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苏州生物质能源颗粒冷成型技术试验研究

来源: 发布时间:2019-04-08 13256 次浏览

  摘要对环模生物质能源颗粒成型机影响成型的 各主要因素进行了分析及试验研究,给出不同生物质原料、粒度、含水率、环模孔长径比等因素与颗粒成型率及吨料电耗的 关系,找出生物质能源颗粒的 最佳成型条件。生物质锅炉燃料生物质颗粒作为一种新型的颗粒燃料以其特有的优势赢得了广泛的认可;与传统的燃料相比,不仅具有经济优势也具有环保效益,完全符合了可持续发展的要求。
  0引言
  近年来,石油(petroleum)、煤炭价格大幅上涨,能源短缺十分严重,能源形势日益紧张,开发(develop)出适用的 可再生能源产品已成了当务之急。生物质能源是唯一的 可以储存、运输的 可再生能源,是替代化石燃料的 首选川。但生物质具有堆积密度小、能量密度低、运输、储存使用空间大、成本高等特点,其严重制约了生物质能的 大规模应用川。因此,开发生物质冷态致密成型颗粒加工技术及设备,是有效利用生物质的 必不可少的 重要环节。生物质经过致密成型后不但可作为燃料取代煤炭直接燃烧利用,同时也可通过干馏炭化技术、液化技术、气化技术等进行深加工利用,从而解决生物质利用的 经济性和实用性问题,实现生物质能源规模化应用。
  本文利用大家研制的 ,型生物质能源颗粒成型样机,通过对玉米秸秆和麦秸秆进行大量成型试验研究(research),研究不同生物质原料、粒度、含水率、成型机环模孔长径比等因素与颗粒成型率及吨料电耗的 关系,找出生物质能源颗粒的 最佳成型条件,为生物质颗粒燃料成型机的 成型工艺改进及设备优化设计提供试验依据,进而为生物质资源化利用的 预处理技术提供科学数据。
  1试验装置(device)与试验方法
  1.1试验装置
  本试验采用的 skr-25型生物质能源颗粒成型样机的 基本结构如所示。
  生物质原料粉碎后从加料口经进料绞龙进人成型室,在成型室内,主轴带动环模旋转(rotate),在磨擦力作用下,压辊(gǔn)与环模同时旋转,原料经进料刮板被卷人环模和压辊之间,两者相对旋转对原料逐渐挤压,并挤人环模孔,在环模中成型,并不断向孔外挤出,再由切刀按所需长度切断成型颗粒,压粒过程中物料是在压模与压辊强烈挤压作用下强制通过均布于环形压模的 小孔而压实成型的 。
  1.2试验方法
  生物质原料在成型(Forming)过程中,成型机结构、环模孔结构以及成型工艺是相关联的 ,在确定了成型机结构和环模孔结构后,成型工艺成了技术关键,不同原料、不同成型工艺的 试验表明原料粒度、含水率、成型压力是影响冷成型燃料(fuel)生产的 主要因素囚。在充分分析生物质冷成型机理及影响成型的 各主要因素的 基础上,大家选择(Select)两种来源广泛、具有一定代表性的 生物质原料玉米秸秆和麦秸秆进行冷成型试验研究一测定原料在不同粉碎粒度、含水率下的 成型率和吨料电耗。同时,通过调整成型机的 关键部件环模的 厚度测定不同环模孔长径比的 颗粒成型率及电耗,从而得出玉米秸秆和麦秸秆的 成型条件范围及最佳成型工艺条件。
  2试验结果及分析
  2.1原料粒度对成型效率的 影响
  由于生物质(Biomass)经粉碎机粉碎后的 粒度并非完全一致,为了吏直观地反映粒度对成型过程的 影响,大家采用粉碎机的 筛网孔径来表征成型原料的 粒度,初步试验后,决定采用孔径分别为8、6、4、2mm的 4种筛网粉碎后的 原料分别进行成型试验(原料含水率25%、环模孔长径比
  5:1),研究粒度与成型效率的 关系,结果见表1。
  试验数据表明,颗粒的 成型(Forming)率及吨料电耗与原料粒度呈反比关系,粒度越小,成型效率越高。但是,对整个颗粒成型系统而言,并不是粒度越小越好,因为随着筛网孔径的 减小,原料的 粉碎效率急剧下降,粉碎电耗上升,系统效率随之下降。因此,综合考虑(consider)应在保证成型机合理成型效率的 基础上选择较大的 筛网孔径,使系统综合电耗达到最佳值。
  从成型效率与原料粒度关系上2、3可看出,成型率及吨料电耗与原料粒度并非线性关系,当粒度增大到一定量值以上,成型率出现快速下降趋势,吨料电耗也同步快速上升一,曲线上形成一个拐点,该点即可作为大家选择最佳筛网孔径的 主要参考点。对于不同的 物料,因其成分含量不同,成型难易也不同,拐点的 位置(position )也不同,从2、3可看出,对玉米秸秆其最佳筛网孔径为6mm,而对麦秸秆其最佳筛网孔径为4mm,显然麦秸秆在成型过程中对原料粒度要求较高,比玉米秸秆更难成型。
