1、,第一节 生物质压缩成型原理及工艺第二节 压缩成型工艺流程与设备第三节 生物质炭化技术,生物质能工程第四章 生物质成型燃料技术,主要教学内容及要求：,了解：生物质压缩成型的工艺类型，生物质压缩成型的工艺流程和设备类型，螺旋挤压成型机、活塞冲压成型机和压辊成型机的特点、炭化炉的类型和特点理解：生物质压缩成型的原理，螺旋挤压机、活塞冲压成型机和压辊式成型机的工作原理、干馏法制炭燃料热分解过程中的化学变化掌握：生物质压缩成型燃料的概念，延长螺旋挤压机成型部件使用寿命的方法，螺旋挤压成型、活塞冲压成机和压辊成型的特点，生物质炭化的操作过程，机制炭的特点与生产方法熟练掌握：生物质压缩成型工艺影响因素,第
2、一节 生物质致密成型原理及工艺,1.1 基本概念,生物质压缩成型燃料技术：在一定温度和压力作用下，利用木质素充当黏合剂，将各类分布散、形体轻、储运困难、使用不便的生物质原料经压缩成型和炭化工艺，加工成具有一定几何形状、密度较大的成型燃料，以提高燃料的热值，改善燃烧性能，使之成为商品能源。也称为“压缩致密成型”、“致密固化成型”、“生物质压块”。,生物质压缩成型燃料：松散的秸杆、籽壳、树枝、锯末等纤维质、木质生物质废料经热挤压工艺制成的固形燃料。,生物质压缩成型燃料类型： 粒状、棒状、块状等,用途：家庭取暖炉小型热水锅炉热风炉小型发电设施等等。,生物质压缩成型燃料特点：密度高、强度大：体积缩小6
3、8倍，密度约为1.11.4t/m3；热值高：热值可达到16.7MJ/kg，能源密度相当于中质烟煤；燃烧性能好：使用时火力持久，炉膛温度高，燃烧特性明显得到改善。形状和性质均一：便于运输和装卸、适应性强、燃料操作控制方便等。,1.2 生物质压缩成型原理,（一）压缩过程中生物质的粒子特性 生物质压缩成型过程中粒子状态变化生物质压缩成型分为两个阶段。第一阶段，在压缩初期，较低的压力传递至生物质颗粒中，使原先松散堆积的固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，粒子开始充填空隙，粒子间更加紧密地接触
4、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。,成型物内部粒子的粘结机制1962年德国的Rumpf针对不同材料的压缩成型，将成型物内部的粘结力类型和粘结方式分成5类:固体颗粒桥接或架桥(Solid bridge)；固体粒子间的充填或嵌合；自由移动液体的表面张力和毛细压力；非自由移动粘结剂作用的粘结力；粒子间的分子吸引力(范德华力)或静电引力。,压缩过程的影响粒子变化的因素含水率。生物机体内适量的结合水和自由水是一种润滑剂，使粒子间的内摩擦变小，流动性增强，从而促进粒子在压力作用下滑动而嵌合。颗粒尺寸。构成成型块的粒子越细小，粒子间充填程度就越高，接触越紧密；当粒子的粒度小到一
5、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。,（二）压缩成型时生物质的化学成分变化（1）木质素是生物质固有的最好的内在粘接剂。 木质素100才开始软化，160开始熔融形成胶体物质。在压缩成型过程中，木质素在温度与压力的共同作用下发挥粘结剂功能，粘附和聚合生物质颗粒，提高了成型物的结合强度和耐久性。（2）水分是一种必不可少的自由基。 水分流动于生物质团粒间，在压力作用下，与果胶质或糖类混合形成胶体，起粘结剂的作用。水分还有降低木质素的玻变(熔融)温度的作用，使生物质在较低加热温度下成型。,（3）半纤
6、维素与纤维素的作用。半纤维素水解转化为木糖，也可起到粘结剂的作用。纤维素分子连接形成的纤丝，在粘聚体内发挥了类似于混凝土中“钢筋”的加强作用，成为提高成型块强度的“骨架”。（4）其它化学成分的作用。生物质所含的腐殖质、树脂、蜡质等对压力和温度比较敏感。当采用适宜的温度和压力时，也有助于在压缩成型过程中发挥粘结作用。生物质中的纤维素、半纤维素和木质素在不同的高温下，都能受热分解转化为液、固和气态产物。将生物质热解技术与压缩成型工艺结合，利用热解反应产生的热解油或木焦油作为黏结剂，有利于提高粒子间的黏聚作用，提高成型燃料的品位和热值。,1.3 生物质压缩成型的工艺类型,热压缩成型技术、冷压缩成型技
