生物质压缩成型技术

生物质压缩成型技术
一、生物质压缩成型的基本成型原理
生物质压缩成型技术是指具有一定粒度的农林废弃物，如锯屑、稻壳、树枝、秸秆等，干燥后在一定的压力作用下（加热或不加热），可连续压制成棒状、粒状、块状等各种成型燃料的加工工艺，有些压缩成型技术还需要加入一定的添加剂或粘结剂。

一般生物压缩成型主要是利用木质素的胶黏作用。

农林废弃物主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，木质素为光合作用形成的天然聚合体，具有复杂的三维结构，是高分子物质，在植物中含量约为15%~30%。

当温度达到70~100℃，木质素开始软化，并有一定的黏度。

当达到200~300℃时，呈熔融状，黏度变高。

此时若施加一定的外力，可使它与纤维素紧密粘结，使植物体积大量减少，密度显著增加，取消外力后，由于非弹性的纤维分子间的相互缠绕，其仍能保持给定形状，冷却后强度进一步增加，成为燃料。

二、生物成型技术的国内外研究现状
生物质压缩成型技术的研究始于本世纪40年代。

其中规模较大的开发利用是在八十年代以后。

由于出现石油危机，石油价格上涨，西欧、美国的木材加工厂提出用木材实现能源自给，因此，生物质压缩技术发展的很快，在很多国家成为一种产业。

美国早在上世纪30年代就开始研究压缩成型燃料技术，并研制了螺旋式成型机，在一定的温度和压力下，能把木屑和刨花压缩成固体成型燃料。

日本在50年代从国外引进技术后进行了改进，并发展成了日本压缩成型燃料的工业体系。

法国开始时用秸秆的压缩粒作为奶牛饲料，近年来也开始研究压缩块燃料。

印度队这些技术的研究应用也相当重视。

在我国，这项研究也得到了政府的关注和支持。

近年来，国内科研单位加大了研究的力度，取得了明显的进展。

多个大学与企业联合对生物质成型技术进行了研究。

浙江大学生物机电研究所能源清洁利用国家重点实验室在生物质成性理论、成型燃料技术等方面进行了研究。

国内一些生产颗粒饲料的厂家也开始在原设备的基础上生产生物质致密成型燃料。

河南农业大学农业部可再生能源实验室从1992年开始相继开发生产了液压式、辊压式和螺杆式生物质致密成型机，并以小批量生产，取得了较好的社会效益和经济效益。

三、生物压缩成型技术的分类和特点
根据生物质压缩成型的工艺特性可以将其分为湿压成型、热压成型、碳化成型三种主要形式。

湿压成型室将原料在常温下浸泡数日，使其湿润皱裂并降解，然后利用高压将其水分挤出，压缩成燃料块。

现在已有试验表明，湿压成型的生产率可以达到很高，因此在燃料市场上具有一定的竞争力。

热压成型是目前普遍采用的生物质压缩成型工艺，一般其工艺过程可以分为原料粉碎、干燥混合、挤压成型和冷却包装等几个环节。

由于原料的种类、粒度、含水率等因素对成型工艺过程有一定的影响，所以具体的生产工艺流程也有一定的差别，但是挤压成型都是关键。

碳化成型工艺的基本特征是，将生物质原料碳化或部分碳化，然后再加入一
定量地黏结剂挤压成型。

由于原料纤维素结构在碳化过程中受到破坏，高分子组分受热裂解转化成炭，并放出挥发分，使成型部件的磨损和能耗都明显降低。

但碳化后的原料维持既定形状的能力较差，所以一般都要加入黏结剂。

碳化成型的成型设备一般都比较简单。

四、生物质压缩成型影响因素的研究及结果
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压缩条件下的影响结果也不尽相同。

4.1原料的种类
原料的不同，其压缩成型特性有很大的差异。

如木材废料一般难以压缩，而纤维状的植物秸秆和树皮等容易压缩。

在不加热条件下进行压缩成型时，较难压缩的原料就不易成型，容易压缩的原料则容易成型，但是在加热的条件下进行压缩成型时，象木材废料等虽然难以压缩，但其本身的木素含量高，在高温条件下成型反而容易。

