生物質(zhì)原料烘焙預處理研究

可生根候說(shuō)點(diǎn)環(huán)統生物質(zhì)原料燃焙預處理研究凌云逸1孫鍥1 Ronald Wennersten2(1山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院2山東大學(xué)熱科學(xué)與工程研究中心山東濟南250061)摘要烘焙預處理是生物質(zhì)氣化或混合煤炭燃燒之前的預熱處理過(guò)程。綜迷國外研究資料的基礎上,建立了包括質(zhì)量產(chǎn)率、能量產(chǎn)率、高熱值、氧碳比、含水量、研磨能耗等6項參數在內的綜合評價(jià)指標和標準,研究了草蘆、秸稈、松木屑、鋸末、柳樹(shù)木屑等生物質(zhì)原料的烘焙預處理方式。研究發(fā)現:松木屑、鋸末、秸稈的理想烘焙條件為:烘焙時(shí)間0.5h,烘焙溫度依次為250-275℃、250℃、230-250℃;柳樹(shù)木屑的理想烘焙條件為:烘焙時(shí)間Ih、烘焙溫度230℃。草蘆在各烘焙條件下均無(wú)法達到標準水平。關(guān)鍵詞生物質(zhì)烘焙預處理評價(jià)標準烘焙時(shí)間烘焙溫度中圖分類(lèi)號:TK69文獻標識碼:A文章編號:1672-9064(2015)04085-03引言表1原料元素分析和工業(yè)分析隨著(zhù)傳統化石能源的逐步枯竭和環(huán)境問(wèn)題的日益惡化,元素分析工業(yè)分析生物質(zhì)名稱(chēng)積極開(kāi)發(fā)和利用可再生能源成為各國能源發(fā)展的重要戰略。CHN0水分揮發(fā)分灰分固定碳生物質(zhì)能是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)內的能量形草芹48.66.80.33734.782.55512.1式,其燃燒產(chǎn)生的CO2為植物通過(guò)光合作用所吸收的,可實(shí)秸稈47.36.80.837.74.176.46.317.3現二氧化碳零排放,且其原料廣泛來(lái)源于農林廢棄物,因此柳樹(shù)木屑4996.50.23992.887.61710.7具有環(huán)境友好和節能減排的雙重作用,對于實(shí)現可持續發(fā)展柳樹(shù)木屑45.86.20.147.23.480.20.615.5具有重要意義。開(kāi)發(fā)和利用生物質(zhì)能需要解決一系列和其本身性質(zhì)有松木屑47.26.60.145.76.685.90.213.7鋸末4726.20.445.17.982.11.716關(guān)的問(wèn)題。例如:生物質(zhì)一般具有較高的含水量和較低的能量密度,因此利用效率和相應的運輸存儲成本較高;強韌的注數據來(lái)源于文獻[5~7],其中松木屑原產(chǎn)地為佐治亞州的Ogeorpe,尺寸大小約為長(cháng)20-70mm、厚1.8-4.9mm、寬15纖維結構增加了加工利用的工藝難度等田。烘焙預處理技術(shù)40mm;鋸末原產(chǎn)地 Macon GA,主要成分為南部黃松木的木屑、樹(shù)是一種提升生物質(zhì)燃料品質(zhì)的重要技術(shù),通過(guò)烘焙預處理可枝樹(shù)皮葉片及其他小顆粒;草蘆、秸稈原產(chǎn)地均為英國 Woburn以有效地減輕或者解決上述問(wèn)題山影響生物質(zhì)烘焙預處理Experimental Farm;柳樹(shù)木屑產(chǎn)自北愛(ài)爾蘭的 Rural Generation的三個(gè)重要因素為:原材料、烘焙溫度和烘焙時(shí)間23(4)烘焙階段指溫度從200C.升至實(shí)驗溫度再降回200℃02烘焙預處理技術(shù)的階段,該過(guò)程中的最高溫度即烘焙溫度,該過(guò)程的時(shí)間即烘焙是指在20030c的較低溫度下的熱處理過(guò)程生烘焙時(shí)間大量物質(zhì)在這一階段發(fā)生反應。