7、术、炭化成型技术“热压缩”颗粒成型技术是把粉碎后的生物质在220280高温及高压下压缩成1 t/m3左右的高密度成型燃料。“热压缩”技术的工艺由粉碎、干燥、加热、压缩、冷却过程组成。对成型前粉料含水率有严格要求，必须控制在8% 12%。,“冷压缩”颗粒成型技术也称湿压成型工艺技术。对原料含水率要求不高。其成型机理是在常温下，通过特殊的挤压方式，使粉碎的生物质纤维结构互相镶嵌包裹而形成颗粒。因为颗粒成型机理的不同，“冷压缩”技术的工艺只需粉碎和压缩2个环节。特点：“冷压缩”技术与“热压缩”技术相比，具有原料适用性广，设备系统简单、体积小、重量轻、价格低、可移动性强，颗粒成型能耗低、成本低等优点。
8、,炭化成型技术根据工艺流程分为两类：先成型后炭化、先炭化后成型先成型后炭化：先用压缩成型机将生物质物料压缩成具有一定密度和形状的棒料，然后在炭化炉内炭化成为木炭。先炭化后成型：先将生物质原料炭化或部分炭化，然后加入一定量的黏结剂压缩成型。特点：炭化过程高分子组分受热裂解转化成炭，并释放出挥发分，因而其挤压加工性能得到改善，功率消耗也明显下降。炭化后的原料在挤压成型后维持既定形状的能力较差，故成型时一般都要加入一定量的黏结剂。,1.4 生物质成型影响因素,成型压力原料含水率原料颗粒度原料的种类温度黏结剂,成型压力压力的作用：破坏原生物质的物相结构，组成新的物相结构；加强分子间的凝聚力，提高成型体
9、的强度和刚度；为生物质在模具成型提供必要的动力。当压力较小时，密度随压力增加而增加的幅度较大，当压力增加到一定值以后，成型物密度的增加就变得缓慢。成型压力与模具的形状尺寸有密切的关系。,原料含水率当原料水分过高时，加热过程中产生的蒸汽不能顺利地从燃料中心孔排出，造成表面开裂，严重时会伴有爆鸣。但含水率若过低，成型也很困难，因为微量水分对木质素的软化、塑化有促进作用。如：对于颗粒成型燃料，一般要求原料的含水率在15% 25%；对于棒状成型燃料，则要求原料的含水率不大于10%。,原料颗粒度在相同的压力及实验条件下，原料粒径越小，越易成型。当成型方式已定，原料粒度应不大于成型料尺寸。如：对于直径6m
10、m的颗粒燃料，其原料粒度应小于5 。原料粒度还影响成型机的效率及成型物的质量。原料粒度较大时，能耗大，产量小。原料粒度形态差异较大时，成型物表面易产生裂纹。但对有些成型方式，如冲压成型时，要求原料有较大的尺寸或较长的纤维。,原料的种类不同种类原料的压缩成型特性差异很大。原料的种类不但影响成型质量，而且影响成型机的产量及动力消耗。在不加热条件下，木材废料一般较难压缩，而纤维状植物秸秆和树皮等容易压缩。但在加热条件下，木材废料反而容易成型，而植物秸秆和树皮等不易成型。思考一下原因？,温度影响原料成型，而且影响成型机的工作效率。一般到控制在150 300 ，可根据原料形态进行调整。加热的作用：使原料
11、中含有的木质素软化，起到粘结剂的作用，使原料本身变软，变得容易压缩。加热温度过低，不但原料不能成型，而且功耗增加；加热温度过高，电机功耗减小，但成型压力变小，颗粒挤压不实，密度变小，容易断裂破损。且燃料表面过热，容易烧焦，烟气较大。,黏结剂要求：必须能够保证成型炭块具有足够的强度和抗潮解性，而且在燃烧时不产生烟尘和异味，最好黏结剂本身能够燃烧。常用的黏结剂无机黏结剂：水泥、黏土、水玻璃等；有机黏结剂：焦油、沥青、树脂、淀粉等；纤维类黏结剂：废纸浆、水解纤维等；,1.5 生物质成型燃料的性能指标,生物质成型燃料生产原料的种类不同，成型方式各异，使得燃料的品质特性差异较大。生物质成型燃料的品质特性
12、包括成型块的物理特性和燃烧特性。1.5.1生物质成型燃料的物理特性直接决定成型燃料的使用要求、运输要求和收藏条件。衡量指标：松驰密度、耐久性,生物质成型燃料的物理特性,（1）松驰密度生物质成型块在出模后，由于弹性变形和应力松驰，其压缩密度逐渐减小，一定时间后密度趋于稳定，此时成型块的密度称为松驰密度。与生物质的种类、压缩成型的工艺条件有密切关系。生物质的含水量、组成成分也有显著影响。提高松驰密度密度的途径： 采用适宜的压缩时间，控制成型块在模具内的应力松驰和弹性变形，阻止成型块出模后压缩密度的减小趋势； 生物质粉碎，尽可能减小粒度，并适当提高生物质压缩成型的压力、温度或添加黏结剂，最大限度降低
