第二章 生物质压缩成型技术

生物质固体成型燃料的应用
家庭炊事，取暖用能 工业锅炉和电厂的燃料 替代煤、天然气、燃料油等 化石能源
生物质压缩成型技术分类
常温湿压成型
棒状成型 按成型物形状 颗粒状成型 圆柱状成型 按广义分
热压成型（最普遍）
炭化成型 冷压成型 固体成型
生物质压缩成型技术的发展 国外发展状况（自学）
我国发展状况（自学）
生物质压缩成型的粒子特性
构成生物质成型块的主要物质形态为不同粒径的粒子，粒子在 压缩过程中表现出的充填特性、流动特性和压缩特性对生物质 的压缩成型有很大影响。
生物质压缩通常分为两个阶段
压力逐渐增大时，生物质大颗粒在压 力作用下破裂，变成更加细小的粒子， 压缩初期，较低的压力传递至生物质 发生变形或塑性流动，粒子开始填充 颗粒中，使原先松散堆积的固体颗粒 排列结构开始改变，内部空隙率减少。 空隙，粒子间更加紧密地接触，一部 分参与应力储存于成型块内部，使粒 子间结合更牢固。
2. 燃烧不均匀、不完全
3. CO、PM10、PM2.5排放多
PM，英文全称为particulate matter(颗粒物）。PM2.5是指大气中直径 小于或等于2.5微米的颗粒物
PM2.5在显微镜下的样貌
压缩生物质的特点
密度可达1.1~1.4 t/m3 能量密度与中质煤相当 燃烧特性明显改善，火力持久、黑烟少，炉膛温度高 便于运输和储存 可替代薪柴和煤作为生活及生产用的能源 成型燃料经炭化后变为机制木炭，商业价值和市场良好
2.2 生物质压缩成型原理
纤维素：加热到约150 oC时不发生显 著变化，超过此温度会由于脱水而逐 渐焦化。
半纤维素：热解一般发生在200~300 oC ，在高温区域，木聚糖热解产物大 部分是挥发分和焦炭，焦炭产量约 10~20%。 木质素：100 oC开始软化，160 oC开始 熔融形成胶体物质。
挥发分燃烧完毕，剩余的焦炭骨架结构紧密，运动的气流不能 使骨架悬浮，骨架保持层状燃烧，形成层状燃烧核心。这是炭 燃烧所需的氧气与静态渗透扩散的氧相当，燃烧稳定、完全， 减小了能量及热损失。
2.6生物质压缩成型应用实例
生物砖料是以第二次石油危机为契机，由日本北海道开发 的，作为煤油的代替燃料，以煤（75%）、生物质（25%） 相混合，不使用黏结剂，高压形成的复合固体燃料。
连续
60
间断
50
燃烧性能
均匀性
非常好
均匀
一般
不均匀
压辊式成型机主要用于生产颗粒状成型燃料。压辊式成型机的基本工作部件由压 辊和平模组成，其中压辊可以绕自己的轴转动，压辊的外刷加工有齿或槽，用于 压紧原料而不致打滑。平模上加工有成型孔，原料进入压辊和环模之间，在压辊 的作用下被压入成型孔内。从成型孔内压出的原料就变成园柱形或棱柱形。
成型压力的影响
常温成型，在比较大的压力下，可以获得密度高的成型燃料。
对于环模压缩，由于难以测量成型压力，一般以压缩比大小来 表示成型压力的相对大小。 压缩比增大，燃料密度增加
一般情况，压力较小时，密度随压力增加 而增加的幅度较大，而压力增大到一定值 以后，成型块的密度增加变得缓慢。
压力和密度的关系：P=crm
2.3 生物质压缩成型的主要影响因素
原料种类的影响 原料含水率的影响
原料粒度的影响
成型压力的影响 温度的影响
原料种类的影响
原料的种类不但影响成型质量，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。 木 材
难于压缩，即在压 力作用下变形较小
植（ 物秸 纤秆 维）
易于压缩，即在压 力作用下变形较大
生活中的活塞挤压
古法榨油
螺旋挤压式和活塞冲压式两者的技术对比
参数 原料最佳含水率 /% 接触部位磨损 螺旋挤压式 活塞冲压式 参数 密度/ （t/m3） 维护费 螺旋挤压式 活塞冲压式
8～ 9
10～15
1～1.4
低
1～1.2
高
在螺旋处有 活塞和模有 较大的磨损 轻度磨损
工作方式
动力消耗/[（ kW〃h）/t]
原料含水率的影响
无论是颗粒燃料还是块状燃料，含水率严重影响常温成型产品 质量和产量。
