2020年(生物科技行业)生物质固化成型技术及其展望

（生物科技行业）生物质固化成型技术及其展望

生物质固化成型技术及其展望

张大雷姜洋潘亚杰

辽宁省能源研究所营口115000

e-mail:lier@

摘要:本文比较详细、全面地讨论了生物质固化成型技术的基本原理、工艺过程和技术关键，介绍了目前生物质固化成型装备的现状、用户的要求特点及重点要求地区或行业。

保证成型燃料具有较大密度、成型机连续运转及选择合适的碳化工艺是该技术装备的关键，当以木炭为最终产品时这壹点尤为重要。

木屑、秸秆、稻壳等均可作为生物质固化成型的原料，但当木炭为最终产品时，木屑是唯壹的原料。

目前，我国的生物质固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上仍很不足，这壹问题以成型机最为突出。生物质固化成型技术装备有十分广泛的应用领域，林区、林产品加工业集中区、农作物秸秆质优量大区，均是该装备的市场。

1.前言

生物质是壹种可再生的物质资源，但它作为能源物质利用基本上仍是直接燃烧来获取热能。由于生物质的燃烧特性较差，所以有效利用率很低。随着我国农村生活水平的日益提高，相当大量的生物质未得以有效、充分的利用。我国每年因制材、林产品加工产生的木屑的数量也十分巨大，其中绝大部分废弃。如何将这些宝贵的生物质能资源转化为方便、清洁的能源形式，其经济、社会效益都是十分明显的。作为生物质能转化途径之壹的固化成型技术已引起人们的关注和兴趣。以作者为首的课题研究小组经几年的研制开发，在生物质固化成型技术和装备上取得了突破性结果，成套设备的运行结果显示了这壹技术巨大的市场潜力。

2.生物质固化成型的过程

2．1成型原理

植物细胞中除含有纤维素、半纤维素仍含有木质素（木素），木素是具有芳香族特性的结构单体，为丙烷型的立体结构高分子化合物。在阔叶木、针叶木中木素含量为27%～32%（干基），禾草类木素含量为14%～25%。虽然在各种植物中都含有木素，但它们的组成、结构且不完全壹样。木素属非晶体，没有熔点但有软化点，当温度为70～110℃时粘合力开始增加，木素在适当温度下（200～300℃）会软化、液化，此时加以壹定的压力使其和纤维素紧密粘接且和相邻颗粒互相胶接，冷却后即可固化成型，因此采用热压法成型秸秆（或木屑）燃料可不用任何添加剂、粘接剂，大大降低了加工成本，而且利用木素软化、液化的特点，适当提高热压成型时的温度有利于减小挤压动力。生物质成型燃料就是利用这壹原理以生物质固化成型机经热挤压制得的。

2．2成型的工艺过程

生物质成型是有条件的，它对原料的种类、粒度、含水率都有壹定的要求。秸秆、麦秸等需进行适当的粉碎，几乎所有的物料都要进行干燥。为进壹步提高成型燃料的使用价值，扩展应用领域，可进行碳化，所以生物质固化成型的工艺过程可表述为：

原料→预处理→干燥→成型→碳化→木炭

木屑、稻壳等由于粒度细小，筛除杂物即可直接使用，秸秆、麦秸需经专用设备粉碎至粒度在10mm以下。生物质的含水率壹般在20%～40%，因此干燥是必不可少的过程。干燥方式壹般宜采用气流式干燥，以生物质燃烧产生的烟道气为热源，物料在干燥管内干燥后由旋风分离器排出。

成型是生物质固化技术的核心，成型的方式有多种，但目前使用最多的仍是以螺杆为输送和压缩物料的连续挤出，其特点是成型燃料的密度大，表面质量好，最主要的是成型燃料碳化后所得木炭的质量好。根据物料的种类和含水率，控制适宜的成型温度即可得到密度较大、表面光滑、无明显裂纹、任意长度的中空棒状成型燃料。

碳化虽不是生物质固化成型技术不可或缺的，但在很多情况下却是十分主要的辅助手段。碳化的方式有连续内热式干馏法、外热间歇式干馏法和烧炭法。连续内热式适于大规模连续化生产，烧炭法适于小规模运营，外热间歇式则适于各种情况。木屑、刨花等原料生产的成型燃料更适合碳化，秸秆、稻壳等原料由于灰分大，除特殊情况外均不碳化。

3.生物质固化成型的技术关键

生物质固化成型的设备包括粉碎机、干燥设备、成型机、碳化釜等。成型是整个过程的决定性步骤，故成型机的性能决定了产品质量和生产成本。因物料的种类、含水率等的差异，造成了成型技术的复杂性和工艺的不确定性。由于成型螺杆的工作环境极端恶劣，使得螺杆使用寿命很短。

3．1成型条件

1.原料的含水率

原料的含水率对棒状燃料的成型过程及产品质量影响很大，当原料水分过高时，加热过程中产生的蒸气不能顺利地从燃料中心孔排出，造成表面开裂，严重时产生爆鸣，但含水率太低成型也很困难，这是因为微量水分对木素的软化、塑化有促进作用。如表1：

表1原料含水率对成型的影响

对木屑、秸秆等物料，成型的适宜含水率范围为6%～10%。我们从表1仍能够得到这样的结论，不同种类的物料虽木素含量有较大差异，但成型所需适宜含水率基本壹致。

2.成型温度

成型温度对成型过程、产品质量、产量都有壹定的影响。表2是温度对不同物料成型的影响。

表2温度对不同物料成型的影响

*成型快慢系同壹物料的相对比较结果。

显然，过低的温度（<200℃）传入出料筒内的热量很少，不足以使原料中木素塑化，加大原料和出料筒之间的磨擦，造成出料筒堵塞，无法成型；过高的温度（>280℃）原料分解严重，输送过快，不能形成有效的压力，也无法成型。总之，不同物料所需成型温度相差不大，壹般控制在240～260℃之间。

3．2生物质固化成型的技术关键

生物质固化成型是壹项应用范围比较广的技术，但作为能源转化的途径，仍有壹些关键技术问题困扰着人们，这些问题可归结为：

1.螺杆的使用寿命

物料的压缩是螺杆和出料筒配合完成的，即螺杆的几何尺寸和出料筒几何尺寸必须在壹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，螺杆和物料始终处于干磨擦状态，导致螺杆的磨损非常快。当螺杆磨损到壹定程度时，螺杆和出料筒失去尺寸配合，成型就无法