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生物质炭化成型技术工艺的研究进展
生物质炭化成型技术工艺的研究进展
生物质炭化成型技术工艺的研究进展
合肥工业大学■高永伟林吴薇
摘要:
第一介绍了国内外目前的生物质炭化技术,而后概述了炭化生物质成型技术的制备工艺,介绍
了国内外生物质炭成型技术,讨论了生物质炭化成型燃料性能的阻碍因素,最后指诞生物质炭
化成型技术的问题和研究方向.一
关键词:
生物质;炭化;成型
一
引言
当前,不论国内仍是国外,化石能源均已过
度开采和利用,同时也造成了环境的破坏.由于能
源欠缺和环境爱惜的双重压力,作为二氧化碳零
排放的生物质受到了科学家们的关注.
生物质裂解技术是最具进展潜力的生物质转
化技术之一.生物质裂解是指生物质在没有氧化
剂(空气,氧气等)存在或只提供有限氧气的条件
下,加热到约500~C,通过热化学反映将生物质大
分子物质(木质素,纤维素和半纤维素)分解成较小
分子的燃料物质(可燃气,生物油,固态炭)的热化
学转化技术【".生物质裂解有着极高的能量转化
率,最高可达95.5%.生物质裂解的产物有3种:
柴炭,生物油和可燃气.3种产物的比例可通过改
变温度,压力和滞留时刻等反映条件调剂.一样将
生物质裂解工艺分为慢速裂解,常规裂解和快速
裂解.本文讨论的生物质炭化为慢速裂解工艺.
二生物质炭化技术
通过热解使有机物生成化合物,使其含碳量
不断增加的进程那么为炭化.阻碍炭化进程的重要
因素是温度.生物质升温速度极低,在400~C下长
时刻(15min~几天)裂解可取得焦炭,其最高产率
为35%(质量分数).当温度升高(达到700~9oo℃),
加热速度低,气产物停留时刻长时,可最大限度地
取得气体产物.传统的加热方式多采纳电炉加热,
加热时刻长,制备本钱高,且不能确保不同形状原
料的均匀受热,阻碍碳的质量.最近提出的微波加
热技术可解决上述问题,其优势是:
内部加热,加
热速度高,加热可选择,加热进程易操纵,热备体
积小等.成型炭的制备工艺也在不断进展,其工艺
最初是先成型后炭化,以后慢慢进展成先炭化后
成型,此方式可充分利用余热.
1国外研究进展
国外对木材炭化的研究较早.Klasion对木材
炭化进程中气体产物及液体馏出物和温度的关系
做出了极有代表性的研究,其方式是通过度析木
材在干馏进程(热解温度达~15oooc)中液体和气体
的生成量和反映热的转变情形.日本学者
Kawamoto等人从头的角度(物质形成的角度)分析
了纤维素的热解进程【.这些研究都为后人了解木
材炭化进程,炭化机理打下了基础.
尔后探讨炭化进程中不断有新技术被提出,其
中最典型的是热重分析(TG)和差热分析(DTA).】.
这两种技术令人们能够了解木材在升温进程中的
放热和失重情形,由此确信其反映级数,反映动
力学,反映所需的活化能及要紧成份的热分解情
况.这些技术的研究令人们对生物质炭化加倍明
了清楚.
2国内研究进展
国内也有很多关于生物质炭化进程的研究,
其研究对象主若是柴炭和竹炭,如福建林学院余
玮等【通过在氧气气氛中的DTA/TG分析和炭化,
初步对马尾松等8种原料进行了热解进程中化学
成份和结构上的转变研究.中南林学院的胡云楚
等通过TG—DTA热分析联用技术,测定了4种常
用木材的TG—DTA?
T曲线,得出各类木材在干燥
时期和锻烧时期的热性质大致相似,而炭化时期
的热性质那么因木材的化学组成不同而有较大不同
的结论.南京林业大学的左宋林等[8~m那么对竹炭
的炭化进行了相关的研究.
目前国内对成型炭的研究还相对较少,多数
企业依旧利用窑烧法等传统方式生产成型炭,不
仅生产周期长,产品质量低,而且得率也较低.
目前国内这方面的研究主若是河南农业大学
农业部可再生能源重点开放实验室和河南商丘三利
新能源的综合利用研究,并形成了配套设
备.其功效是合作开发了限氧自热式裂解工艺和裂
解气体回收分离工艺fl".另外,中国科学院兰州化
学物理研究所提出了生物质持续炭化工艺,不仅省
去了机械成型环节,而且大大节省了能源【].
(1)生物质持续炭化工艺
王金梅等H在2020年提出了生物质持续炭化
工艺技术,其利用自制螺旋炭化机,以生物质锯末
为原料,采纳持续炭化的生产工艺,研究了锯末炭
化的停留时刻和炭化温度,测试了不同炭化条件
取得的炭粉样品组成和形貌.其结果显示,炭化温
度必然的情形下,停留时刻越长,固定碳和灰分含
量越高,挥发分就越低.停留时刻选择20-30min
为最正确,现在当炭化温度达到450~C,就能够够生产
出合格炭粉;炭化温度达到520~C,可制备出一级
炭粉;炭化温度达到560~C左右时,那么能够生产优
级炭粉.
(2)BX型成型炭制造设备
刘石彩等fl3】也对炭化炉进行了改良,研究开
发的BX型炭化炉适合各类生物质原料的成型材炭
化操作,大大缩短了生产周期,并提高产品得率,
成品性能也与日本同类成型炭质量标准相当.
三生物质成型炭燃料的制备
1生物质成型炭燃料生产工艺流程
工艺流程如图1所示.