物質(zhì)原料通過(guò)烘焙后,燃料能量密度增大,基本與低品質(zhì)煤(5)冷卻階段指產(chǎn)物從200℃降至室溫的階段相當,含水量降低,因此更適合于直接投入火電廠(chǎng)與煤炭混在這5個(gè)工序中除烘焙以外的4個(gè)階段固體質(zhì)量均不合燃燒發(fā)電供熱“。此外烘焙預處理還可以極大地降低生發(fā)生變化,僅在前3個(gè)階段原料含水量會(huì )降低,其他結果影物質(zhì)燃料的運輸成本和存儲成本。響不大。所以,本文重點(diǎn)研究烘焙階段的溫度和時(shí)間對不生物質(zhì)的種類(lèi)很多,本文以草蘆和秸稈(草本類(lèi))松木同生物質(zhì)原料烘焙預處理效果的影響。屑和鋸末(軟木類(lèi))柳樹(shù)木屑(硬木類(lèi))為代表,其元素分3評價(jià)標準析及工業(yè)分析如表1所示。一般來(lái)說(shuō),評價(jià)烘焙效果的主要指標包括質(zhì)量產(chǎn)率、能烘焙預處理過(guò)程一般包括:預熱、預干燥、升溫、烘焙、冷量產(chǎn)率、高熱值、含水量研磨能耗氧碳比,本文利用這卻等工序些指標,整合成為以下評價(jià)烘焙效果的綜合標準。(1)預熱階段原料溫度由室溫開(kāi)始上升,該階段結束時(shí)質(zhì)量產(chǎn)率為原料烘干前后質(zhì)量的比值,能量產(chǎn)率為質(zhì)量自由水開(kāi)始蒸發(fā)產(chǎn)率乘以烘干前后低溫熱值的比值(2)預干燥階段溫度維持在穩定數值,原料中大量自由這2個(gè)指標是評價(jià)烘焙過(guò)程能量致密效率的參數,通常水蒸發(fā)。以質(zhì)量產(chǎn)率70%左右,能量產(chǎn)率90%左右作為一次理想烘(3)升溫階段溫度迅速升至20℃原料中結合水開(kāi)始焙的變化比例釋放其他少量物質(zhì)也開(kāi)始蒸發(fā)。中國煤化工基金項目:2014年山東省自然科學(xué)基金(2014ZRE27461)CNMHG作者簡(jiǎn)介:凌云逸(1994-),山東大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院本科生通訊作者:孫鍥(1982~),山東大學(xué)熱科學(xué)與工程研究中心博士、講師2015NO4制源而環(huán)統可再生能源N167高位熱值(HV)是生物質(zhì)的一項重要指標。在烘焙生表4鋸末烘焙0.5h物質(zhì)原料的過(guò)程中,隨著(zhù)溫度的升高,若高位熱值的增大不質(zhì)量能量足以彌補由于質(zhì)量損失而減少的能量時(shí),就沒(méi)有必要追求更溫度產(chǎn)率高熱值研磨能耗含水量/%%(kg) /(kWh/t)高的高位熱值7。實(shí)際中,生物質(zhì)燃料通常以提升5%的熱ref10010018.9236.77.9值,即達到20-21MJkg左右作為平均水平,該熱值與電廠(chǎng)中225889219.7(+4%)113.8(-51%)3.1(-60%)燃煤熱值(22-23MJkg)相當9。250819221.2(+11%)110.4(-53%)2.7(-66%)氧碳比為原料中氧元素含量與原料中碳原料含量的比275708222.0(+16%)78.0(-67%)2.6(-66%)值。通常氧碳比越低越適合燃燒,煤炭的氧碳比一般在0.2226.4(+39%)37.6(-84%)2.3(-70%)以?xún)?本文以氧碳比降低10%至07左右作為理想烘焙的表5草蘆烘焙0.5h評價(jià)標準溫度聲高熱值含水量含水量為原料中結合水的質(zhì)量與原料總質(zhì)量的比值。含7℃%%(M/kg)氧碳比水量是影響生物質(zhì)燃料運輸存儲成本的重要因素,本文以含0010019.50.774.7水量降低50%作為理想烘焙的評價(jià)標準230929325(-46%)研磨能耗是將烘焙后的生物質(zhì)原料研磨為直徑小于250848620.0(+2%)0.74(-4%)1.9(-59%)1.5mm所需的單位能耗,是衡量生物質(zhì)材料研磨難易程度的270727720.8(+6%)0.71(-6%)1.3(-72%)重要參數。