13、成型块内部的空隙率，增强结合力。,生物质成型燃料的物理特性,（2）耐久性耐久性反映成型块的黏结性能，是由成型块的压缩条件及松驰密度决定的。耐久性体现在成型块的不同使用性能和储藏性能方面，具体细化为：抗变形性采用强度试验测量其拉伸强度和剪切强度，用失效载荷值表示成型块的强度；抗跌碎性、抗滚碎性用跌落试验和翻滚试验或冲击试验来检验；抗渗水性计算成型块在一定时间内浸入水中的吸水率；或记录成型块在水中完全剥落分解的时间；抗吸湿性等指标。,2.5.2生物质成型燃料的燃烧特性,生物质成型燃料密度较大，挥发分的溢出速度最和传热速度都比生物质大大降低。燃烧开始时挥发分慢慢分解，燃烧处于动力区，随着挥发分燃烧逐
14、渐进入过渡区和扩散区，燃烧速度适中，能够使挥发分放出的热量及时传递给受热面，排烟热损失低。同时，挥发燃烧所需的氧与外界扩散的氧匹配较好，挥发分燃烧完全，能量损失和排烟热损失小。挥发分燃烧完毕，剩余的焦炭骨架结构紧密，运动的气流不能使骨架悬浮，骨架保持层状燃烧，形成层状燃烧核心。这时炭燃烧所需的氧与静态渗透扩散的氧相当，燃烧稳定、完全，减小了能量及热损失。,第二节 生物质致密成型工艺流程与设备,2.1 生物质压缩成型的工艺流程,生物质收集工厂化加工主要涉及的问题：加工厂的服务半径；农户供给加工厂的原料的形式；原料状况。,物料粉碎木块、树皮、植物秸杆等尺寸较大的原料要时行粉碎，粉碎作业尽量在粉碎机
15、上完成；锯末、稻壳等只需清除尺寸较大的异物，无需粉碎。对颗粒成型燃料，一般需要将90%左右的原料粉碎到2mm以下，必要时原料需进行二次甚至三次粉碎。常用粉碎机械：锤片式粉碎机。,干燥干燥处理的原因：水分含量超过经验值上限时，加工过程中当温度升高时，体积突然膨胀，易发生爆炸造成事故；水分含量过低时，会使范德华力降低，物料难以成型。物料湿度一般要求在1015%之间，间歇式或低速压缩工艺中可适当放宽。常用干燥机有回转圆筒干燥机、立式气流干燥机。,回转圆筒干燥机：构造：,优点：生产能力大，运行可靠，操作容易，适应性强，流体阻力小，动力消耗低。缺点：设备复杂，体积庞大，一次性投资高，占地面积大。,干燥过
16、程：原料进入干燥筒；干燥筒作低速回转运动。干燥筒向出口方向下倾210，并在筒内安装有抄板。物料在随干燥筒回转时被抄起后落下，由热风发生炉产生的热风加热干燥；由于干燥筒的倾斜及回转作用，原料被移送到出料口排出机外。,干燥筒内操作方式：逆流操作干燥器内传热与传质推动力比较均匀，适用于不允许快速干燥的热敏性物料。干燥处理后物料含水率较低。顺流操作适用于原料含水量较高，允许干燥速度快，在干燥过程中不分解，能耐高温的非热敏性物料。,立式气流干燥设备：构造：,特点：原料在气流中分散性好，故干燥的有效面积大，干燥强度高，生产能力大，从而干燥时间大大缩短；干燥过程中采用顺流操作，入口处气温高而原料温度大，能充
17、分利用气体的热能，故热效率高；设备简单，占地面积小，一次性投资少，可同时完成输送作业，工艺流程简化，便于实现自动化作业。,干燥过程：热风发生炉产生的热风在抽风机作用下被吸入干燥管道内；同时，被干燥的原料由加料口加入与热风汇合，二者在干燥管内充分混合并向前流动，完成干燥过程。干燥后的物料被吸入离心分离器分离，然后从出料口排出。湿空气被风机抽出排放。,预压缩为提高生产率，在推进器进刀前先把松散的物料预压一下，然后再推入成型模具。多采用螺旋推进器、液压推进器。压缩,F1机器主推力，F2摩擦力，F3模具壁的向心反作用压力，模具内壁的倾斜夹角。影响F1大小的是F2和料块的密度、直径等，影响F2大小的是和
18、模具的温度。是成型模设计的关键因素，它随着料块的直径、密度、原料类型而有不同的要求。 的确定需要经过试验，一般从3开始，用插入法进行调试。模具设计有内模和外模，外模是不变的，内模可以调换。,加热棒形成型机的加热温度一般在150300之间；颗粒成型机没有外热源加热，但成型过程中原料与机器工作部件之间的摩擦作用可将原料加热到100左右。加热方式：电阻丝加热、导热油加热。应先预热后开机。也可加大成型模内壁的夹角，利用挤压过程中产生摩擦热加热。但动力消耗大，螺旋头和模具磨损加剧，一般3050h就得更换螺旋头。,添加黏结剂目的：增加压块的热值，同时增大黏结力。方法：加入10%20%的煤粉或炭粉。注意事项