生物质胶黏剂或
炭粉胶黏剂加助剂
生物
质炭
成型
燃料
图1成型工艺流程图
国外发达国家对成型炭的研究已经相当做熟.
早在20世纪30年代,美国就开始研究开发生物质
致密成型技术,并研制了螺旋式成型机[14,15】.瑞士
也在德国的研究基础上研发出机械活塞成型机.
以后日本也对其引进技术进行了相关改良,研发
出致密成型燃料技术体系[16,17】.尔后,亚洲除日本
外,包括泰国,菲律宾等国家在20世纪80年代研
发出添加粘结剂的生物质致密成型技术及装备n.
后来由于能源危机,许多国家都进行了成型炭的
相关研究,国外的成型炭制备技术已达到规模化,
产业化的程度.
我国关于成型炭的研究起步较晚,始于2O世
纪8O年代.中国林业科学研究院林化所,中国农
业机械化科学研究院,河南农业大学,西北农林科
技术大学,辽宁省能源研究所等lO多家单位对此
做了不同的研究,别离开发出不同种类的生物质
燃料成型设备【l9】.中国林科院林化所与其他单位
塑噩生翌釜筮墨鲨兰兰兰壁兰型兰塑堡鲨苎三生翌兰兰苎三堑堂鲨…:
…嬲¨¨¨¨¨¨嚣Ⅲ¨¨¨鳓
合作,研制出单头和双头两种型号的棒状成型机
和内压滚筒式颗粒成型机.其他科研单位也对成
型设备的一些问题,如能耗相对较高,成型部件易
磨损和原料的含水率等做了大量的实验研究.
近几年提出的"生物质直接成型"技术,大大降低
了生物质成型的能耗.
在成型炭燃料应用方面,我国也有很多的相
关研究报导.如中国林业科学研究院林产化学工
业研究所的刘石彩等【.设计出一种专用颗粒成型
燃料民用炉灶,其热效率与一般炉灶相较有显着
的提高.除此之外,也有很多对生物质成型燃料物
理品质,成型机理和燃烧性能方面的研究,如山东
理工大学的王建祥f2l】,河南农业大学的樊峰鸣【z,
南京林业大学的谢启强等[23】.整体来讲,我国固态
生物质成型炭还处于研究试点时期,产业化,规模
化程度相对较低.
目前,生物质成型炭制备的重点是胶黏剂的
选择,这是因为生物质炭是多孔结构,与胶黏剂的
结合要紧发生在表面和间隙间.国内胶粘剂的研
究报导很多,典型的研究有:
(1)有机胶黏剂
刘志坤等【以固化剂,淀粉,粉炭,水为原料
制造棒(块)状成型炭的工艺,其具有高热值,低灰
分含量的优势,大大简化了成型工艺.
许绍良,祖元刚等也用不同的方式和工艺分
别制成了不同的固体生物燃料块,其拥有很多优势.
(2)无机类胶黏剂
相国研制出秸秆生物蜂窝煤,以玉米,小
麦或木材等的炭粉为原料,混合水,粘土粉和石英
沙制成.该蜂窝煤利用农林废弃物,具有庞大的经
济效益.
王丹【,宋洪义【以水,废纸为胶黏剂,废弃
生物质炭粉为原料压制成型并干燥,研制出一种
生物质能源型煤.
(3)有机无机复合类胶黏剂
徐颖惠【.研制出成型烧烤炭,其具有高灰渣
熔点,低残灰量,红热强度和跌落强度较好,无烟
无异味,且具有较好的存贮性能等优势.
四结论
尽管国内外对生物质成型炭的制备工艺已取
得了较大进展,但仍有一些问题亟待解决:
(1)国外的研究主若是木材的炭化成型,而国
内那么是要紧针对一些农业废弃物如秸秆的热压成
型的研究,对果壳类花生壳冷压成型研究较少,同
时对成型炭的研究也相对较少;
(2)树种不同,其木材废料的燃烧特性也不
同,目前针对特定树种的研究还尚未见报导;
(3)多数研究报导局限于单一生物质炭化的研
究,对复合生物质的研究相对较少.
针对上述问题开展深切的研究是极为必要的,
包括研制新型大型的炭扮装置;研究生物质炭化工
艺的特性;提高生物质炭化的效率;研制和开发成
本低,黏绪陛能高且具有良好环保性的胶黏剂;优
化成型炭化工艺等.同时,各级政府应重视生物质
成型炭的利用,并制定相应的政策,如价钱补助等,
以实现生物质能的普及应用,慢慢走向可持续进展.
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(1):
49—51(转下页)
SOLARENERGY
霸锄订圈
散布式光伏并网系统
在国内的应用
■孙燕
近日,全国各地"电荒"愈演愈烈.国家发改
委早已发出预警通知,说明2020年将是最近几年来电
力供需形势相对偏紧的一年,并提出上调15省市
除居民用电之外的销售电价,想以此减缓"电荒".
但是电监会的报告显示,夏日电力缺口将达到
3000万kW左右,面对如此庞大的用电缺口,仅
通过"限电"手腕不足以解决问题,因此作为最近几年
来国家大力扶持的新能源龙头产业——光伏产业
将迎来新的春天.
(接上页)
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一
国内光伏应用现状
目前我国在支持光伏屋顶进展方面有"金太
阳工程",要紧集中在用电量较为紧张的发达地域,
该项目具有不占土地,企业自发自用不造成传输
损耗,提供日夜电需差,排除峰电压力等优势.
随着低压配电网接入愈来愈多的光伏系统,光
伏电站发电后在用户端与电网输电归并利用,即光
伏发电微网技术开始被普遍关注.由于具有即发即
用,无需储能,适用性强,效益明显等优势,光伏
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23
—
25.圆殂
SOLARENERGY5/2021
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