生物质电厂,日本有560多家工厂,生物质炭产量40万t左右.我国生物质转型优化技术也取得了很大的进步,海口市建成2万t/a生物质燃料厂.一些省市都能生产压缩生物质的成型机,并进一步生产生物质炭.生物质热解,气化发电装置以及农村使用的热解木煤气供气站等工厂,已分别在广州、烟台、恒台等地建成.生物质能源属于清洁能源,是可再生的,在全球能源构成中占有重要的地位,发展生物质能源及其转型优化能源技术,有可能替代化石能源,也是减少大气CO2排放,支持农业生产、保护自然环境和生态平衡的有效措施〔4〕.我国是农业大国,开发与利用生物质转型优化能源技术的市场潜力很大,在现有的技术条件下,生物质气化、液化、固化技术.将会随着能源的日趋紧张而加大开发及应用的进程.在世界能源的结构中,成为继煤、石油、天燃气之后的第四大能源.