生物質成型燃料技術與工程化

內容概要

　　《生物質成型燃料技術與工程化》以作者長期在生物質成型燃料技術領域的研究為基礎，結合國內外最新研發(fā)進展和產業(yè)發(fā)展情況，系統(tǒng)闡述各類生物質的物理化學特性及其對成型過程的影響，生物質壓縮成型的機理，影響生物質成型的各種工藝因素，生物質成型方式和成型部件設計，生物質成型燃料燃燒過程結渣和產生沉積腐蝕的機理，生物質成型燃料燃燒設備的研究與設計，生物質成型設備及生物質成型燃料的應用等，生物質成型燃料技術經濟評價等內容。

作者簡介

張百良，男，1941年1月生，河南湯陰縣人，我國著名農村能源專家。1965年畢業(yè)于河南農學院農機專業(yè)，先后任河南農業(yè)大學黨委副書記、書記、校長。2003年11月后任農業(yè)部農村可再生能源重點開放實驗室主任，教授、博導，河南農業(yè)大學學術委員會名譽主任。1998年至今任全國第九屆、第十屆、第十一屆人民代表大會代表、全國人民代表大會農業(yè)與農村委員會委員。河南省優(yōu)秀教師獎章獲得者，國家有突出貢獻專家，全國“五一”勞動獎章獲得者，全國勞動模范，享受國務院政府特殊津貼。 主要社會兼職有：中國農村能源行業(yè)協(xié)會副會長，中國農業(yè)工程學會常務理事，中國飼草儲備專家委員會副主任委員，國際太陽能教育委員會（IASEE）委員，全國生物質成型燃料技術攻關組組長，全國農林高等學校教學指導委員會委員（農業(yè)工程和林業(yè)工程學科），河南省太陽能學會榮譽理事長等省級學術團體的副理事長、副主任委員。 張百良是我國農村能源專業(yè)的奠基人，率先創(chuàng)辦了我國第一個“農村能源開發(fā)與利用”專業(yè)。長期從事生物質成型燃料技術研究，對我國生物質成型燃料產業(yè)的發(fā)展作出了突出貢獻。主要研究領域為生物能源技術與工程化，先后承擔國家“863計劃”、“948計劃”、火炬計劃、國家自然科學基金等國家、省、部級重點項目17項，獲省部級以上科技獎勵10項，出版著作9部，其中《生物能源技術與工程化》（科學出版社出版）入選“十一五”國家重點圖書出版規(guī)劃項目，已被英國Alpha Science出版集團遴選為英文出版?！掇r村能源工程學》獲河南省科技進步二等獎。先后培養(yǎng)博士研究生和碩士研究生42名，獲國家專利11項，發(fā)表論文150余篇。

