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竹基生物质固体燃料制备技术研究与应用

2017-11-16

竹子是我国一种重要的生物资源,生长周期短、资源丰富、产量居世界首位。我国现有竹林总面积约601万公顷,竹产品已形成10多个类别,100多个系列,近万个品种,广泛应用于建筑、装饰、家具、造纸、包装、运输、医药、食品、纺织、化工等领域。由于竹材自身“中空壁薄”的结构特征,使其在加工利用过程中产生大量的加工剩余物。这些剩余物已经成为我国生物质能源开发的潜力资源,迫切需要发展与之相应的生物质能源高效转化和利用技术。在“十二五”国家科技支撑计划项目“功能性竹(藤)基新材料制备技术研究”(项目编号:2012BAD54G01)、中央公益性科研经费项目“竹材生物质颗粒燃料制备技术研究” (项目编号:1632012002)和“竹质焙烧炭/煤高效混合燃烧技术研究” (项目编号:1632016011)等项目资助下,国际竹藤中心在竹基生物质固体燃料制备技术与应用方面开展了系统研究,将直接燃烧技术、与煤混合燃烧技术、压缩成型技术和低温焙烧技术集成应用于生物质能源领域,构建了竹基生物质固体燃料高效利用技术和方法体系。该技术列入国家林业管理部门2017年重点推广100项林业科技成果之一。

一、竹基生物质燃烧技术研究与应用

(一)竹材生物质直接燃烧技术  

系统研究了竹材的燃烧特性,获得了竹材燃烧特征参数,揭示了竹材的燃烧过程;考察了燃烧速度和氧气浓度等因素对竹材燃烧过程的影响规律,建立了竹材燃烧的等温和非等温动力学模型;揭示了竹材燃烧过程中碳、氮、硫的转化和迁徙机理,分析了竹材燃烧过程中灰分的结焦和结渣特性,为竹材的直接燃烧和生物质发电提供了基础理论数据。

(二)竹/木生物质混合燃烧技术

对比分析了竹材和木材燃烧特性,尽管竹、木生物质材料的燃烧阶段类似,但竹材具有低的燃烧特征值;开发出竹/木混合燃烧技术,考察了混合比和燃烧速度对燃烧过程的影响规律,获得了竹/木混合燃烧过程中动力学模型;在混合燃烧过程中未发现协同作用机制,木材在混合燃烧过程中充当添加剂的作用,可以任何比例与竹材进行混合燃烧,为其规模化的生物质能源利用提供资源保障。

(三)竹材/煤混合燃烧技术

生物质与煤混合燃烧是简单、经济、有效的生物质能源转化方式。竹材/煤混合燃烧可在现有的燃烧设备上进行,无需对设备进行升级改造,降低了经济投资成本,可促进其在生物质发电领域的应用。此技术对比分析了富氧条件下竹材和煤炭燃烧特性,获得了竹材/煤混合燃烧技术,考察了原料混合比、燃烧速度、氧气浓度对燃烧特性的影响规律。利用Arrhenius公式,研究了竹材/煤混合燃烧动力学过程,获得了燃烧过程中的活化能等动力学参数,分析了竹材/煤混合燃烧过程中的协同作用机制。在混合燃烧过程中,煤中高的碳含量与竹材中高的挥发分含量可发生协同作用,促进相互之间的燃烧,降低烟气的排放,特别是氮化物和硫化物等污染气体的排放。

二、竹基生物质颗粒燃料制备技术研究与应用

(一)竹材生物质颗粒燃料压缩成型技术

为了提高竹材剩余物资源堆积密度,改善其运输和储存效率,降低成本,针对竹材强度高、韧性好、硬度大等特点,开发出竹材生物质颗粒燃料制备技术,考察了原料特性对产品性能的影响规律,制备出满足美国颗粒燃料协会标准《民用/商用生物质颗粒燃料》和德国标准《木质颗粒燃料》(DIN51731)规定的竹材生物质颗粒燃料。竹材生物质颗粒燃料的主要结合形式包括固体颗粒桥接或架桥,非自由移动粘结剂作用的粘结力和固体粒子间的充填或嵌合。竹材中半纤维素和木质素在其颗粒燃料成型过程中发生玻璃化转变,起到粘结作用。水分进入竹材纤维素的非结晶区,起到增塑作用,降低了半纤维素和木质素玻璃化转变温度,提高了竹材生物质颗粒燃料的机械强度。竹材表面的蜡质成分,在低温下发生连续流动,导致竹材生物质颗粒燃料内部形成弱界面层,影响其机械强度。竹材颗粒压缩后的贮存模量影响其生物质颗粒燃料的松弛特性,含水率高的竹材贮存模量低,对竹材生物质颗粒燃料的结合强度破坏小。