适宜的含水率一般在12~18%，最佳含水率在15%左右。 含水率小于15%，燃料密度随含水率的增加呈增大趋势， 含水率大于15%，燃料密度快速下降，成型块表面有裂 纹，甚至不能成型。
原料 木屑 秸秆
含水率/%
4 不成型 不成型 6 成型 成型 8 成型 成型 10 成型 成型 12 成型 成型 14 不成型 不成型
冷压缩成型工艺
在常温下，将生物质颗粒通过特殊的挤压方式成型的过程。 其黏结力主要是靠挤压过程所产生的热量，是生物质中的 木质素产生塑化黏接。黏结剂的选择至关重要。 对原料含水率要求不高。 颗粒成型机理不同，冷压缩技术的工艺只需要粉碎和压缩 两个环节。
特点： 与热压缩相比，冷压缩一般需要的压力特别大，但具有原 料适用性广，设备系统简单、体积小、质量轻、价格低、 可移动性强、颗粒成型能耗低、成本低等优点。
c,m为经验常数，适用于1~2MPa
温度的影响
可使原料中含有的木质素软化，起到 黏结剂的作用。 加热的作用
使原料本身变软，变得容易压缩。
温度过低，传入套筒的热量少，不足以使原料中的木质素塑化， 加大原料与套筒之间的摩擦，无法成型；温度过高，原料分解 严重，输送过快，不能形成有效压力，无法成型。
原料 木屑 秸秆 温度/oC 180 不成型 不成型 200 不成型 不成型 220 240 260 成型快 成型快 280 不成型 表面炭化
压 辊 挤 压 式 成 型 机
平模颗粒成型机结构示意图
生活中的平模成型
压辊式环模成型机
生物质成型套筒
炭化成型工艺
（1）先成型后炭化工艺
原料 粉碎 干燥 成型 炭化
冷却 包装
（2）先炭化后成型工艺 原料 成品 干燥
粉碎 除杂
包装
炭化
混合黏 结剂
挤压 成型
炭化成型工艺的特点：
炭化过程高分子组分受热裂解转化成炭， 并释放出挥发分，因而其挤压加工性能得到 改善，功率消耗也明显下降。 炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状 的能力较差，故成型时一般都要加入一定量 的黏结剂。
2.5 生物质成型燃料的性能指标
1. 生物质成型燃源自文库的物理特性
（直接决定成型燃料的使用要求、运输要求和收藏条件）
松弛密度 耐久性
2. 生物质成型燃料的燃烧特性
生物质成型燃料的物理特性
（1）松弛密度 生物质成型块在出模后，由于弹性变形和应力松弛，其压缩密 度逐渐减小，一定时间后密度趋于稳定，此时成型块的密度成 为松弛密度。
压缩成型工艺过程
原 料
干 燥
成 型
利 用
炭 化
木 炭
压缩成型的原理
用成型机将松散的生物质原料在高压条 件下，依靠机械与生物质之间及其生物 质相互之间摩擦产生的热量或外部加热， 使木质素软化，经压缩成型得到具有一 定形状和规格的新型燃料。
生物质压缩成型的黏结机制
生物质成型块的品质受到诸多因素影响 ----根本上影响或制约着成型块内部的黏结方式和黏结力大小， 造成成型块物理品质的差异。 1962年，德国Rumpf，黏结力类型和黏结方式分类： 固体颗粒桥接或架桥 非自由移动黏结剂作用的黏结力 自由移动液体的表面张力和毛细压力 离子键的分子吸引力（范德华力）或静电引力 固体粒子间的充填和嵌合
生物质资源转化与利用
第二章 生物质压缩成型技术
物理化学法
压缩成型
直接燃烧
固体燃料
燃烧供热、木炭
高压蒸汽、热气流 直接液化
燃料油、化工原料
生 物 质
液化
热化学法 气化 热裂解 微生物法 生物化学法 发酵
间接液化 共液化
氢气、木煤气
甲醇、柴油、二 甲醚、氢气
化学品、液体燃料
木炭、生物油、木煤气、醋液
氢气
松弛密度比模内的最终压缩密度小，通常采用无量纲参数---松弛比，即模 内物料的最大压缩密度与松弛密度的比值描述成型块的松弛密度。 影响因素：生物质的含水率、组成成分。
提 高 松 弛 密 度
采用适宜的压缩时间，控制成型块在模具内 的应力松弛和弹性变形，阻止成型块出模后 压缩密度的减小趋势。
生物质粉碎尽可能减小粒度，适当提高生物质 压缩成型的压力、温度或添加黏结剂，最大限 度降低成型块内部的空隙率，增强结合力。
生物质成型燃料的燃烧特性