書籍目錄

序一序二序三前言第1章 緒論1.1 生物質成型燃料概述1.2 國際生物質成型燃料發(fā)展歷程及啟示1.2.1 發(fā)展歷程1.2.2 幾點啟示1.3 中國生物質成型燃料發(fā)展歷程和問題1.3.1 發(fā)展歷程1.3.2 存在的問題1.4 中國生物質成型燃料技術路線的選擇1.4.1 選擇原則1.4.2 國內外現(xiàn)有技術的比較1.4.3 中國技術路線的確定1.5 生物質成型燃料發(fā)展前景第2章 生物質資源特性2.1 植物有機體的生成2.1.1 作物秸稈有機體的組成和結構2.1.2 木質素、纖維素、半纖維素的組成、結構和生物學特性2.1.3 植物有機體生成的生物學過程及主要成分合成途徑2.2 生物質物化特性2.2.1 物理特性2.2.2 物化特性2.2.3 熱解特性2.2.4 燃燒特性第3章 生物質資源3.1 生物質資源評價指標3.1.1 生物質資源評價通用指標3.1.2 秸稈資源評價專用指標3.1.3 林木生物質資源評價專用指標3.1.4 城市有機垃圾資源評價專用指標3.2 生物質資源的計算方法3.2.1 秸稈資源計算方法3.2.2 林木資源量的計算方法3.3 我國生物質能源資源3.3.1 農業(yè)生物質能源資源3.3.2 林業(yè)生物質能源資源3.3.3 城市生活垃圾資源3.3.4 “熟料”生物質資源3.4 能源植物3.4.1 柳枝稷3.4.2 芒草3.4.3 沙柳3.4.4 互花米草3.4.5 皇竹草第4章 秸稈收集、儲存與粉碎4.1 秸稈機械化收獲4.1.1 秸稈機械化收獲的目的與用途4.1.2 國內外秸稈收獲機械的發(fā)展4.1.3 秸稈機械化收獲方法與收獲機械的分類4.1.4 秸稈打捆機4.1.5 秸稈收獲機4.2 秸稈儲存4.2.1 秸稈濕儲存理論基礎4.2.2 秸稈濕儲存的操作技術4.2.3 試驗案例4.2.4 秸稈濕儲存工藝的制定4.3 秸稈粉碎設備及其選擇4.3.1 粉碎原理與粉碎設備的分類4.3.2 秸稈切碎機4.3.3 秸稈揉搓粉碎機4.3.4 秸稈顆粒粉碎機4.3.5 生物質秸稈粉碎設備的選擇原則第5章 生物質成型燃料成型機理與影響條件5.1 生物質成型燃料的成型機理5.1.1 生物質成型需要的基本條件5.1.2 生物質成型燃料的成型過程5.1.3 生物質成型燃料生產技術路線和工藝5.2 生物質成型燃料成型過程受力分析5.2.1 棒狀燃料成型機受力分析5.2.2 平模滾壓式燃料成型過程受力分析5.2.3 滾壓式環(huán)模成型過程受力分析5.3 影響生物質燃料成型的關鍵因素5.3.1 成型溫度對生物質燃料成型的影響5.3.2 壓力的影響5.3.3 成型和保型時間的影響5.3.4 成型套筒的幾何尺寸和成型速度的影響5.3.5 原料種類的影響5.3.6 含水率對生物質成型燃料的影響5.3.7 粉碎粒度的影響第6章 生物質成型技術與裝備6.1 環(huán)模式成型機6.1.1 環(huán)模輥壓式成型機的種類6.1.2 環(huán)模輥壓式棒（塊）狀成型機6.1.3 環(huán)模式顆粒成型機6.1.4 環(huán)模輥壓式棒（塊）狀分體模塊成型機生產應用案例6.2 平模式成型機6.2.1 平模式生物質成型機的種類6.2.2 平模式棒（塊）狀成型機6.2.3 平模式顆粒成型機6.3 活塞沖壓式成型機6.3.1 活塞沖壓式成型機的種類6.3.2 機械活塞沖壓式成型機6.3.3 液壓活塞沖壓式成型機6.3.4 液壓活塞沖壓式成型機生產應用案例6.4 螺旋擠壓式成型機6.4.1 螺旋擠壓式成型機的種類6.4.2 結構組成與工作過程6.4.3 主要工作部件6.4.4 性能特點6.4.5 大直徑螺旋擠壓式成型機6.4.6 主要技術性能與特征6.5 成型設備快速磨損問題6.5.1 磨損機理及其影響因素6.5.2 磨損問題現(xiàn)狀6.5.3 改進措施第7章 生物質成型燃料燃燒特性及設備7.1 生物質成型燃料燃燒動力學7.1.1 生物質成型燃料燃燒特點7.1.2 生物質成型燃料燃燒動力學特性7.1.3 生物質成型燃料燃燒速率7.2 生物質成型燃料燃燒過程的沉積與腐蝕7.2.1 沉積特性7.2.2 沉積形成機理和過程7.2.3 影響沉積的因素7.2.4 沉積的危害及降低沉積的措施7.2.5 生物質成型燃料燃燒過程的腐蝕7.3 生物質成型燃料燃燒過程結渣7.3.1 結渣過程與機理7.3.2 生物質成型燃料結渣性能判斷7.3.3 形成結渣的主要因素7.3.4 減少結渣及消除結渣的措施7.4 生物質成型燃料燃燒設備設計與應用7.4.1 基本原則要求與原則7.4.2 結構設計7.4.3 案例第8章 生物質成型燃料評價及標準8.1 生物質成型燃料評價8.1.1 技術經濟評價8.1.2 生命周期評價8.2 生物質成型燃料標準體系建設8.2.1 世界生物質成型燃料標準體系建設現(xiàn)狀8.2.2 中國生物質成型燃料標準體系建設現(xiàn)狀8.3 成型燃料及成型、燃燒設備標準8.3.1 世界生物質成型燃料相關標準及內容分析8.3.2 中國生物質成型燃料與成型設備標準8.3.3 生物質成型燃料燃燒設備相關標準及內容分析8.4 生物質成型燃料燃燒環(huán)境質量監(jiān)測方法及標準8.4.1 生物質成型燃料燃燒環(huán)境質量檢測指標8.4.2 國際生物質成型燃料燃燒環(huán)境質量檢測方法及相關標準8.4.3 中國生物質成型燃料燃燒環(huán)境質量檢測方法及相關標準8.5 中國生物質成型燃料標準體系建設8.5.1 中國生物質成型燃料標準體系建設原則8.5.2 中國生物質成型燃料標準體系構成第9章 生物質成型燃料科技發(fā)展戰(zhàn)略研究9.1 對生物質成型燃料進行戰(zhàn)略研究的重要意義9.2 戰(zhàn)略規(guī)劃原則9.3 總體目標9.4 具體目標9.5 重大戰(zhàn)略措施9.6 政策性建議附錄附錄1 秸稈灰分含量附錄2 秸稈灰渣成分組成及含量附錄3 生物質與化石燃料能源及環(huán)保特性對比附錄4 生物質的元素組成和熱值附錄5 生物質工業(yè)分析附錄6 世界生物質成型燃料生產企業(yè)及產能附錄7 生物質成型燃料相關圖片集錦

