玉米秸秆固化成型燃料研究的可行性与效益评估毕业论文 定稿.docx
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玉米秸秆固化成型燃料研究的可行性与效益评估毕业论文定稿
玉米秸秆固化成型燃料研究的可行性与效益评估
摘要﹕在能源安全问题日益突出、传统化石能源的消耗造成严重环境危害的形势下，生物质能以资源丰富、生态环境友好的优点，已成为能源和环境领域研究的新热点。
此文对秸秆的基本性质及生物质固化成型技术进行了概括性的阐述，详细介绍了部分新型固化成型设备，同时介绍了当前国内外农林废弃物的制备生物质能的发展状况及发展前景，并对实验开展的思路进行了简单的阐述。
实验小组将从两方面对生物质固化成型技术进行研究。
其一是原料直接碳化并压制成型；其二是使用添加胶黏剂混合原料并压制成型。
Abstract:
Intheenergysecurityissuesbecomeincreasinglyprominent,theconsumptionoftraditionalfossilenergysourcescausedseriousenvironmentaldamagesituation,biomassenergyresource-rich.Articleonthebasicphenvironment-friendlybenefits,energyandtheenvironmenthasbecomeanewhotareaofresearcropertiesofstrawandbiomassofthegeneralcuringtechnologyexposition,detailingsomeofthenewcuringequipment,alsointroducedthecurrentdomesticandpreparationofagriculturalandforestrywastebiomassenergydevelopmentandprospects,andexperimentswerecarriedoutinasimpleexpositionofideas.Experimentalgroupwillbetwowaysofcuringtechnologyofbiomassresearch.Oneisthedirectcarbonizationofrawmaterialsandpressing;theotherismixedwithrawmaterialsandaddadhesivepressing.
关键词：
生物质能；生物质固化成型；炭化技术；胶黏剂
Keywords:
Biomass;Curing;Carbonizationtechnology;Adhesives
前言
在我国能源安全问题日益突出、传统化石能源的消耗造成严重环境危害的形势下，在我国生物质尤其是秸秆造成了环境污染和秸秆资源的低水平利用的社会背景下，利用生物质（秸秆）纤维为原料来生产燃料成为一项迫切的、具有重要战略意义的任务。
农作物秸秆通常松散地分散在大面积范围内，且堆积密度较低，这给收集、运输、储藏和应用带来了一定的困难。
在一定温度和压力作用下，将秸秆压缩成棒状、块状或颗粒状等成型燃料，提高其运输和贮存能力，改善秸秆燃烧性能，提高利用效率，不仅可以用于家庭炊事、取暖，也可以作为工业锅炉和电厂的燃料替代煤、天然气、燃料油等化石能源。
生物质能以资源丰富、生态环境友好的优点,已成为能源和环境领域研究的新热点。
对农作物秸秆这一生物质资源的开发利用在国内外引起了高度重视。
玉米秸秆的产量居农业固体废弃物首位，但是我国对玉米秸秆利用率较低，许多地方将其作为废弃物烧掉或弃置农田，这不但造成极大的资源浪费和巨大的经济损失，而且也产生极大的环境污染。
生物质燃料还是一种可持续发展的环境友好型燃料，其可实现温室气体二氧化碳生态“零”排放：
生物质燃料的能源来源于自然界光合作用固定于植物上的太阳能，其燃烧时排放的二氧化碳来自于其生长时对自然界二氧化碳的吸收，因此，生物质燃料具有二氧化碳生态零排放的特点。
此外，国内外的各种压缩成型技术及设备已经较为完备，因此，玉米秸秆固化成型燃料的研究具有相当的价值和可行性。
1、玉米秸秆的基本情况
1.1玉米秸秆的基本性质
玉米秸秆主要由细胞壁组成，基本成分为纤维素，半纤维素和木质素等。