19、：添加要均匀，避免因相对密度不同造成不均匀聚结；纯增加黏结力，减少动力输入。要求：生物质颗粒尺寸要小，便于黏结剂均匀接触。一般在预压前输送的过程中添加，以便于搅拌。,保型目的：使已成型的生物质棒消除部分应力，使料块形状固定下来。方法：在生物质成型后的那段套筒内进行。此段套筒内径略大于压缩成型的最小部位直径，成型料进入后适量膨胀，消除部分应力。保型套筒端部有开口，用以调整保型套筒的保型能力。保型筒直径的影响：若保型筒直径过大，生物质会迅速膨胀，容易产生裂纹；直径过小，应力得不到消除，出品后会因温度突然下降发生崩裂或粉碎。,2.2 生物质压缩成型技术与设备,螺旋挤压成型技术,活塞冲压成型技术,压辊
20、式成型技术,压辊成型机,2.2.1 螺旋挤压成型技术,（一）螺旋挤压机类型双螺杆挤压机单螺杆挤压机加热螺旋挤压机大型机：纯压缩型锥形螺杆压缩机、双螺杆压缩机小型机： 外部加热成型螺旋挤压机,双螺杆挤压机：在“8”字型的成型套内，安置2个相互啮合的变螺距螺杆。特点：对原料的预处理要求不严，原料粒度在3080mm之间，水分含量可高达30%。物料干燥由机械压缩来完成。在压缩过程中，由于摩擦生热使生物质在机器内干燥，生成的蒸汽从蒸汽逸出口逸出。需要大型的电机，能耗较高；推力轴承、密封装置、齿轮传动装置需要维护保养，成本增加。,根据双螺杆的旋转方向不同，双螺杆式挤压成型机可分为同向旋转（物料混合较好）和
21、异向旋转两种（物料塑化性能较好）；根据两根螺杆相对位置不同，双螺杆式挤压成型机又可分为啮合型和非啮合型（稳定性差，很少应用）。,单螺杆挤压机：生物质原料被旋转的锥形螺杆压入压缩室，然后被螺杆挤压头挤入模具。工艺过程：成型原料依靠重力落入螺旋压缩成型机械中；锥形螺杆在动力机械的带动下，推动成型原料进入横截面积渐渐变小的压缩成型筒内；成型物料在锥形螺杆和压缩成型筒作用下，内压应力越来越大，在压缩成型筒顶端达到最大内压应力而成型；再经过一段应力松弛段，物料被推出螺旋压缩成型机械，成为成型物料。,锥形螺杆挤压的工艺条件：成型压力60100Mpa，成型棒的密度为1.21.8t/m3。为了降低螺旋压缩成型
22、设备的功耗，可以在成型原料中加人粘结剂。物料在高压下密度增大，并在粘结剂的作用下成型。特点：螺旋头和模具磨损严重，寿命短（如花生壳原料100h，稻壳300h），需采用硬质合金，维修费用高。,加热螺旋挤压机在螺旋压缩机压缩成型筒外设置一加热装置，使筒温保持在220280，生物质中的木素受热塑化后具有粘性，从而降低螺旋压缩成型设备的功耗。为了缩短加热段长度，可以在压缩原料进入压缩成型筒之前就进行预热。,制 棒 机,加热螺旋挤压的工艺过程：粉碎原料经干燥后从料斗连续加入，进入螺杆套筒压缩副；物料通过机体内壁和转动螺杆（约600r/min）表面的摩擦作用不断向前输送，生物质被部分压缩。由于强烈的剪切、
23、混合搅拌和摩擦产生大量热量而使生物质温度逐渐升高；在压缩区，生物质在较高温度（200250）下变的相对柔软，水分蒸发有助于生物质的润湿。由于失去弹性，在压力作用下，颗粒间的接触面积增加，形成架桥和联锁，物料开始黏结。在锥形模具区，生物质被进一步压缩（250）成型。中空的成型棒成品出成型筒后经导向槽，由切断机切成50cm左右的短棒。,工艺条件控制：为避免成型过程中原料水分快速蒸发造成成型块开裂和“放炮”现象发生，原料含水率控制在812%之间，这样成品的含水率在7%以下；成型压力的大小随原料和所要求成型块密度的不同而异，一般在49127Mpa之间；成型燃料形状通常为直径5060mm的空心棒，密度为