章節(jié)摘錄

版權頁：插圖：第1章 緒論 1.1 生物質成型燃料概述 生物質成型燃料是生物質原料經干燥、粉碎等預處理后，在特定設備中被加工成的具有一定形狀、一定密度的固體燃料，見圖1.1。生物質成型燃料和同密度的中質煤熱值相當，是煤的優(yōu)質替代燃料，很多性能比煤優(yōu)越，如資源遍布地球，可以再生，含氧量高，有害氣體排放遠低于煤，CO2零排放等。 生物質的成型主要有兩種方式：一種是通過外加黏結劑使松散的生物質顆粒黏結在一起；另一種是在一定溫度和壓力條件下依靠生物質顆粒相互間的作用力黏結成一個整體。目前，生物質成型燃料主要通過后一種方式生產。松散的生物質在不外加黏結劑的條件下能夠被加工成具有固定形狀和一定密度的燃料，是許多作用力共同作用的結果。 通過近十多年來對生物質成型機理的系統(tǒng)研究，目前已經形成了對生物質的成型過程中各種力作用機制的相對完整的認識。圖1.2是對生物質成型過程中原料顆粒的變化及產生的作用力總結。 生物質成型過程中的黏結機制之一在于固體架橋作用的形成。在壓縮過程中，通過化學反應、燒結、黏結劑的凝固、熔融物質的固化、溶解態(tài)物質的結晶等作用均可形成架橋作用。在壓縮成型過程中，壓力也可降低顆粒的熔融點并使它們相互靠近，從而增加相互之間的接觸面積并使熔融點達到新的平衡水平。 顆粒之間的相互吸引歸功于范德華靜電力和磁力。范德華靜電力對顆粒間的黏結作用的影響是很微弱的，通常發(fā)生在微細顆粒之間；同時，對于微細顆粒，當有磁力存在時顆粒間的摩擦力也有助于顆粒黏結。 纖維狀、片狀或塊狀顆粒之間也可以通過鑲嵌和折疊黏結在一起。顆粒間的鑲嵌可以為成型燃料提高機械強度用以克服壓縮后彈性恢復產生的破壞力。 Kaliyan和Morey（2010）利用光學顯微鏡觀察到了柳枝稷成型燃料橫切面上存著的鑲嵌現(xiàn)象，見圖1.3。 生物質的化學組成，包括纖維素、半纖維素、木質素、蛋白質、淀粉、脂肪、灰分等對成型過程也都存在影響。 在高溫條件下壓縮時，蛋白質和淀粉發(fā)生塑化起黏結劑作用。成型時的高溫和高壓條件會使木質素軟化從而增強生物質的黏結性。低熔融溫度（140℃）和低熱固性使得木質素在黏結過程中發(fā)揮了積極的作用。生物質成型過程中的高壓力可以將生物質顆粒壓碎，從而將細胞結構破壞，使得蛋白質和果膠等天然黏結劑成分暴露出來。 針對秸稈的壓縮成型，筆者對秸稈的成型機理進行了研究。秸稈的力傳導性極差，通過對成型過程中各種作用力之間相互關系的研究，提出了彌補該缺陷的預壓方式。在工程應用中，通過成型設備結構設計使預壓的受力方向與成型壓力的方向保持垂直，這樣在一定壓力和溫度條件下更有利于被木質素攜裹的纖維素分子團錯位、變形、延展，從而使其相互鑲嵌、重新組合而成型。 將松散的生物質加工成成型燃料的主要目的在于改變燃料的密度。制約生物質規(guī)?；玫囊粋€主要障礙就是其堆積密度（bulk density）低，通常情況下，秸稈類生物質的堆積密度只有80～100g/cm3，木質類生物質的堆積密度也只有150～200g/cm3。 過低的堆積密度嚴重制約了生物質的運輸、儲存和應用。雖然生物質的質量能量密度（mass energy density）與煤相比并不算很低，但是生物質堆積密度低導致其體積能量密度（volume energy density）很低，與煤相比這是其很大的一個缺點。表1.1和表1.2分別給出了生物質與煤的能量密度的對比及生物質和化石燃料的能量密度（Reed和Bryant，1978）。