关于生物质颗粒燃料制备的优化分析

关于生物质颗粒燃料制备的优化分析

刘普杰

（广东粤电湛江生物质发电有限公司广东湛江524300）

摘要：生物质颗粒燃料是在一定温度和压力作用下，利用木质素充当粘合剂，将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、块状或颗粒状等成型燃料。生物能源技术也受到世界各国政府与科学家的关注。本文通过对生物质颗粒燃料固化成型的影响因素进行讨论，并进一步以桉树皮为例，对桉树皮制备颗粒燃料的要点进行研究。

关键词：固化成型；生物质颗粒燃料；桉树皮

一、生物质颗粒燃料固化成型工艺

生物质颗粒燃料的固化成型工艺主要有“热压缩”和“冷压缩”颗粒成型技术。“热压缩”颗粒成型技术是在200℃左右温度下，木质素释放胶性物质形成一种粘结作用，同时通过高压挤压，将生物质粉末粘合在一起形成固化颗粒。“冷压缩”颗粒成型技术是一种物理压实的方法，是在常温条件下下，通过磨具的循环推挤，生物质粉末内部的纤维结构相互镶嵌包裹而形成颗粒。“冷压缩”技术工艺流程相对简单，只需要经过粉碎和压缩两个步骤，较“热压缩”技术相比，不仅设备系统简单，对压缩原料的要求及加工能耗也大大降低，得到了很好的推广和应用。

二、生物质颗粒燃料固化成型的影响因素

目前为止，我国在生物质颗粒燃料固化成型影响因素方面的研究主要集中在几下几方面：①含水率：原料中含有适量的水分有助于木质素的软化及塑化，而水分含量过高或过低都不利于原料的成型。如对于颗粒成型燃料一般要求生物质原料的含水率在10%～20%。②颗粒物形状：压制成型后的生物质成型燃料形状一般分为颗粒状和块状两种类型，其参数如表1所示。③温度：适当的温度环境，一方面有利于原料中的木质素变软，起到粘结剂的作用，另一方面有利于原料本身变软，容易压缩。“热压缩”生物质成型技术就是利用了温度因素，使木质素释放出胶质物，有利于压缩成型。压缩过程中，出料的形状及尺寸确定后，加热温度就应随之调整到一个合理的范围。④原料种类：木材原料由于在压力作用下变形较小，“冷压缩”条件下一般较难成型。但木料中木质素含量较高，在高温下易软化能起粘结作用，因此在“热压缩”条件下易于成型。纤维状的植物秸秆在压力作用下变形较大，常温条件下较容易压缩。但由于植物秸秆粘结能力弱，因此在“热压缩”条件下反而不易成型。此外，不同的原材料形成的生物质成型燃料的特性也不近相同，如表2所示。

三、桉树皮制备颗粒燃料的成型技术要点

某试验采用YBZL600压辊式环模生物质颗粒燃料成型机制样，以桉树皮为试验对象，通过振动筛筛选控制原料颗粒大小，通过烘干或调湿处理控制原料的含水率，并适当添加粘结剂等，观察成型效率的变化，并对成型的颗粒燃料进行相关性能测试。

1.环模孔长径比和粘结剂添加量。桉树属于木本植物，内部结构坚硬，需要较大的压力才能压制成型。该实验显示：当环模孔长径比为5.5：1时，桉树皮可以有效的压制成型，颗粒燃料的成型率可达到97%；当环模孔长径比低于4.5:1时，颗粒成型率迅速下降到87%左右。生物质原料中纤维素、半纤维素以及木质素这3组分含量的差异是影响其成型压力的最主要因素，木质素、半纤维素含量越高和纤维素含量越低，颗粒成型时所需的压力就越小。此外，在环模孔长径比为4.5:1时，在桉树皮中添加2%或5%的粘结剂后，其成型率由87%左右增加至92%或94%左右，这说明添加少量粘结剂就可以使生物质原料在更低的环模孔长径比条件下成型，减小环模磨损，对节约生产成本具有重要意义。

2.原料颗粒大小。在原料颗粒小于4mm条件下，桉树皮的颗粒成型率均高于90%，说明较小的颗粒有利于压制成型。但当原料颗粒由3mm减少至2mm，颗粒成型率出现轻微下降。因为在压制成型过程中，半纤维素和木质素可以发生软化流动，而纤维素却能够保持其硬的、细长的纤维状不变，从而形成一个以木质素、半纤维素胶结纤维素的网状骨架微结构，在一定的粒度范围内，相对较长的纤维素颗粒可以增加网络骨架的支撑力，形成韧性、强度更好的颗粒燃料。总体上，当桉树皮的颗粒大小为4～6mm时，其成型效率均大于90%。

3.原料颗含水率。桉树皮原料在含水率控制在16%～20%的条件下时，颗粒方能有效成型。当原料含水率降低至16%以下时，成型率急速下降。如含水率在（12±0.5）%时，成型率为48%左右，其成型过程中容易吸收空气中的水分，导致颗粒成型燃料膨胀变形、松弛开裂；含水率高于20%时，成型率同样急速下降，其成型过程中，多余的水分被蒸发、汽化而产生大量蒸汽，若蒸汽不能及时从成型机中排出，易导致颗粒成型燃料体积膨胀，占据空间增大，形成气堵，造成机器卡死。

4.颗粒燃料产品质量。桉树皮制备的颗粒燃料其密度≥1.1g/cm３，机械耐久性≥95%，颗粒燃料的灰分≤3%，低位热值均≥4100kcal/kg，其在试验条件下可充分的燃烧，发热量达到了欧洲生物质颗粒燃料行业标准要求。在实际生产过程中，要充分考虑生物质原料的成型难易程度和生产成本，其中环模孔长径比决定原料的成型压力和压缩比，是影响原料成型效率的重要因素。环模孔长径比越大，原料成型过程中受到的压力越大，成型率越高，但耗电量也大幅提高，同时成型耗时长，对环模损耗大。通过添加适量的粘结剂可以使生物质原料在更低的环模孔长径比条件下成型，使生物质颗粒燃料更具市场竞争力。该试验所用粘结剂的主要成分为木质素，可以充当压制成型时生物质颗粒的塑化剂，增加颗粒燃料间的粘结力，改善成型效果。此外，原料的含水率是影响颗粒成型率的另一大关键因素，适量存在的水分子可以使原料颗粒间的内摩擦变小，流动性增强，从而促进原料颗粒在压力作用下滑动而嵌合，形成坚韧的颗粒燃料。

四、小结

总之，生物质颗粒燃料是继煤炭、石油、天然气之后的第四大能源，是可取代矿产能源的可再生资源，是未来一个重点发展方向。本文主要通过对生物质颗粒燃料固化成型的影响因素进行讨论，并进一步以桉树皮为例，对桉树皮制备颗粒燃料的要点进行研究。希望能为今后的相关工作提供参考。

参考文献

【1】张宝心，姜月，温懋，等．生物质成型燃料产业研究现状及发展分析[J].能源与节能，2015．

【2】刘延春，张英楠，刘明，等．生物质固化成型技术研究进展[J].世界林业研究，2008，21．

【3】陈喜龙，谭跃辉等.《我国生物质颗粒燃料推广应用中存在的问题与发展对策》[J].2005，(01).

【4】王翠苹,李定凯等.生物质成型颗粒燃料燃烧特性的试验研究[J].农业工程学报,2006(10).