木质素将纤维素和半纤维素层层包围，纤维素是一种直链多糖，多个分子平行排列成丝不溶性微小纤维，半纤维素主要由木糖，少量阿拉伯糖。
半乳糖，甘露糖组成，木质素是以苯丙烷及衍生物为基本单位组成的高分子芳香族化合物，其中，木质素是一种燃料，半纤维素可水解为五碳糖，而纤维素水解为六碳糖比较困难。
玉米秸秆的主要成分见表1.1.1
表1.1.1玉米秸秆主要成分
组成
纤维素
半纤维素
木质素
灰分
含量%
50.85
24.94
15.10
2.40
1.2玉米秸秆的使用情况
农作物秸秆作为农业生产的必然产物．是一种十分宝贵的资源。
据统计，我国每年农作物秸秆的产量大约6亿吨，根据玉米籽实的产量推测，2000-2005年问我国玉米秸秆的年产量在1．2～1．48亿吨。
目前，全国大约有30％的秸秆直接用作农村生活燃料：
10％用于牲畜饲料；23％用做工副业生产；6％直接还田。
然而大量的秸秆被就地焚烧，不仅造成了严重的环境污染和火灾隐患，而且还造成了资源的极大浪费。
[8]
2、生物质燃料的定义
生物质燃料多为茎状农作物经过加工产生的块装环保新能源，其直径一般为6～8厘米，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%。
若使用添加剂，则应为农林产物，并且应标明使用的种类和数量。
欧盟标准对生物质燃料的热值没有提出具体的数值，但要求销售商应予以标注。
瑞典标准要求生物质燃料的热值一般应在16.9兆焦上。
[8]
3、生物质固化成型技术
3.1生物质固化成型的条件
3.1.1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3.1.1.1
表3.1.1.1原料含水率对成型的影响
含水率（%）
4
6
8
10
12
14
木屑
不成型
成型
成型
成型
成型
不成型
秸秆
不成型
成型
成型
成型
不成型
不成型
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3.1.1还可以得到这样的结论，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一致。
[10]
3.1.2成型温度
成型温度对成型过程、产品质量、产量都有一定的影响。
表3.1.2是温度对不同物料成型的影响。
表3.1.2.1温度对不同物料成型的影响
温度（℃）
180
200
220
240
260
280
木屑
不成型
不成型
成型较慢
成型较快
成型快
成型快
秸秆
不成型
不成型
成型较快
成型快
成型快
表面碳化严重
注：
成型快慢系同一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，加大原料与出料筒之间的磨擦，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，一般控制在240～260℃之间。
[10]
3.1.3颗粒度和压力
物料的颗粒度对成型有着重要的影响。
构成生物质成型块的主要物质形态为不同粒径的粒子，粒子在压缩过程中表现出的充填特性、流动特性和压缩特性对生物质的压缩成型有很大的影响。
通常生物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。
此时粒子开始充填空隙，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．构成成型块的粒子越细小，粒子间的充填程度就越高，接触就越紧密；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。
3.2成型过程
3.2.1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、含水率都有一定的要求。
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。
为进一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：
图3.2.1.1生物质固化成型工艺
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。