未經(jīng)處理的生物質(zhì)原料研磨能耗非常大,通常在290616921.8(+11%)0.67(-12%)1.2(-74%)20 kWh/t以上,烘焙可以將生物質(zhì)的研磨能耗降低至20注:“-”表示未測到該項數據,下同。oKWh左右③。因此,本文將烘焙后研磨能耗降低50%作表6秸稈烘焙0.5h為理想烘焙的評價(jià)標準。溫度質(zhì)高熱值含水量綜合相關(guān)文獻,本文擬確定表2所示的理想烘焙標準。/(MI/kg)氧碳比ref 10018.9表2理想烘焙標準9.4(+2%)1.5(-63%)質(zhì)量能量產(chǎn)率產(chǎn)率高熱值能耗含水量氧碳比619.8(+4%)0.72(-%)0.9(-78%)270717820.7(+9%)0.64(-19%)0.3(-92%)絕對數值>20MJ/kg<80kWh/t<3<0.72055652.6(+19%)0.49(-3%5)08(-809%)相對比例≈70%≈90%+5%50%%-10%焙時(shí)間為0.5h)烘焙溫度可選擇230-250℃。4典型生物質(zhì)的烘焙實(shí)驗4.5柳樹(shù)木屑4.1松木屑柳樹(shù)木屑實(shí)驗數據如表7所示。對照表2,0.5h烘焙時(shí)松木屑烘焙實(shí)驗數據如表3所示。對照表2,對于松木間內并無(wú)達標的烘焙溫度。屑(烘焙時(shí)間為05h)烘焙溫度以250-275℃為宜。表7柳樹(shù)木屑烘焙0.5h表3松木屑烘焙0.5h質(zhì)量能量溫度聲薩葉高熱值研磨能耗含水量溫度產(chǎn)率產(chǎn)率(M/kg)高熱值氧碳比含水量/%/%/(M/kg)/(kWht)ref10010018.4237.76.6230959620.2(+1%)0.78(-2%)0.5(-82%)225899419.4(+5%)102.6(-56%)3.3(-50%)250899220.6(+3%)0.75(-6%)0.1(-96%)250829020.0(+8%)714(-69%)2.8(-56%270798521.4(+7%)0.70(-12%)0.1(-96%)275738721.8(+18%)52.0(-78%)24(-63%)7921.9(+9%)0.67(-16%)0.0(-100%)300527125.3(+37%)23.9(-89%)2.5(-61%柳樹(shù)木屑烘焙Ih的實(shí)驗數據如表8所示。對照表2,烘注:ref指未處理材料,下同焙溫度230℃即可。4.2鋸末表8柳樹(shù)木屑烘焙lh鋸末實(shí)驗數據如表4所示,對照表2,對于鋸末(烘焙時(shí)間為05h)烘焙溫度可選擇250℃,若對研磨能耗要求較高,度質(zhì)量產(chǎn)率能量產(chǎn)率高熱值/(MJ/kg)氧碳比可選擇適當升高10~20℃。4.3草蘆638023.7(+28%)0.6(-45%)草蘆烘焙實(shí)驗數據如表5所示。對照表2,草蘆在05h6828.53(+55%)0.4(-63%)的烘焙時(shí)間下,難以找到合適的烘焙溫度。因此,草蘆作為生中國煤化工)0.3(-72%)物質(zhì)燃料的可行性需要進(jìn)一步研究5結論CNMHG44秸稈結合5種生物質(zhì)原料的烘焙實(shí)驗數據,確定其理想的烘秸稈烘焙實(shí)驗數據如表6所示。對照表2,對于秸稈(烘焙溫度與時(shí)間如表9所示。