圖1.4是生物質與油、木材、木屑比較的體積能量密度。 生物質的分子密度并不低，可以達到1.5g/cm3，這是生物質成型燃料密度的理論上限。但是，植物體內有大量的運輸水分和養(yǎng)分的中空導管存在，使得生物質的密度顯著下降，硬木的密度通常為0.65g/cm3，軟木的密度為0.45g/cm3，農作物秸稈和水生植物的密度更低。生物質在存放過程中，單個的生物質個體與個體之間存在有大量的空隙，使得其應用的堆積密度更低。通過壓縮消除顆粒之間的空隙，并將植物體內的導管等生物結構空間填充就可以改變生物質的密度，這正是生物質壓縮成型的出發(fā)點。 密度的改變不僅解決了制約生物質規(guī)?；迷谶\輸、儲存和應用方面面臨的體積能量密度過低的瓶頸，同時，對生物質的燃料特性也產生了積極的作用。生物質自身的結構比較疏松，加之其揮發(fā)分含量高且易于析出的特點，使得生物質的燃燒過程極其不穩(wěn)定，前期大量揮發(fā)分快速析出極易造成氣體不完全燃燒熱損失，后期松散的炭骨架又易于被熱氣流吹散隨煙氣排出爐外，導致固體不完全燃燒熱損失。由于密度和結構的改變，生物質成型燃料燃燒過程中這兩個影響燃料燃燒效率的問題都得到了一定程度的解決，從而改善了燃燒性能。 1.2 國際生物質成型燃料發(fā)展歷程及啟示 1.2.1 發(fā)展歷程 在人類大規(guī)模開發(fā)利用化石燃料之前，生物質一直是人類賴以生存和發(fā)展的主要燃料，為什么后來逐漸“沒落”了呢？認真研究一下人類能源發(fā)展史，相信可以得出多種答案。最根本的原因在于生物質沒有及時適應人類生產和生活方式的變革和發(fā)展。工業(yè)革命以來，工業(yè)化的生產方式和城市化的生活方式需要集中消耗大量的燃料，這要求燃料應具備兩個基本特點：一是便于集中獲?。欢潜阌谶\輸和儲存。而這兩個方面恰恰是生物質的“軟肋”。 為了彌補生物質自身的這些天生缺陷，在工業(yè)革命時期人們就開始探索通過壓縮來改變生物質的燃料性能。早在1880年美國人WilliamSmith發(fā)明了一項專利，將加熱到66℃的鋸末和其他廢木材利用蒸汽錘加工成致密的成型塊，這應是有記載的最早的“生物質固體成型燃料”了；1945年日本人發(fā)明了生物質螺旋擠壓成型技術。 這些發(fā)明在當時為何沒能挽救生物質能的頹勢呢？只能歸因于它們“生不逢時”。工業(yè)革命時期，人類正陶醉于化石能源帶來的便捷，充分享受著由化石能源開發(fā)利用提供的舒適生活，因此，這些“不合時宜”的發(fā)明被淹沒在飛速向前的歷史車輪中也就不足為奇了。 然而，進入21世紀以來，人類愈發(fā)清醒地認識到這種對化石能源過度依賴是不可持續(xù)的，英美兩國的14位科學家聯(lián)合在《科學》雜志上撰文，發(fā)出了“在還沒有被凍僵在黑暗中之前，人類必須實現(xiàn)由對不可再生的碳基資源的依賴向生物基資源轉變”的呼吁。目前，生物燃料的開發(fā)利用在世界許多國家被提上了重要議程，成為了一個時代潮流，那么，背后的推動力是什么呢？ 1.人類憂患意識的增強 在支撐了人類200多年的強勁發(fā)展之后，地球上的化石能源資源漸近枯竭。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計2011》（圖1.5），全球石油的儲產比僅剩下46.2年，天然氣58.6年，煤118年（BP，2011），石油和天然氣的剩余年限是很多當代人可以親眼見證的時間長度，這迫使當代人不得不考慮40多年后該如何應對化石能源的枯竭。 