生物质的含水率一般在20%～40%，因此干燥是必不可少的过程。
干燥方式一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，但目前使用最多的还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，烧炭法适于小规模经营，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。
[12]
3.2.2成型原理
植物细胞中除含有纤维素、半纤维素还含有木质素（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、结构并不完全一样。
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，此时加以一定的压力使其与纤维素紧密粘接并与相邻颗粒互相胶接，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一原理以生物质固化成型机经热挤压制得的。
[8]
3.3生物质固化成型的技术关键
3.3.1设备
生物质固化成型的设备包括秸秆破碎机和秸秆压块机等。
3.3.1.1玉米秸秆破碎机
1）玉米秸秆破碎机简介与用途
玉米秸秆破碎机是集送料、破碎、除尘为一体的成套设备，具有就地控制和远程监控功能，可进行连续作业，破碎性能稳定，生产效率高、劳动强度低、安全可靠，是实现节能减排的生物质发电项目的理想设备之一。
2）适用范围
玉米秸秆破碎机适用于玉米秸秆、玉米芯、小麦秸秆、棉花秸杆、高粱秸秆、向日葵秸秆、稻壳、稻秆、花生壳、树枝、树叶.、甘蔗叶、锯末、中药渣、糠醛等强度低的柔性物质的破碎，特别适合以秸秆为燃料的发电厂、纤维板和化工等综合利用的破碎。
玉米秸秆、小麦杆、棉花秸杆、稻壳、花生壳、树枝树叶、锯末、中药渣、糠醛渣，农作物固体废弃物材等资源的燃烧热值与煤的热值相当，且二氧化碳的排放量仅为煤炭的十分之一。
秸秆、枝丫材等物料经过破碎后，就可以作为锅炉燃料用其发电。
利用先进的节能技术实现生物质发电，社会价值和经济价值不可估量。
节能减排的生物质发电项目为可持续发展做出了杰出贡献。
3）性能特点
（1）采用多轴破碎，且各级破碎腔交错，每一根秸秆都会经过多级破碎，破碎方向互补，克服了单纯两轴破碎机不能适应各种破碎方向的物料的缺点，能适应各种秸秆包，特别是整根打捆的秸杆包，且破碎后几乎没有漏破秸杆，因而保证物料粒度合格；每一辊筒间相互清绕，物料不会缠绕在轴上。
（2）玉米秸秆破碎机具有刀片自动修磨、自动清理杂物、防火喷淋、正反转、自动冷却等功能。
（3）玉米秸秆破碎机配套的除尘装置，可以将破碎过程中产生的粉尘吸收、处理干净；
（4）全部采用自动化控制，生产效率高，劳动强度低，安全可靠。
4）玉米秸秆破碎机的主要技术参数及外观
表3.3.1.1玉米秸秆破碎机的主要参数
机器型号
9QS-1.6-400型
9QS-1.8-600型
装袋生产效率（公斤）
1000-1200
1500-1800
需要动力
11千瓦或15马力
13千瓦或马力
刀片数量
动刀2片（对称）定刀1片
甩片数量（片）
40
60
整机重量（公斤）
750
1000
本机转速
揉草机转速2300转/分、刀转速为1100转/分
切草长度
铡切揉碎长度35-50mm
图3.3.1.1玉米秸秆破碎机
3.3.1.2秸秆压块机
1）玉米秸秆破碎机简介与用途
秸秆压块机采用平模块状与压轮之间挤压力和模孔摩擦力相互作用原理，使物料获得成型。
秸秆压块机在加工物料过程中无需加入任何添加剂或粘结剂。
2）适用范围
秸秆压块机以农村玉米秸秆,小麦杆,棉花秸杆,稻壳,花生壳,树枝.树叶.锯末等农作物.固体废弃物为原料经粉碎,加压,增密成型的秸秆炭的全套机械化生产设备。
经秸秆压块机加工成型后的秸秆炭块体积小,比重大,耐燃烧,便于储存和运输体积仅相当于原秸秆的1/30,是同重量秸秆的10-15倍，其密度为0.9-1.4g/m3.热值可达到3500-5500大卡,是高挥发物的固体燃料秸秆煤炭可以代替木柴.原煤.液化气等热源广泛用于生活炉灶,取暖炉,热水锅炉,工业锅炉,生物质电厂生物气化锅炉等。