生物质成型燃料密度较大，挥发分的溢出速度和传热速度都比 生物质大大降低。 燃烧开始时，挥发分慢慢分解，燃烧处于动力区，随着挥发分 燃烧逐渐进入过渡区和扩散区，燃烧速度适中，能够使挥发分 放出的热量及时传递给受热面，排烟热损失低。同时，挥发燃 烧所需的氧与外界扩散的氧匹配较好，挥发分燃烧完全，能量 损失和排烟热损失小。
生物质压缩成型的电势特性
根据传统的动电学理论，一旦固体颗粒与液体接触，在固体颗 粒表面会发生电荷的优先吸附现象，这使固相表面带电荷，与 固体表面接触的周围液体会形成相反电荷的扩散层，构成了双 电层。
固体颗粒表面和液体内部的电势差，F（电势） 对生物质颗粒的压缩成型起排斥作用。减小F，可少加或 不加黏结剂情况下，提高成型块强度。
螺旋挤压式成型机是最早研制生产的热压成型机，其原理是利用螺杆 输送推进和挤压生物质。加热器加温时由温控器自动控制在设定的温 度值。这类成型机具有运行平稳、生产连续、所产成型棒易燃等特性。 其主要技术问题是成型部件磨损严重，使用寿命短，单位产品能耗高。
螺 旋 挤 压 式 成 型 机
生活中的螺旋挤压
沼气、乙醇
2.1 生物质压缩成型技术的基本概 念和发展
为什么要 固化成型？
压缩成型（固化成型）
生物质压缩成型技术的概念
在一定温度和压力作用下，利用木质素充当黏合剂， 将松散的秸秆、树枝和木屑等农林生物质压缩成棒状、 块状或颗粒状的成型燃料。
木质素（碱性）
木质素纤维
传统生物质利用的特点
1. 燃烧效率低（15~20%）
原料含水率的影响，对比生活中的和面
水太少
水太多
水适中
原料粒度的影响
对于某一确定的成型方式，原料的粒度大小应不大于某一尺寸。
粒度小 粒度大 延伸率或变形率大 延伸率或变形率大小 容易压缩 难压缩
原料粒度影响成型机的效率和成型物的质量 原料粒度较大 原料粒度不均匀 特殊：冲压成型 成型机不能有效地工作，能耗大，产量小 表面将产生裂纹，密度和强度降低 要求粒度较大，粒度较小容易脱落
秸秆成型燃料是生物质经脱水、粉碎、成型等程序制备成 的致密固体燃料。
1吨蒸汽锅炉所用各种常规燃料能耗费用对比表
燃料名称 热值(kCal) 柴油(kg) 10200 天然气(M3) 8500 电(kwh) 860 生物质颗粒燃料(kg) 4400±100
燃料价格(元)
每吨蒸汽能耗 每吨蒸汽费用(元)
活塞挤压式成型机中原料的成型是靠柱塞的往复运动实现的。利用外力， 通过曲柄连杆机构，带动柱塞。将松散的生物质挤压成生物质成型块。
活 塞 挤 压 式 成 型 机
与螺旋挤压式成型机相比，由于改变了成型部件与原料的作用方式，改善了成型 部件磨损严重的现象，其使用寿命有所提高，单位产品能耗也有下降，但由于机 械驱动柱塞式成型机存在较大的振动负荷，易造成机器运行稳定性差，噪音较大。
成型缓慢 成型较快 成型缓慢 成型较快
2.4 生物质压缩成型工艺技术
热压缩
螺旋挤压 成型技术 压缩成型工艺类型
活塞挤 压技术
压辊式成型技术
工作原理：采用压轮和模具之间挤压力摩擦力相互作用原理， 使物料获得成型。物料在加工过程中无需加入任何添加剂或 粘结剂。 对成型前粉料含水率有严格要求，8~12%。
某些有机化合物可以作为添加剂，中和F电势，例如聚环氧乙烷。
生物质压缩成型的化学成分因素
生物质的组织结构和组成成分不同造成生物质成型块的物理品 质出现较大差异。 主要成分：纤维素、半纤维素、木质素 其他成分：单宁、果胶质、萃取物、色素、灰分 木质素：最好的内在黏结剂 水分可降低木质素的玻璃化转变温度，使生物质在较低 温度下成型 其他黏结剂：腐殖质、树脂、蜡质等
造成松弛的原因之一，参考弹性形变
（2）耐久性 反映成型块的黏结性能，是由成型块的压缩条件及松弛密度决 定的。 耐久性体现在成型块的不同使用性能和储藏性能方面，具体细 化为： 抗变形性----采用强度试验测量其拉伸强度和剪切强度，用失效 载荷值表示成型块的强度； 抗跌（滚）碎性----用跌落试验和翻滚试验或冲击试验来检验； 抗渗水性----计算成型块在一定时间内进入水中的吸水率，或记 录成型块在水中完全剥落分解的时间； 抗吸湿性