24、1.01.4t/m3。,（二）螺旋挤压成型机的关键部件,螺旋挤压成型机工作可靠性的关键部件：压缩螺杆和套筒工作状况：200左右的高温80Mpa左右的高压干摩擦状态，工作环境很差，磨损严重。,压缩螺杆 结构尺寸： 根据螺杆螺距的变化：等螺距螺杆、变螺距螺杆。 使用变螺距螺杆可以缩短套筒的长度，但变螺距螺杆制造工艺复杂，制造成本高。等螺距螺杆一般外径为5065mm,内径为3040mm，螺距为4048mm的梯形螺纹，前螺旋面接近垂直于轴线。,压缩螺杆的材料与处理：螺杆一般采用中碳钢、合金钢制造。工作中主要是最前端的一个螺距起压缩作用而摩损严重，大多采用表面硬化的方法对成型部位进行处理。表面硬化的方法
25、： 局部渗硼、喷焊钨钴合金、炭化钨焊条堆焊或振动堆焊等。修复： 磨损以后再进行喷涂、堆焊修复。,成型套筒 构造：螺杆与成型套筒配合形成压缩副。在套筒内壁的根部设有锥形压缩区段，压缩区内需有一定的粗糙度，使物料流经套筒时在轴向和圆周方向具有足够的摩擦力，以保证生物质压缩成型。通常压缩区段沿轴向开有V形通槽以防止物料跟随螺旋转动。,套筒尺寸：套筒内孔直径取 Dd+d为螺杆外径；为间隙，一般取11.5mm。套筒长度L：根据压缩副内力的平衡来计算，应保证物料在筒内压缩到设计密度值。套筒材料与处理：套筒材料采用钢和铸铁等耐磨性材料。,延长成型部件使用寿命的方法：安装耐磨衬套，设立调节装置，使用可更换的螺
26、杆头 安装耐磨衬套成型套筒压缩段安装耐磨的硬质合金小衬套。衬套磨损后可更换，套筒本身可长期使用。,设立调节装置。,）调节装置调节：套筒前端设置专门的调节装置，调整调节螺母，改变套筒出口直径的大小。,）垫圈调节：新套筒与给料机连接时，预先加若干薄垫圈，等套筒压缩段磨损后，撤下一个A垫圈，增加一个B垫圈，相当于套筒压缩区后移，继续保持与螺旋的间隙。,可更换的螺杆头 螺杆磨损最快的部位是其前端（出料端），将这一小段做成与螺杆本体可拆装的硬质合金耐磨头，磨损后更换螺杆头，而螺杆本体继续使用。,2.2.2 活塞冲压 成型技术,(一)活塞冲压原理：生物质原料的成型是靠活塞的往复运动实现的。当活塞后退时，粉
27、碎的生物质原料从入料口进入套筒，活塞前进时把原料压紧到减缩的锥形模具内成型。在压缩过程中由于摩擦生热作用，生物质会被加热，从而使生物质中的木质素软化起黏结作用；也可以采用对模具外部加热的方式增强木质素的黏结作用。,(二)活塞冲压的生产工艺：成型温度为140200。进料和出料都是间歇进行的，即活塞每工作一次可以形成一个压缩块。成型燃料块长度为1030cm，离开成型机后在自重的作用下自行分离。产品通常为实心燃料棒或燃料块，密度在1.01.2t/m3之间。,(三)活塞冲压的特点优点：与螺旋挤压相比，改变了成型部件与原料的作用方式，冲头与生物质原料间没有相对滑动，故磨损小，成型部件使用寿命大幅度提高，
28、单位产品能耗降低。缺点：但作用时为间断式冲击，有不平衡现象，产品不适宜炭化。,(四)活塞冲压技术的类型根据驱动力不同，活塞压缩成型技术可分为机械驱动压缩和液压驱动压缩2种。(1) 机械驱动活塞压缩依靠存储于飞轮中的转动动能，通过曲柄连杆机构带动活塞做高速往复运动，压缩成型原料。生产能力大，产品密度大，但其设备庞大，震动强烈而且噪音剧烈。(2) 液压驱动活塞压缩装置是利用液压油缸所提供的压力，带动活塞冲压生物质成型。其运行稳定性得到极大提高，产生的噪音也很小，明显改善了操作环境。根据液压驱动方式，液压驱动式成型机分为单向驱动和双向驱动。,液压驱动活塞压缩装置,单向液压驱动成型机：进料、压缩和出料
29、都是间歇进行的，即活塞往复运动一次，形成一个成型棒或成型块。特点：机器的运行稳定性得到极大改善，而且产生的噪音也小，明显改善了操作环境。但活塞的运动速度较低，活塞往复运动间歇成型，导致装置生产率不高。双向液压驱动成型机：油泵将油通过换向阀泵入油缸的一腔，驱动活塞向一端运动，原料在机械压力和温度的作用下挤压成型；在换向阀的作用下，油被泵入油缸的另一腔，则活塞另一端运动，完成另一端成型。特点：生产效率较单向液压驱动成型机有明显提高，而且运行平稳，对操作者技能的要求也不高，成型机的液压件易实行标准化生产、液压系统易实现自动化控制等。,2.2.3 压辊式成型技术,成型模具直径较小，而且每一个压模盘片上