经秸秆压块机加工过的秸秆煤炭是一种新型的生物质再生能源，环保清洁，远远低于原煤的成本和市场价格，应用范围极为广泛，城市中的采暖供热以及宾馆，饭店，洗浴等行业解决了使用燃煤锅炉不符合环保要求的难题，并解决了燃油的成本高于秸秆煤炭的十余倍之多。
[15]
3）生产加工程序
将超过物料用铡草机切割或用粉碎机进行粉碎，其物料粒长度和含水量均在规定范围内；由上料机（皮带输送机）或人工将物料均匀送到成型机上方料口内，进行压制成型即是成品。
4）秸秆压块机的主要技术参数及外观
表3.3.1.2秸秆压块机的主要参数
型号/参数
XD-1型
型号/参数
XD-2型
电机功率
18.5KW
电机功率
22KW
加热功率
2KW
加热功率
2KW
产能
1000—1500公斤/每小时
产能
1500—2000公斤/每小时
外形尺寸
2000×900×1600
外形尺寸
2000×900×1750
重量
1300公斤
重量
1500公斤
配套设备
粉碎机输送带配电柜
配套设备
粉碎机输送带配电柜
原料长度
2—55mm
原料长度
2—55mm
原料含水率
5—30%
原料含水率
5—30%
成品形状
圆条状35mm
成品形状
圆条状35mm
成品密度
0.8—1.4g/cm3
成品密度
0.8—1.4g/cm3
成品热值
3500—5500大卡
成品热值
3500—5500大卡
图3.3.1.2秸秆压块机
5）秸秆压块机的产品特点
（1）秸秆压块机设计合理、制造质量可靠、具有结构简单、操作方便、体积小、占地少、省工、省电的特点。
（2）秸秆压块机设计的全自动控制电加热装置，可随即调节物料的干湿度，解决不堵塞、不成型的难度；秸秆压块机的压轮自动调节功能，利用推力轴承双向旋转的原理自动调节压力角度，使物料不挤团、不闷机，保证出料成型的稳定，提高秸秆压块机工作效率。
（3）秸秆压块机主要部位采用了耐磨材料经特殊处理，所以可连续压制生产，耐用。
（4）秸秆压块机适用于各种生物质原材料的压制成型，且能源消耗少，生产效率高。
3.3.2碳化技术
碳化是提高成型燃料使用价值的重要手段。
碳化方式、碳化工艺直接决定了木炭的机械强度、热值、生炭含量等主要性能指标。
试验原料采用经环模颗粒成型机压缩成型的8mm玉米秸秆颗粒，颗粒密度1.29/era3。
选择表面光洁、长短均匀的颗粒分别放人已知再量的试验坩锅，用分析天平准确称量各试样重量后放人试验炉。
打开氮气，将炉温调整到105℃进行干燥，干燥后取出称重，计算试样含水率；然后调整炉温至不同温度，分别放入已知重量的试样进行炭化试验，在各温度点试验中应保持适当的氮气流量及炭化时间，以保证秸秆原料的热解过程充分进行。
炭化完成后，测定各温度下碳化物产率及炭化产物的各理化指标，分析温度对炭化程度及产量的影响，找出秸秆炭化规律及不同秸秆炭的生产工艺条件。
[11]
表3.3.2.1玉米秸秆碳化实验数据结果
炭化温度/℃
200
250
300
350
400
原料重量/g
8.12
8.01
7.86
7.54
7.22
原料干燥后重量/g
7.13
7.02
7.13
6.84
6.55
炭化后干基重量/g
7.12
5.00
3.95
3.41
2.87
干馏炭干基产率/％
99.42
71.24
55.40
49.59
43.78
干馏炭干基挥发分/％
69.10
46.97
35.75
28.61
21.47
干馏炭干基灰分/％
13.12
19.02
24.92
28.26
31.60
干馏炭干基固定炭/％
17.18
34.04
39.33
43.13
46.93
干馏炭干基低位热值/kj·kg-1
15673.0
18320.0
21318.0
21023.5
20729.0
干馏炭能源得率/％
99.53
83.27
75.35
66.63
57.90
干馏炭与干馏前体积比/％
100
94.83
83.06
76.10
69.13
干馏炭与干馏前密度比/％
100
75.13
66.71
65.02
63.33
（续表3.3.2.1玉米秸秆碳化实验数据结果）
炭化温度/℃
450
500
550
600
原料重量/g
7.12
7.01
6.67
6.33
原料干燥后重量/g
6.45
6.35
6.06
5.77
炭化后干基重量/g
2.64
2.42
2.25
2.08
干馏炭干基产率/％
40.92
38.05
37.09
