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徐州原料对生物质颗粒燃料产品品质及经济效益影响的研究与应用

来源: 发布时间:2018-10-16 14839 次浏览

  摘要:根据富阳市以农林废弃物为主要生物质(Biomass)原料(Raw material)的来源,设计(Design)对比试验,研究不同类型、不同配比原料对生物质颗粒燃料产品(Product)品质及经济(Economy)效益的影响。生物质颗粒燃料的直径一般为6~10毫米。根据瑞典的以及欧盟的生物质颗粒分类标准,若以其中间分类值为例,则可以将生物质颗粒大致上描述为以下特性:生物质颗粒的直径一般为6~8毫米,长度为其直径的4~5倍,破碎率小于1.5%~2.0%,干基含水量小于10%~15%,灰分含量小于1.5%,硫含量和氯含量均小于0.07%,氮含量小于0.5%。生物质锅炉燃料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。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。结果表明:以100%竹屑为原料生产的产品低位发热量(Heat)最高、品质最佳;原料配比为80%竹屑+20%果树枝条或油菜杆时,生产的产品在满足一定品质要求下经济效益(Economic performance)最佳,在当地推广应用以80%竹屑+20%果树枝条或油菜杆的原料配比生产生物质颗粒燃料产品,取得了良好的经济效益,同时也获得了一定的社会(society)效益和生态效益。

  随着规模化农林产业的发展,在生产过程和加工(Processing)过程中产生的农林废弃物也越来越多。虽然目前开发和利用农林废弃物等生物质能已经引起了人们的广泛关注,但是在很多地方处理农林废弃物的方法仍然是焚烧和填埋等,农林废弃物的利用率普遍较低。而制取生物质颗粒燃料是目前农林废弃物利用的主要方式之一,因此有效提高颗粒燃料产品的品质就成了提高农林废弃物利用率的主要方法。

  鉴于此,本课题选择富阳市当地比较常见的竹屑、木屑(主要为果树枝条)、油菜杆、稻秆4种类型的农林废弃物作为制取生物质颗粒燃料的原料,研究不同类型不同配比原料对颗粒燃料产品品质及经济效益的影响,寻找产品品质及综合效益最优的原料配比,以便在杭州地区推广应用[1]。

  1材料与方法

  1.1试验材料

  根据富阳市农林废弃物的种类及产生量,此次试验选择的原料(raw material)有4种类型,分别为竹屑、木屑、油菜杆和稻秆,其中竹屑样品来自于竹制品加工企业的生产废弃物,含水率40%~50%;木屑样品为梨树等果树枝条,来源于果树苗木种植的分散收集,含水率在45%左右;油菜杆以及稻秆样品一般来源于当地农业种植的分散收集,含水率在20%左右。

  1.2试验方法

  此次试验采用冷压成型(Forming)工艺,主要设备为环模式(pattern)颗粒燃料成型机(型号JWZLH420T),粉碎机(型号HX-800)、三回转螺旋式烘干机、传动设备和除尘设备等。其主要工艺流程见1。

  收集的原料堆放在专用仓库内,按试验设计要求分别配比混合,经粉碎和烘干后,由颗粒成型机挤压成型作为生物质颗粒燃料。按照取样的要求,抽取不同配比原料生产制备的颗粒燃料样品,由浙江省煤炭地质勘查院煤炭质量(Mass)检测中心进行检测,以各检测指标(target aim)为评价产品品质的主要依据。

  试验按照表1的要求分别设置10个处理,每个处理选取经配比后的原料75t、测试3d,每天2次重复(repeat),每次试验12.5t原料,共计6次试验,即10个处理6次重复,共计30d完成测试试验。控制粉碎后原料的颗粒粒径在7mm左右,烘干后原料的含水率在12%左右,最后的产品规格(specifications)为直径10mm、长度30~60mm,记录每个处理颗粒燃料产品的产量及生产过程中各环节的能耗数值。

  1.3产品品质及经济效益分析指标

  颗粒燃料产品品质分析指标主要根据样品的工业分析和元素分析指标确定,具体技术指标有全水分(Mt)、灰分(Aad)、挥发分(Vad)、固定碳(FCad)、全硫(St,ad)以及低位发热量(Qnet)。

  经济效益指标主要包括原料收购成本、劳动力成本、机械损耗折旧成本、产品生产过程能耗、产品销售(Sales)价格(price)及销售量等。其中,劳动力成本和机械损耗折旧成本对于10个处理来说差别不大,可忽略,产品销售价格为1000元/t(热值大于17572.8kJ/kg),故此次试验主要考虑的经济效益指标为原料收购成本及产品生产过程能耗。原料收购价为竹屑250元/t,木屑(果树枝条)200元/t,油菜杆150元/t,稻秆400元/t。

  2结果与分析

  2.1颗粒燃料产品品质指标分析

  2.1.1颗粒燃料工业分析技术指标情况(Condition)分析。从表2、2可以看出,颗粒燃料的全水分含量随着竹屑在原料中配比的减少而增加,以100%竹屑为原料生产的产品(处理1)全水分含量只有5.84%,而处理10的全水分含量最高,达7.53%。产品全水分含量跟竹屑在原料中的含量成反比。