30、有很多成型孔，主要用于生产颗粒成型燃料。 (一)基本构件与主要类型：由压辊和压模组成。压辊绕自己的轴转动，外周一般加工成齿状或槽状，使原料不打滑。压模有平模与环模两种，其中环模机又有立式和卧式两种形式。压模上加工有成型孔。,(二) 压辊式平模成型机,采用水平圆盘压模与压辊压缩成型。基本构件：水平圆盘压模，在圆盘压模与压辊接触的圆周上加工有成型孔，压模上有46个压辊。,压辊式平模成型机工作原理,工作时，压辊可随压辊轴做圆周运动。压辊通过减速机构，在电机驱动下在压模上滚动。原料从料斗加入成型机内，由于压辊和压模之间存在相对滑动，原料在压辊和压模间受到挤压被粉碎，同时粉碎的原料被压入压模成型孔内压成
31、圆柱形或棱柱形，从压模成型孔中挤出，切割刀将压模成型孔中挤出的压缩条按需要长度切成颗粒，颗粒被排出机外。在工作过程中，由于压辊和压模之间存在相对滑动，对原料可起到磨碎的作用，所以允许使用粒径稍大的原料。,（三）压辊式环模成型机,采用环形压模和圆柱形压辊压缩成型。根据结构布置方式不同可分为立式和卧式两种。卧式环模成型机的工作原理：主轴转动使环模旋转，原料经进料刮板被卷入环模和压辊之间，并带动压辊旋转。环模与压辊相对旋转对原料逐渐挤压，并挤入环模成型孔成型，并不断向孔外挤出，再由切刀按所需长度切断成型颗粒。特点：压模的更换保养方便，样机容易进行放大等。,立式环模成型机的压模和压辊的轴线都为垂直设置
32、，此机型具有构造简单、结构紧凑、使用方便等特点。,(四) 压辊式成型特点：依靠物料挤压成型时所产生的摩擦热使物料软化和黏合，一般不需要外部加热。若原料中木质素含量低，可添加少量黏结剂。压辊压缩速度较低，使原料中所含空气和水在成型孔中有足够的时间逸出，故对原料含水率要求较宽，在1040%之间。,生物质固体成型燃料示范工程案例,示范地点：北京大兴区建设规模：年产20000吨固体成型燃料，包括:颗粒燃料生产线1条,年产10000吨,压块燃料生产线1条,年产10000吨原料类型:各种农作物秸秆、木屑、花生壳等,第三节 生物质炭化技术,3.1 机制炭的生产原理,生物质成型燃料经过干燥后，置于炭化设备中在
33、缺氧的条件下闷烧，或在无氧的条件下干馏，即可制得机制炭。,机制炭特点：热值高。含碳量达80%左右，较木材高30%40%。形状规则，强度高，运输储存方便。孔隙细密，燃烧效率高，易燃耐烧，不爆灰，污染少。,生物质炭化过程中的化学变化,炭化结束后木炭中固定炭含量在75%85%之间。,影响生物质炭化过程的因素,主要有：原料种类和形状、含水率及碳化最终温度、碳化速度、热解炉的形状、不同干馏形式等上述因素都会影响产品的产量与质量。,（1）热裂解最终温度图例：桦木和松木锯末成型燃料在不同最终温度下的产品产率。,由图可见:木炭的产量是温度的函数。随着温度升高，物料在400以下失重很快，之后木炭产率变化不明显。
34、故一般最终温度在400500。温度低于400的条件下，高的加热速率比低的加热速率生成炭的产量要高些。,（2）炭化速度加快碳化速度，可以缩短碳化时间，提高热解炉的生产能力；但碳化速度过快，木炭机械强度出现显著下降，从而影响木炭质量。碳化速度对各个碳化阶段影响不同。当温度在275以下时影响不明显，而在275500范围内，碳化速度对产品产率和组成都有很大的影响。,由图可见，炭化时间延长，木炭产率增加，焦油减少。但木炭的强度和发热量都明显下降。,（3）原料含水率的影响含水率高，干馏过程中急剧排出水分，会造成木炭机械强度下降。木煤气体积膨胀，但其中可燃组分含量减少 。木炭表面有严重裂口，碳化时间延长。,
35、3.2 炭化炉的类型,基于炭化原理不同，可分为: 闷烧式炭化炉 干馏式炭化釜根据制造材料的不同，可分为: 砖窑 铁窑根据运转方式的不同，可分为: 间歇式 连续式,炭 化 炉,炭化炉的类型,闷烧式炭化炉： 是在有少量氧气存在下，生物质经氧化还原反应过程转化为木炭。该法称烧炭法。干馏式炭化釜： 在隔绝空气的条件下，依靠外部加热将生物质干馏（热裂解）而得到木炭。采用方法为干馏法。,炭化炉的类型,传统的炭化炉（炭窑）：多为小型分批式炭化炉，制作简单，间歇式生产；现代炭化炉：现代新型大规模连续式炭化炉形型式多样，工业上采用的连续炭化。研究内容：高温化(700以上)炭化，原料多样化，炉体构造改造，加热方式