36..13
干馏炭干基挥发分/％
18.01
14.55
12.16
9.76
干馏炭干基灰分/％
33.66
35.72
38.02
40.31
干馏炭干基固定炭/％
47.89
48.84
49.39
49.93
干馏炭干基低位热值/kj·kg-1
20120.5
19512.0
19362.0
19212.0
干馏炭能源得率/％
52.64
47.37
45.83
44.29
干馏炭与干馏前体积比／％
65.50
61.86
60.89
59.91
干馏炭与干馏前密度比／％
62.42
61.51
60.91
60.30
表3.3.2.2几种碳化方式的比较
烧炭法
内热式
外热式
挥发物含量（％）
12～20
12～18
12～18
固定碳含量（％）
>80
>80
>80
灰分（％）
1．5～4．0
1.0～3.0
1.0～3.0
色泽
黑色
断面有金属光泽
断面有金属光泽
发热量（Ｊ/g）
>29000
>31000
>31000
碳化得率（％）
～25
30～35
30～35
碳化周期（d）
3～7
―
１
木炭质量
不均匀
均匀
均匀
环境污染情况
烟尘滚滚
几乎无烟
有少量烟尘
4、国内外发展现状
4.1国外发展情况概述
目前，国外生物质能固体成型燃料技术及设备的研发已经趋于成熟，相关标准体系也比较完善，形成了从原料收集、预处理到生物质固体成型燃料生产、配送、应用整个产业链的成熟体系和模式国外该项技术的开发始于20世纪40年代，1948年日本申报了利用木屑为原料、采用螺旋挤压方法生产棒状成型燃料的第1个专利；70年代初，美国研究开发了环模挤压式颗粒成型机，并在国内形成大量生产；每年生物质固体成型燃料销售总量约50～60万t，占美国住宅取暖需求量的0.025%，并逐渐建立生物质成型燃料生产厂家已达到172家，生产总量达到26万t。
瑞士、瑞典、西欧等发达国家也先后开发研究了冲压式成型机、辊模挤压式颗粒成型机；生物质成型燃料已得到广泛发展。
瑞典有大型生物质颗粒加工厂10多家，单个企业的年生产能力达到20多万t；目前欧洲各个国家生物质颗粒燃料成型技术和设备已非成熟，大多是企业生产，具有规范的管理体制，自动化程度高，颗粒燃料都已有自己的国家标准，严格规范了成型燃料的生产，并形成生产供应市场化体制。
日本、韩国等，也早已有了生物质成型炭化加工的先进技术及设备。
秸秆生物质炭正在成为全球性的“绿金”产业，其正在逐步成为传统“黑金”能源的代用品。
美国于2000年开始实施“开发和推进生物质产品和生物能源”的法案。
美国政府将用十亿吨的生物质能进行液化、炭化处理，替代传统的石油和煤炭。
如今，固化成型燃烧在日本、欧、美等地已经商品化，在丹麦的阿文多发电厂，还利用木屑压缩颗粒来发电。
1985年美国生产的成型燃料已达200万t以上，同期日本平均每户家庭消耗成型燃料已达750kg。
[5]
4.2国内发展情况概述
我国从20世纪80年代中期开始生物质成型燃料的开发[3]，在引进国外先进技术的基础上，经消化、吸收，研制出各种类型的适合我国国情的生物质压缩成型机，用以生产棒状、块状或颗粒生物质成型燃料。
国内部分地区如北京、沈阳等地的一些企业也在借鉴国外先进技术和经验的基础上，研制出了生物质成型炭化即机制木炭加工的成套设备。
目前，我国生物质成型加工技术已经有了较为广泛的应用，成型的燃料分颗粒状和棒状两大类，成型工艺大致可划分为湿压（冷压）成型、热压成型、炭化成型等。
[3]
清华大学清洁能源研究与教育中心已开发出生物质颗粒燃料冷成型技术和设备，并在北京怀柔区组织了示范项目[6]，环境科学与工程系也有相关研究[7]。
国内一些生产颗粒饲料的厂家也开始在原设备的基础上生产生物质致密成型燃料。
河南农业大学农业部可再生能源重点实验室从1992年开始相继开发生产了液压式、辊压式和螺杆式生物质致密成型机，并以进行小批量生产，取得了较好的社会效益和经济效益。
5、生物质燃料的发展前景
生物质能源是唯一可再生、可替代化石能源转化成气态、液态和固态燃料以及其它化工原料或者产品的碳资源.以生物质资源为主要原料,通过不同途径转化为洁净的、高品位的气体、液体或固体燃料，已成为国内外众多学者研究和关注的热点。
[13]纤维素乙醇因被
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