而且，當我們頻繁遭受“厄爾尼諾”現(xiàn)象侵襲的時候，當代人真真切切體會到了“人類同住一個地球”的含義，當充斥在各種媒體上的“低碳”、“京都議定書”、“哥本哈根宣言”這些詞匯沖擊著我們眼球和耳膜時，許許多多普通人開始明白了小小的CO2氣體分子的神通和威力。在工業(yè)化以來，短短250余年間人類就排放了大約1.16萬億t的CO2，這可能是全球大氣CO2濃度由280ppm①升高到379ppm的最主要原因。 當然，對于燃燒化石能源釋放的CO2是不是導致全球氣候變暖的原因還有一些爭論，本章無意討論這些爭論，對待這一問題，我們應該學學巴菲特的態(tài)度。一次，有位記者問巴菲特CO2是否是導致全球氣候變暖的原因，巴菲特說了這樣一段話：“氣候變暖看來的確是這么回事，但我不是科學家。我不能100%或90%地肯定，但如果說氣候變暖肯定不是個問題也是很愚昧的。一旦氣候變暖在很大程度上越來越明顯時，那時再采取措施就太晚了。我覺得人們應該在雨下來之前就做好防護準備。如果犯錯的話，也要錯在和大自然站在一邊。” 這種憂患意識，應該是人類推動具有CO2零排放特性的生物燃料發(fā)展的一個根本性的原因之一。 2.能源供應方式的變革 長期以來，被大型能源企業(yè)或集團控制的集中式的供能方式統(tǒng)治著世界各國的能源供應市場，這種被國家集團或大型企業(yè)所壟斷的能源供給方式長期以來由于缺乏民主屬性而廣受詬病，從而催生了“分布式能源”這一新的能源供應方式的誕生。分布式能源的發(fā)展為資源具有分散性特點的生物質能的發(fā)展提供了重要機遇。 3.能源安全觀念的改變 美國、中國、印度這些能源消耗大國，由于自身化石能源資源均難以滿足本國發(fā)展需求，因此，都要依賴能源進口，而由于影響能源進口的不確定性因素太多，這些國家普遍面臨著能源安全問題。在這種形勢下，立足于通過增強能源自給來提高本國的能源安全就成為這些能源消耗大國不約而同作出的選擇。與化石能源分布存在著巨大的區(qū)域性差別不同，生物質對世界各個國家和地區(qū)而言，基本上可以說是一視同仁。上述這些能源消耗大國都有豐富的生物質資源可供轉化和利用。 正是在上述背景下，近年來，以木屑為原料的生物質顆粒燃料在歐美等地得到了快速發(fā)展。目前，顆粒燃料的最大市場在歐美，世界十大顆粒燃料生產國分別是瑞典、加拿大、美國、德國、奧地利、芬蘭、意大利、波蘭、丹麥和俄羅斯，這十個國家2007年的顆粒燃料生產量達到了850萬t。多年來，Bioenergyinternational每年都發(fā)布顆粒燃料地圖（pelletsmap），圖1.6是2008/2009年度歐洲的顆粒燃料地圖及瑞典和芬蘭顆粒燃料工廠及其產能分布情況，從中可以看出顆粒成型燃料加工廠已遍布歐洲。

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《生物質成型燃料技術與工程化》以作者張百良長期在生物質成型燃料技術領域的研究為基礎，結合國內外最新研發(fā)進展和產業(yè)發(fā)展情況，系統(tǒng)闡述各類生物質的物理化學特性及其對成型過程的影響、生物質壓縮成型的機理、影響生物質成型的各種工藝因素、生物質成型方式和成型部件設計、生物質成型燃料燃燒過程結渣和產生沉積腐蝕的機理、生物質成型燃料燃燒設備的研究與設計、生物質成型設備及生物質成型燃料的應用、生物質成型燃料技術經濟評價等內容。

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