(二)竹基生物质颗粒燃料的复配技术

对比分析了竹材、木材和农作物秸秆生物质颗粒燃料的能源特性,竹材、木材和农作物秸秆生物质颗粒燃料的物理性能满足美国颗粒燃料协会标准《民用/商用生物质颗粒燃料》和德国标准《木质颗粒燃料》的要求,但农作物秸秆颗粒燃料的燃烧热值低于德国标准《木质颗粒燃料》中规定的商业化生物质颗粒燃料最低燃烧热值的要求,燃烧灰分高于美国颗粒燃料协会标准《民用/商用生物质颗粒燃料》的要求。

为充分利用林、农剩余物资源,延伸生物质资源供应链,在对比不同种类生物质颗粒燃料性能的基础上,开发出竹基生物质颗粒燃料复配技术。当竹材与木材复配后,竹基生物质颗粒燃料的能源特性较竹材生物质颗粒燃料性能均有所提高。当竹材与农作物秸秆复配后,农业剩余物生物质颗粒燃料燃烧特性有所改善。如将60%的竹材剩余物与40%的农业剩余物复配后,其生物质颗粒燃料的燃烧热值由15 375J/g升到17 560J/g,燃烧灰分由15.94%降低到7.97%,满足了美国颗粒燃料协会标准《民用/商用生物质颗粒燃料》和德国标准《木质颗粒燃料》的要求。基于竹、木和农作物秸秆颗粒燃料的能源特征值和原料间的配比,计算出竹基生物质颗粒燃料的能源特性理论值,揭示了制备过程中原料之间的协同作用机制。

三、竹材生物质固体燃料低温焙烧技术研究

(一)竹材生物质低温焙烧技术

为了解决竹材含水率和挥发分含量高、能量密度低等问题,研发出竹材低温焙烧炭产品,即在隔氧的环境下,竹材剩余物经低温热化学处理(250℃300℃)而得到的固体产物(80%85%)。系统考察了不同焙烧温度和焙烧时间对产品能源特性的影响规律,定性、定量测定了焙烧过程中的可燃气体,表征了焙烧过程中竹材微观结构与化学成分的变化,开发出竹材生物质低温焙烧技术。研究证明竹材焙烧炭产品具有绿色环保、含水率和挥发份低、H/C和O/C比低、能量密度高等优势。相比未处理竹材,竹材焙烧炭的能源特性接近或优于煤炭,燃烧特征峰向低温方向移动,燃烧的稳定性和燃烧效率明显提高。

(二)竹/木生物质焙烧炭混合燃烧技术

研究了竹材生物质焙烧炭的燃烧特性,竹材生物质焙烧炭具有高的热释放效率和有效燃烧热。燃烧热值与碳含量表现出正相关关系;利用Dulong 's 公式(HHV = [33.5 (C%) + 142.3 (H%) -15.4 (O%)-14.5 (N%)]× 10-2)计算出燃烧热值的理论值与实测值具有正相关关系;探索了竹/木生物质焙烧炭的混合燃烧技术,焙烧处理后,竹、木生物质焙烧炭表现出相似的燃烧特性,混合燃烧过程中未发现协同作用机制,竹、木焙烧炭可以任何比例混合燃烧。

(三)竹材生物质焙烧炭/煤混合燃烧技术

生物质材料与煤炭之间的物理化学性能差异是影响其混合燃烧的主要因素。经过焙烧处理后,竹材燃烧性能与煤炭接近。在此基础上,研究了竹材生物质焙烧炭与煤的混合燃烧技术,系统考察了混合比、燃烧速度和氧气浓度对混合燃烧过程的影响。与未处理竹材相比,竹材焙烧炭与煤混合燃烧的过程在一个燃烧区间内进行,燃烧的稳定性显著提高;获得了混合燃烧过程中的动力学模型,竹材焙烧炭在混合燃烧过程中可降低煤炭的燃烧特征值,提高燃烧的效率。

总之,生物质能源作为仅次于煤炭、石油和天然气的第四大能源,是我国能源可持续发展战略的重要组成部分。国家《可再生能源中长期发展规划》提出,到2020年,生物质发电总装机容量达到3 000万千瓦,生物质固体成型燃料年利用量达到5 000万吨。国际竹藤中心科研团队针对竹材特性,开发出竹材剩余物直接燃烧技术、竹/木剩余物混合燃烧技术、竹/煤混合燃烧技术,研发出竹材生物质颗粒燃料制备技术与产品、竹/木和竹/农生物质颗粒燃料复配技术与产品,研究出竹基生物质固体燃料低温焙烧技术与竹基焙烧炭产品、竹/木生物质焙烧炭混合燃烧技术、竹质焙烧炭/煤混合燃烧技术,获得了竹基生物质固体燃料能源化利用的多个技术和产品,在生物质发电和供热等民用和工业领域具有巨大的应用潜力。