生物质成型以及炭化技术讲义

• 生物质中的纤维素、半纤维素和木质素在不同的高温下，都能受热 分解转化为液、固和气态产物。 将生物质热解技术与压缩成型工艺结合，利用热解反应产生的热解 油或木焦油作为黏结剂，有利于提高粒子间的黏聚作用，提高成型 燃料的品位和热值。
1.3 生物质压缩成型的工艺类型
• 热压缩成型技术、冷压缩成型技术、炭化成型技术
• 因为颗粒成型机理的不同，“冷压缩”技术的工艺只需 粉碎和压缩2个环节。
• 特点： “冷压缩”技术与“热压缩”技术相比，具有原料适用 性广，设备系统简单、体积小、重量轻、价格低、可移 动性强，颗粒成型能耗低、成本低等优点。
• ⑶炭化成型技术
根据工艺流程分为两类：先成型后炭化、先炭化后成型
• ①先成型后炭化：先用压缩成型机将生物质物料压缩成具 有一定密度和形状的棒料，然后在炭化炉内炭化成为木炭。
• （3）半纤维素与纤维素的作用。 半纤维素水解转化为木糖，也可起到粘结剂的作用。 纤维素分子连接形成的纤丝，在粘聚体内发挥了类似于 混凝土中“钢筋”的加强作用，成为提高成型块强度的 “骨架”。
• （4）其它化学成分的作用。 生物质所含的腐殖质、树脂、蜡质等对压力和温度比较 敏感。当采用适宜的温度和压力时，也有助于在压缩成 型过程中发挥粘结作用。
• 掌握：生物质压缩成型燃料的概念，延长螺旋挤压机成 型部件使用寿命的方法，螺旋挤压成型、活塞冲压成机 和压辊成型的特点，生物质炭化的操作过程，机制炭的 特点与生产方法
• 熟练掌握：生物质压缩成型工艺影响因素
第一节 生物质致密成型原 理及工艺
1.1 基本概念
• ⑴生物质压缩成型燃料技术： 在一定温度和压力作用下，利用木质素充当黏合剂，将 各类分布散、形体轻、储运困难、使用不便的生物质原 料经压缩成型和炭化工艺，加工成具有一定几何形状、 密度较大的成型燃料，以提高燃料的热值，改善燃烧性 能，使之成为商品能源。
《生物质能工程》
第四章 生物质成型 燃料技术
第一节 生物质压缩成型原理及工艺 第二节 压缩成型工艺流程与设备 第三节 生物质炭化技术
主要教学内容及要求：
• 了解：生物质压缩成型的工艺类型，生物质压缩成型的 工艺流程和设备类型，螺旋挤压成型机、活塞冲压成型 机和压辊成型机的特点、炭化炉的类型和特点
• 理解：生物质压缩成型的原理，螺旋挤压机、活塞冲压 成型机和压辊式成型机的工作原理、干馏法制炭燃料热 分解过程中的化学变化
• ⑴“热压缩”颗粒成型技术
• 是把粉碎后的生物质在220~280℃高温及高压下压缩成1 t/m3左右的高密度成型燃料。
• “热压缩”技术的工艺由粉碎、干燥、加热、压缩、冷却 过程组成。 对成型前粉料含水率有严格要求，必须控制在8% ~12%。
• ⑵“冷压缩”颗粒成型技术
• 也称湿压成型工艺技术。对原料含水率要求不高。 其成型机理是在常温下，通过特殊的挤压方式，使粉碎 的生物质纤维结构互相镶嵌包裹而形成颗粒。
• 密度高、强度大：体积缩小6~8倍，密度约为1.1~1.4t/m3； • 热值高：热值可达到16.7MJ/kg，能源密度相当于中质烟
煤； • 燃烧性能好：使用时火力持久，炉膛温度高，燃烧特性
明显得到改善。 • 形状和性质均一：便于运输和装卸、适应性强、燃料操
作控制方便等。
1.2 生物质压缩成型原理
• 也称为“压缩致密成型”、“致密固化成型”、“生物 质压块”。
• ⑵生物质压缩成型燃料：
• 松散的秸杆、籽壳、 树枝、锯末等纤维质、 木质生物质废料经热 挤压工艺制成的固形 燃料。
①生物质压缩成型燃料类型： 粒状、棒状、块状等
②用途： 家庭取暖炉 小型热水锅炉 热风炉 小型发电设施等
等。
• ③生物质压缩成型燃料特点：
• （二）Fra Baidu bibliotek缩成型时生物质的化学成分变化
• （1）木质素是生物质固有的最好的内在粘接剂。 木质素100℃才开始软化，160℃开始熔融形成胶体物质。 在压缩成型过程中，木质素在温度与压力的共同作用下 发挥粘结剂功能，粘附和聚合生物质颗粒，提高了成型 物的结合强度和耐久性。
• （2）水分是一种必不可少的自由基。 水分流动于生物质团粒间，在压力作用下，与果胶质或 糖类混合形成胶体，起粘结剂的作用。 水分还有降低木质素的玻变(熔融)温度的作用，使生物 质在较低加热温度下成型。
• （一）压缩过程中生物质的粒子特性
• ⑴生物质压缩成型过程中粒子状态变化
• 生物质压缩成型分为两个阶段。 • 第一阶段，在压缩初期，较低的压力传递至生物质颗粒中，
使原先松散堆积的固体颗粒排列结构开始改变，生物质内 部空隙率减少。
• 第二阶段，当压力逐渐增大时，生物质大颗粒在压力作用 下破裂，变成更加细小的粒子，并发生变形或塑性流动， 粒子开始充填空隙，粒子间更加紧密地接触而互相啮合， 一部分残余应力贮存于成型块内部，使粒子间结合更牢固。
• ⑶压缩过程的影响粒子变化的因素
• ①含水率。生物机体内适量的结合水和自由水是一种润滑 剂，使粒子间的内摩擦变小，流动性增强，从而促进粒子 在压力作用下滑动而嵌合。
• ②颗粒尺寸。构成成型块的粒子越细小，粒子间充填程度 就越高，接触越紧密；当粒子的粒度小到一定程度(几百 至几微米)后，成型块内部的结合力方式和主次甚至也会 发生变化，粒子间的分子引力、静电引力和液相附着力 (毛细管力)开始上升为主导地位。
• ②先炭化后成型：先将生物质原料炭化或部分炭化，然后 加入一定量的黏结剂压缩成型。
• 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。
• ⑵成型物内部粒子的粘结机制
• 1962年德国的Rumpf针对不同材料的压缩成型，将成型 物内部的粘结力类型和粘结方式分成5类:
• ①固体颗粒桥接或架桥(Solid bridge)； • ②固体粒子间的充填或嵌合； • ③自由移动液体的表面张力和毛细压力； • ④非自由移动粘结剂作用的粘结力； • ⑤粒子间的分子吸引力(范德华力)或静电引力。