而植物秸秆和树皮等，原料的黏结能力弱，因此不易成型。

4.2原料的粒度
一般，粒度小的原料容易压缩，粒度大的原料较难压缩。

原料的粒度影响成型机的效率及成型物的质量。

粒度较大时，成型机能耗大、产量小，工作的有效率低。

原料粒度不均匀时，成型物密度、强度降低，表面易产生裂纹。

4.3原料的含水率
当原料的含水率过高时，加热过程中产生的蒸汽不能从成型燃料中心孔排出，轻者会造成燃料开裂，表面非常粗糙，重者产生爆鸣；当原料含水率太低时，成型困难。

一般对于颗粒装的成型燃料，要求其含水率子在三分之一左右；对于棒状成型燃料，要求原料的含水率在百分子十左右。

4.4成型压力与模具尺寸
成型压力是生物质原料压缩成型最基本的条件。

只有施加足够的压力，原料才能被压缩成型，但成型压力与模具的形状尺寸有密切关系。

这是因为大多数成型机都采用挤压成型方式，即原料从成型模具的一端连续压入，又从另一端连续挤出，这时原料挤压所需要的成型压力与容器内壁面摩擦力相平衡，而摩擦力的大小与模具的形状尺寸有直接关系。

国内外许多学者研究了生物质压缩力和压缩密度的关系，建立了相应的数学模型。

这些成果都是关于成型压力与压缩密度、压缩量地关系，但是不能估算出最终的压缩密度。

4.5加热温度
通过加热，一方面可使原料中含有的木素软化，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。

对于一般的燃料成型机来说，加热温度过低，不但原料不能成型，而且功耗增加；温度增高，电机功耗减小，导致成型压力减小，成型物挤压不实，密度变小，容易断裂破损，成型燃料表面过热烧焦，烟气较大。

五、生物质压缩成型技术存在的问题和解决方法
生物质压缩成型经过几十年的理论探索和工程实践，虽然克服了生物质资源密度低、可利用半径小等缺点，但是在成型设备、成型原料特性方面存在不少的问题。

5.1成型设备方面的问题
在生物质压缩成型中成型机无疑扮演着重要的角色，虽然成型机目前一定具有一定的规模，但要实现产业化，还有一些技术障碍需要解决。

现在大部分机组可靠性能差，运行不平稳，易损件使用寿命太短，维修和更换不方便。

技术较为成熟的螺旋挤压式成型机的螺杆寿命及其有限，由于物料的压缩是靠螺杆和出料套筒配合完成的，螺杆的几何尺寸和出料套筒配合完成的，螺杆的几何尺寸和出料筒的几何尺寸必须在一定的范围内，才能在较快的挤出速度下获得较大密度的成型燃料。

螺杆是在较高温度和压力下工作的，与物料始终处于干摩擦状态，导致螺杆的磨损非常快。

螺杆磨损到一定程度时，会与出料套筒失去尺寸配合，使成型无法进行。

相对的，比较适宜在液压活塞式和辊压式压缩成型机的基础上做一定的改进，从而适用于生物质压缩成型。

同时，由于成型机对原料的种类、粒度和含水率的要求较高，而成型设备自动化低，整个生产过程没有形成配套的生产线，工作时原料达不到生产的要求。

因此应在配套的设备上也多下些功夫。

5.2设备连续运行能力低
生物质的原料具有季节性和分散不均的情况，严重的影响了生物质致密成型燃料的工业化生产。

因此必须考虑到生物质原料的收集和连续供给的问题。

最好是采用分散的设置加工或就地使用的方法，因此生物质压缩成型设备的生产率不易过大。

六、生物质压缩成型技术的发展前景
生物质压缩成型的原料来源广泛，具有良好的经济效益，且其利用秸秆、稻壳等生物质纤维为原料，具有绝对的环保性。

随着该技术和设备的进一步完善，保护自然生态环境意识地日益加强，生物压缩成型技术将覆盖在更广阔的空间。

但现在还有很多因素制约它的全面应用。

我们应该在设备实用性、原料适用性、降低消耗等多方面入手，为以后更好的利用生物能做准备。

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