2015NO.4可再生能罩制源卣環(huán)境表9理想烘培時(shí)間與溫度w. biomass and bioenergy 35(2011)原料種類(lèi)烘焙時(shí)間/h焙溫度/℃2 Nikos Nikolopoulos, Rafail L. Isemin, and Oleg Y. Milovanov. ANew松木屑0.5250-275Modeling Approach and New Two-Stage Reactor for Straw Pellets鋸末0.5Torrefaction for Energy. Intemational Journal of Chemical Engineer秸稈230-250ing and Applications, 2012, Vol3柳樹(shù)木屑2303趙輝,周勁松,曹小偉,駱仲泱,岑可法.生物質(zhì)烘焙預處理對氣流床0.5h烘焙時(shí)間內無(wú)合適的烘焙溫度氣化的影響.太陽(yáng)能學(xué)報,2008.Vol,29根據表9,主要結論如下:4 P C.A. Bergman. Combined torrefaction and pelletisation the TOPprocess. Dutch: Energy research Center of the Netherlands, 2005(1)在05h的烘焙條件下,不同類(lèi)型生物質(zhì)原料的理想5 Manunya Phanphanich, Sudhagar Mani. Impact of torrefaction on the烘焙溫度是不一樣的。grindability and fuel characteristics of forest biomass. Bioresource(2)隨著(zhù)烘焙溫度的升高,對于溫度的敏感程度由高到Technology 102(2011)低依次為:草本類(lèi)>軟木類(lèi)>硬木類(lèi)。6 T.G. Bridgeman, J M. Jones, I. Shield b, P.T. Williams. Torrefaction of(3)一般來(lái)說(shuō),高溫烘焙(290℃以上)并不利于提高能量reed canary grass, wheat straw and willow to enhance solid fuel qual產(chǎn)率,因此在中溫烘焙(250℃左右)不能達到理想效果時(shí),可ities and combustion properties. Fuel 87(2008)適當延長(cháng)時(shí)間,避免過(guò)度升溫。7 Wei-Hsin Chen, Wen-Yi Cheng, Ke-Miao Lu, Ying-Pin Huang. An通過(guò)研究可以看出,本文建立的烘焙技術(shù)綜合評價(jià)標evaluation on improvement of pulverized biomass property for solid準,即:質(zhì)量產(chǎn)率、能量產(chǎn)率、高熱值、含水量、研磨能耗、氧碳fuel through torrefaction. Applied Energy 88(201n)比,能夠綜合的反應烘焙過(guò)程的效果。利用該綜合評價(jià)標準8 P.C. A. Bergman, A.R. Boersma, R. W.R. Zwart, J. H.A. Kiel. Torrefad本文對常見(jiàn)的不同類(lèi)型生物質(zhì)原料的烘焙工藝進(jìn)行了研究tion for biomass co-firing in existing co-fired power stations. DutchEnergy research Center of the Netherlands 2005得出理想烘焙條件,并進(jìn)一步歸納出烘焙過(guò)程中不同指標的9 JJ. Chew, V. Doshi. Recent advances in biomass pretreatment變化規律。