  2.2原料含水率对成型效率的 影响
  原料含水率对颗粒成型率影响很大,含水率过低或过高,生物质颗粒燃料均无法正常成型。水分过低,生物质粉料在压缩过程中缺少必要的 软化剂和润滑剂而无法成型水分过高,成型条件(tiáo jiàn)变坏,成型室内原料被挤成饼状,无法顺利从成型孔压出,会造成机器卡死,成型压力大幅度上升,主电机超载,防护(fánghù)成型机安全的 安全销断裂。初步试验表
明,成型时原料含水率控制在10%-40%才能有效成型,含水率在10%以下时,成型率大幅降低。因此,大家选择4种含水率分别为巧15%、20%、25%、30%时进行成型试验(原料粒度筛网孔径为4m
  M、环模长径比
  5:1),研究其对成型效率的 影响,试验结果数据见表2。
  试验结果表明,原料含水率对成型率的 影响相当大,只有将含水率控制在一定范围内,成型过程才能正常进行。生物质颗粒燃料由秸秆、稻草、稻壳、花生壳、玉米芯、油茶壳、棉籽壳等以及“三剩物”经过加工产生的块状环保新能源。生物质颗粒的直径一般为6~10毫米。当含水率超过30%以后,成型机运行中出现卡死的 几率大大上升,当含水率降低到一定数值以下时,成型率将急速下降。从4、5可以发现,玉米秸秆成型对原料含水率的 适应范围较宽,当含水率在20%-30%之间时,其成型率及吨料电耗均保持在一个相对合理、稳定的 水平,最佳含水率在25%左右。而麦秸秆的 含水率使用范围为25%-30%,含水率大于30%后,机器卡死几率也大于玉米秸秆,并且其成型率及吨料电耗指标也大大高于玉米秸秆,成型工艺条件较难控制。
  2.3环模孔长径比对成型效率的 影响
  环模孔长径比是颗粒成型设备直接决定原料成型条件的 重要因素,它决定了原料的 成型压力和压缩比,当长径比较小时,成型压力较低,成型率也较低,成型颗粒密度(单位:g/cm3或kg/m3)较小长径比越大,原料成型过程中受到的 压力越大,成型过程也越长,此时,成型率提高,颗粒密度加大,耗电量也大幅提高,颗粒产量下降。因此,找出环模孔长径比与成型效率(efficiency)的 对应关系,对优化环模设计、提高成型设备整机效率十分重要。本试验大家采用8mm孔径的 环模,通过改变孔长的 方法,测试环模孔长径比对成型效率的 影响,测试长径比分别为
  4:1、
  5:1、
  6:1、
  7:14种形式,试验原料粒度取4mm筛孔直径及25%含水率。试验数据见表3。
  从6、7可以看出当环模孔长径比低于
  5:1时,成型率迅速下降,同时导致吨料电耗也随着迅速上升当环模长径比高于
  5:1时,成型率基本上是呈线性增加趋势,而吨料电耗的 变化因原料的 不同则呈现出不同趋势,玉米秸秆的 最佳吨料电耗出现在长径比
  5:1处,麦秸秆的 最佳值为长径比
  6:1,其主要原因是麦秸秆纤维素含量高,较难压缩成型,需要较高的 成型压力才能保证有效成型率。8给出了成型颗粒密度随环模孔长径比的 变化关系,基本呈同步增长趋势。
  3结论
  1)适当的 粉碎粒度、原料含水率及环模孔长径比是生物质冷压成型的 基本工艺条件。当筛网孔径不大于6mm,原料含水率在20%-30%之间,环模孔长径比为
  5:1时,玉米秸秆的 成型率较高,成型过程运行稳定。试验数据显示,筛网孔径(aperture)为6m
  M、原料含水率为25%、环模孔长径比为
  5:1时其综合电耗达到最佳值,冷成型颗粒吨料电耗低于100KW·H;
  2)高纤维素含量的 麦秸秆也可以冷压成型,但成型条件较苛刻,要求粉碎机筛网孔径不大于4m
  M、原料水份含量在25%-30%之间、环模孔长径比不小于
  6:1。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,绝对不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。麦秸秆的 最佳成型条件(tiáo jiàn)为筛网孔径4m
  M、原料含水率25%、环模孔长径比
  6:1;
  3)不同生物质原料,对成型条件要求有所不同,对于玉米秸秆类的 普通生物质秸秆,其冷成型工艺较容易控制,成型率较高,吨料电耗能够保持在较合理水平,已具备实际应用条件。而对于麦秸秆类高纤维素含量的 生物质原料,成型难度较大,成型过程中对粒度、含水率等因素(factor)的 适应范围较窄,需要的 成型压力也较大,成型率较低,其吨料电耗也大大高于玉米秸秆,经济性较差,还需从设备及工艺上进一步改进提高。
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