36、的改良等。加热方式：可大致分为内热式和外热式，加热方式是影响木炭得率和炭化速度等的重要因素。,炭化炉的加热方式,内热式：是在炉内将一部分原料燃烧，利用其热量维持炭化温度，也包括炭化中将产生的焦油或可燃气体燃烧的自燃式。外热式：是在炉外侧用煤油燃烧器等加热的间接加热。内热式炭化由于具有构造简单、所需炭化时间短等优点，普及率较高，但为了增加木炭得率采用外热式炉的加热方式也逐渐增多。考虑到炭化速度与装置的经济效益，新的内外热并给型炉也应运而生。,几种常见的炭化炉型式与特点,3.3 常用炭化炉的构造与操作,3.3.1 砖窑特点：制造成本低廉，需求的劳动力数量适度，生产的木炭质量也比较好。最常使用的窑有
37、: 半橙形窑 柱形拱顶窑（一）砖窑构造用砖建造，砂浆成分为木炭颗粒和泥浆。,（1）半橙形窑：半球形，直径约57m，两扇窑门正好相对，门线必须与盛行风的方向垂直，门高为1.61.7m，底部宽1.1m，顶部宽0.7m。窑顶端有一个直径约0.220.25m的出烟孔，围绕着贴近地面的地基有10个均匀排列的进空气孔，孔尺寸为0.06m0.2 m；,（2）柱形拱顶窑：内圆直径5m，墙高1.8m，烟囱数目为6个，内部尺寸为0.12m0.1m；每一对烟囱间留有5个紧急开口。空气进口18个，尺寸为0.01m0.08m;拱顶留下边长0.1m的正三角形点火孔。,（二）操作 装窑炭化 冷却卸窑 装窑 薪炭材或机制燃料
38、棒在窑中要垂直放置，高度达1.2m后，上方的水平摆放；柱形拱顶窑为到达拱顶层后，上方的水平摆放，直到窑完全装满。窑基上的空气进口不能关闭，窑顶部的孔下方堆放一些易燃的碎棒或树枝，使窑易于点燃。装窑结束后两扇门必须密封好。,炭化 从窑顶排孔燃着的木炭，确保窑内棒材能被很好地点燃。炭化过程中根据烟的颜色来判断炭化程度，通过打开的关闭窑基的空气孔来控制进程。烟气的变化与反应过程：,白色烟汽,成型棒料中水分蒸发,透明的蓝色,无色透明,发生热解反应,炭化完成,不同炭化阶段的控制措施：点燃后不久，从烟囱冒出白色的烟，表明木材中水分蒸发，碳化面积正在增加，此时要通过空气进口控制空气供应量，依靠烟囱把炭化的气
39、体排出。注意：排烟口不能有火焰出现。当烟色变为透明的蓝色，必须把所有的空气进口关闭。这一阶段称为煅烧。当烟气变得无色透明时，就要把烟囱也关闭，碳化过程结束。注意：烟囱不应过早关闭，以避免炭化不完全的情况发生。,冷却 将窑全部用砂浆粉刷几层，以把所有的开口、漏洞和裂缝全部封死。目的：使空气不能继续渗透入窑，窑内迅速熄火。卸窑 为避免自燃现象发生，应在窑彻底冷却后再打开窑门，将木炭卸出。一般此时温度降至6070。,大型窑的注意事项：对于大型窑，要在窑内选择几点安装上热电偶，监测窑内的冷点、热点及冷却过程；并通过关闭窑上的进气孔调节和控制窑内温度的平衡，从而保证木炭的产量及质量。,3.3.2 移动式
40、简易炭化炉,炭 化 炉,（一）构造 底部设有炉栅，距地面200mm；炉体中央竖立一个点火通风架，顶盖上设点火口，可用盖子封闭。炉体用钢板焊接而成，有效容积一般为23m3，可装成型棒料1.52.5t。,（二）炭化操作装料：成型燃料棒竖直排列于炉内，装满后盖好炉盖，炉体各连接处封严。点火：从点火口投入火种，并不断添加燃料。当烟道口温度达到60以上时，封闭点火口。干燥：点火口关闭后，烟道冒出浓浓的白烟，进入原料的干燥阶段。经34h后，干燥阶段结束，烟道气由白色转为黄色，此时要逐渐关闭通风口。炭化：通风口关闭后再过68h,烟道口会出现火焰，烟气颜色也转为青色，即为炭化终点。此时炉内温度上部可达600,
41、下部温度450470。闷烧：封闭通风管口，再经过0.5h后，封闭排烟管口，进行封闭闷烧。冷却出炭：过10h左右，炉内温度冷却到5060,即可出炭。,移动式简易炭化炉特点：结构紧凑、操作容易、移动方便；出炭率高（25%30%）、炭质较好；能源利率高，环境污染小。炭化过程中烟道口排出的可燃烟气可引回烧炭炉作燃料，在管道中间用冷却法可回收木焦油和木醋液。,炭化炉操作注意事项：铁窑保温性能很差，炭化过程中温度控制非常重要。装置在室外且风力较大时，干燥阶段要将迎风侧的风管适当关闭，防止炉内燃烧过快。炭化阶段，出口处和烟道中会深沉一定量焦油，会妨碍废气排出，应及时清除。当烟道出烟几乎透明时，炭化完成，此时