此外,烘焙成本是影響實(shí)際技術(shù)選擇的重要因素Torrefaction fundamentals and technology. Renewable and Sustain未來(lái)應該把烘焙的技術(shù)指標和經(jīng)濟成本結合,做進(jìn)一步研able Energy Reviews 15(2011)究10 FVerhoeff, A Adeli I Amuelos. Torrefaction Technology for the參考文獻duction of solid bioenergy carriers from biomass and waste. DutchI M.J.C. van der Stelt, H. Gerhauser, J. H.A. Kiel b, K.J. Ptasinski.Energy research Center of the Netherlands. 2011Biomass upgrading by torrefaction for the production of biofuels: A(上接第83頁(yè))企業(yè)設備檢查方法大體分3種:①一般性檢查,即維修人員(4)加強先進(jìn)的檢測技術(shù)在生產(chǎn)中的運用。傳統的設備在檢查設備時(shí)是通過(guò)人的“五感”(問(wèn)診、目視、嗅診、聽(tīng)聲、手檢測方法存在諸多弊端已經(jīng)不符合社會(huì )發(fā)展的需要。企業(yè)觸)來(lái)判斷設備運行中發(fā)生的異?，F象,從而來(lái)判斷設備的要逐步推行先進(jìn)的狀態(tài)檢測技術(shù)和故障診斷技術(shù),積極研發(fā)故障原因,并及時(shí)采取相應處理措施對設備進(jìn)行維修,保證簡(jiǎn)易低廉的儀器儀表和檢測工具,同時(shí)要利用現代計算機技設備經(jīng)常處于良好的運行狀態(tài)。具體對設備故障的檢查方法術(shù)功能,對設備出現的異常情況及時(shí)做出判斷。就要體現在:問(wèn)診一向操作人員詢(xún)問(wèn)故障發(fā)生經(jīng)過(guò)及出現的4結語(yǔ)癥狀,弄清是突發(fā)的漸發(fā)的或維修后發(fā)生的,及以前的處理隨著(zhù)生產(chǎn)技術(shù)和工藝不斷向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展方法;日視一觀(guān)察設備運行中是否缺件、破損,各個(gè)部是否有企業(yè)對預防設備故障的維修要求越來(lái)越高,設備新型狀態(tài)監松動(dòng)、冒煙和冒火花等情況;嗅診一嗅現場(chǎng)氣味,如油焦味、測措施及設備故障預防技術(shù)在企業(yè)中占主導地位。借助于逐絕緣老化味等;聽(tīng)聲一聽(tīng)設備在運行當中是否有異常響聲等步成熟的設備狀態(tài)監測和故障診斷技術(shù)、人工智能、專(zhuān)家系現象;手觸一摸設備在運行中是否有升溫及振動(dòng)等現象。②統等先進(jìn)理論和方法,建立新的預知維修管理模式促進(jìn)了目前大多數企業(yè)采用對設備進(jìn)行的日歷化檢查計劃對設備設備維修管理模式的不斷改進(jìn)和發(fā)展,這種新的維修管理模確定的部位進(jìn)行拆檢和修理保證設備正常運轉。③采用專(zhuān)式將成為現代化設備維修管理的發(fā)展方向。用的檢測儀器對設備進(jìn)行定期檢測、診斷,來(lái)判斷設備性能的優(yōu)劣情況,以提前采用相應措施對設備進(jìn)行維修保養科普知識創(chuàng )意設計產(chǎn)業(yè)M凵中國煤化工工業(yè)設計作為文化創(chuàng )意產(chǎn)業(yè),現代服務(wù)業(yè),生產(chǎn)性服務(wù)廣。工業(yè)設計CNMHG”。工業(yè)設計是業(yè),綠色智力產(chǎn)業(yè),具有與生俱來(lái)的低碳經(jīng)濟優(yōu)勢?！肮I(yè)設在市場(chǎng)竟爭中實(shí)現綜合品牌價(jià)值的關(guān)鍵手段計”一直被經(jīng)濟發(fā)達國家或地區作為核心戰略予以普及與推2015.NO.4