  处理2、5、8的固定碳和灰分的含量相比其他样品要低,从原料配比看,3个处理都配比了一定量的木屑原料,由此可知,木屑的固定碳和灰分含量低于油菜杆等其他生物质原料。

  10个处理挥发分含量在74%~78%,而且随原料配比的不同呈不规律(rhythmical)变化,即原料的配比对挥发分的影响不大。

  2.1.2低位发热量情况分析。由3、表2可以看出,处理1的低位发热量最高,达到了18978.62kJ/kg,处理10的低位发热量最低,为16635.58kJ/kg,即随着原料中竹屑含量的减少低位发热量随之降低。

  2.1.3颗粒燃料元素分析全硫含量指标分析。从表2、4可以看出,全硫含量随着原料中油菜杆和稻秆含量的增加呈微弱上升趋势(trend),但都在0.25%以下,样品的全硫含量相对较低,对环境(environment)的影响较小。

  综上所述,按处理1~8的原料配比所生产的产品,工业分析、元素分析及低位发热量等指标能够满足产品品质的要求。其中,用100%竹屑作原料(处理1)所生产的颗粒燃料产品品质最佳。

  2.2颗粒燃料产品经济效益情况分析

  2.2.1原料及产品单耗情况分析。以每次试验12.5t原料为基础,选取每个处理6次重复试验的平均值作为计算原料消耗(consume)等的依据,试验结果见表3。从5、6可以看出,单位产品原料消耗量随着竹屑在原料配比中的含量减少而减少,处理6~10的指标比前5个处理有优势(说明:能压倒对方的有利形势),处理9的每吨产品原料消耗量最低,经济效益最好。从单位产品原料成本指标看,处理3、5、6、8、9都较好,其中处理9最优,处理6次之。

  2.2.2产品生产过程的能耗分析。生物质颗粒燃料从原料到产品主要经过粉碎、烘干和制粒成型3个环节,这3个环节主要的能源消耗为电能,以及烘干工艺中的部分薪柴消耗[2-4]。

  每次试验以12.5t原料为基础,测试记录每个生产环节的能源消耗量,选取6次重复试验的平均值,最终能耗以标煤来折算(其中电能按等价值折算,系数为0.313kgce/kW·h,柴薪折算系数为0.571kgce/kg),测试结果见表4。可以看出,烘干环节的能源消耗最大,成型环节次之,粉碎环节能耗最少,在烘干环节中,柴耗占能耗的比重在85%左右。由于烘干环节所用的柴薪基本是自主提供,故电能费用支出是整个生产过程的主要成本支出。

  由7可以看出,从电耗角度(angle)来看,颗粒成型机的电能消耗量最大,占整个生产过程电耗的57%以上。从样品的角度看,处理6、9、10的综合能耗最低,经济效益最佳。综合颗粒燃料产品品质指标和经济效益指标,以低位发热量指标大于17572.8kJ/kg的为合格产品,处理6的颗粒燃料产品品质和经济效益最佳,适合该地区大力推广使用。

  3结论

  (1)单从颗粒燃料的产品品质,即热值角度出发,采用100%竹屑原料所生产的产品热值最高,品质最佳,基本可以代替原煤。

  (2)从经济效益角度出发,采用80%竹屑+20%果树枝条或油菜杆等其他农林废弃物生产的产品最佳,一方面产品热值能够达到客户的要求,另一方面果树枝条、油菜杆等农林废弃物原材料的收购价格较低,生产颗粒燃料过程中的能源费用支出最少。

  (3)从环境效益角度出发,此次试验的10个处理4种原料都能够合理利用农林废弃物,并提高其利用效率(efficiency)。根据各地原材料的实际情况,从颗粒燃料产品品质要求出发,结合经济性和资源再利用性,选择80%竹屑+20%油菜杆的原料配比最优,达到社会、经济、环境3种效益的最佳效果(effect)。

  4工程(Engineering)实例

  富阳瑞丰新能源有限企业(Company)是一家从事生物质固体成型燃料颗粒生产的企业。投产后,以竹屑为主要原料制取生物质颗粒燃料,年可生产4300t颗粒燃料产品,消耗竹屑达9000t。经检测,产品热值在18828kJ/kg以上。竹屑的收购价为250元/t,年原料收购成本为225万元。目前由于缺乏生物质颗粒燃料的相关标准,浙江省生物质颗粒燃料的市场价(Market value)格以产品热值为参考,但不以产品热值为绝对指标定价,只要热值大于17572.8kJ/kg,颗粒燃料产品的价格都在1000元/t。

  根据试验结论,将原料配比改为80%竹屑+20%果树枝条、油菜杆等其他农林废弃物,经一段时间的生产及检测,产品热值在17991.2kJ/kg左右,完全能够满足客户的要求,且果树枝条、油菜杆等其他农林废弃物的平均收购价格在150元/t,远低于竹屑,按照现在的原料配比,以企业现有的生产能力计,年原材料收购成本为207万元,年可节约原料成本18万元。

  以竹屑为原料生产的产品能耗为100kg标煤/t,单位产品电耗为121kW·h/t,而以80%竹屑+20%果树枝条、油菜杆等为原料生产的产品能耗为82kg标煤/t,单位产品电耗为106kW·h/t。按照年生产4300t颗粒燃料产品计,年可节约电能6.45万kW·h。

  综合原料成本和生产过程中能源消耗的费用成本,用80%竹屑+20%果树枝条、油菜杆等代替以100%竹屑为原料生产颗粒燃料产品年可节约25万元。保证产品品质,又能节约成本,增加经济效益,还能改善由于焚烧柴薪、秸秆等带来的环境污染现状,实现了社会效益、经济效益和环境效益的共赢。

  


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