42、炉表面温度约150200,该阶段必须反碳化炉完全密封。,3.3.3 外热式干馏炭化釜,（一）炭化釜结构 一般由1214mm的钢板焊接而成，外形尺寸为12001800mm，容量1200kg。,干馏快速炭化窑,（二）干馏工艺过程及其产物,干馏：干馏是在隔绝空气的条件下，通过加热使生物质发生热分解的过程。干馏产物：木炭、木焦油、木醋液、可燃气体干馏过程是生物质的热分解过程，是根据不同的受热温度分阶段进行的。热分解温度不同，则产物成分也不同。,将成型燃料竖直摆放在炭化釜内，锁紧法兰，釜底点火加热，产生的水蒸汽及烟由排烟孔排出。当釜内温度升高到一定时，成型燃料热分解产生的可燃气体由排气孔排出并在釜底点燃
43、，给炭化釜继续加热炭化，直到气体基本耗尽，冷却后即得木炭。,不同炭化炉性能比较,3.3.4 连续式炭化炉,（1）果壳炭化炉果壳炭化炉是适用果壳之类粒度较小的原料炭化需要而专门设计出来的一种炉型。果壳、果核（核桃壳、杏核、橄榄核、桃核、李核等）尤其是椰壳是生产颗粒活性炭的良好原料。果壳炭化炉用耐火材料砌筑，是一种横断面呈长方形的立式炭化炉，结构如图。,炉体内由两个狭长的立式炭化槽及环绕其四周的烟道组成。炭化槽由下而上分成高度不等的3部分，即预热段、炭化段和冷却段。,果壳炭化炉工作原理：原料果壳由炉顶加入炭化槽的预热段，利用炉体的热量预热干燥，而后进入炭化段炭化。,炭化段的料槽用具横向条状倾斜栅孔
44、的耐热混凝土预制件砌成。其外侧的烟道用隔板分隔成多层，控制烟气的流向以利传热。烟道外侧炉墙上设进风口供吸入空气助燃。炭化段的温度达400 500，果壳炭化后生产的蒸汽气体混合物通过炭化槽上的栅孔渗入烟道，与吸入的空气接触燃烧。生成高温烟道气在烟道内曲折流动加热炭化槽后，被烟囱抽吸排出生成的果壳炭落入冷却段自然冷却后，定期由炉底部的装料装置卸出。,果壳炭化炉的炭化工艺,炭化工艺流程：果壳（椰壳、杏核、桃核）经风选，除去沙石、土块后，用提升机送至炉顶的加料槽，果壳借重力进入炭化槽，分别通过预热段、炭化段、冷却段从卸料器出料。通常，每8h加料一次，每1 h出料一次，物料在炉内停留时间4-5 h，炭化
45、连续进行。炉内炭化区域温度通过调节进风口吸气量的多少进行控制。优点：操作方便，劳动强度小；正常操作时不需要外加燃料；果壳炭得率高，为25%30%；炭化尾气不污染环境。,（2）立式多槽炭化炉木屑炭化通常用立式多槽炭化炉。每台炉有14个立式炭化槽，每个炭化槽的两侧为烟道，一台炉内共有15个烟道；炉的内部用耐火砖，外部用青砖砌成，炉长7m，宽4.5 m，每炉设5个燃烧室，每个燃烧室与炉内的3个烟道相通。燃烧烟气在炉内烟道中分5层曲折上升至顶部，与烟囱连通，烟囱高10 m；高温烟气在运动中将热量通过隔墙间接地传给炭化物料。炭化产生的蒸汽气体通过房顶排气罩排空。炉顶设加料室，原料由此加入炭化槽；每个炭化
46、槽均有一个卸炭口，卸炭口设在与燃烧室相反的一面。,立式多槽炭化炉炭化工艺：操作时首先在燃烧室点火，加热炭化槽，待温度升至300时开始投料，进行木屑炭化。开始炭化槽冒出白烟，表明废气中有大量水分，是干燥阶段；冒黄烟时表明大量木屑进行热分解；冒青烟至无烟，并观察到炭化槽内物料呈暗红色，不冒火星时，表明炭化结束，即可出料。每炉投料22.5 t木屑，炉温约700 800，炭化时间48 h（炭化时间随原料含水率而异）。一炉可得木屑炭300400 kg。特点：炭化炉结构简单，容易砌造，操作易掌握；但耗煤量大，炭得率低，质量不够均匀，高温操作，劳动强度大。,(3)他炭化装置回转炉 结构类似回转式干燥装置。适用于颗粒状或小块状物料的炭化。内热式用得较多。内热式回转炉的基本作业过程：由炉尾进入回转炉炉膛中的原料，在随炉体转动的过程中被炉壁带到一定高度以后落下，与从炉头燃烧室进入的高温烟道气的接触，使炭化能够均匀地进行。炭化后的固体物料从炉头出料装置卸出；产生的蒸汽气体混合物随废烟气从炉尾导出，经处理后排出。回转式炭化炉特点：结构简单，运行稳定，操作容易。是活性炭工业中常用的一种炭化装置。,流态化炉又称沸腾炉，是利用流态化原理炭化微小颗粒状木质原料的炉型。有外热、内热两种加热方式，从操作上可分为间歇式及连续式。外热连续式流态化炉操作过程：,
