基本介紹
- 中文名：燃料製程
- 含義：燃料製備過程
- 舉例：生物質成型燃料
- 領域：工程技術
簡介,生物質炭化成型工藝,
簡介
生物質能源高效利用關鍵技術研發是我國“十三五”規劃下能源領域研究的重點課題，其中生物質成型燃料（densified biomass briquetting fuel，DBBF）是生物質能源利用的重要途徑。生物質成型燃料技術包括生物質直接成型和生物質炭化成型兩種方式，在DBBF利用的過程中，添加劑不僅在燃料規模化製造成型的過程中起到重要的黏結作用，其在燃燒前後對DBBF的提質改性也有重要的套用前景。
按照添加劑功能和作用機理的不用，大致可以分為：黏結劑、防腐降沉添加劑和助燃劑三類。其中黏結劑主要套用在DBBF成型過程中，其依據不同的成型工藝，又可以分為常溫（冷壓）成型黏結劑、熱壓成型黏結劑、炭化成型黏結劑。黏結劑套用廣泛，對於DBBF燃料機械強度的提升有重要作用。防腐降沉添加劑的套用旨在降低DBBF燃燒過程中對設備的腐蝕和因焦化積灰引起的設備損傷，對提升DBBF燃燒效率和設備的使用壽命有重要意義。
DBBF助燃劑是依據燃燒催化機理髮展起來的一種促進DBBF燃燒的添加劑，助燃劑的使用大大改善了DBBF點火困難的困局，也極大地提升了DBBF的燃燒性能。由於DBBF添加劑的優良性能，目前在DBBF規模化生產中套用廣泛，除此之外國內外很多學者還對DBBF添加劑的使用性能和作用機理做了較為全面的研究，但是絕大多數的綜述性文獻針對的是DBBF本身和其製備、燃燒設備炭化成型工藝黏合劑的研發及機理研究現狀。
生物質炭化成型工藝
生物質炭化成型工藝是指將生物質進行炭化，至粉狀後添加一定的黏結劑並擠壓至一定形狀。生物質在炭化的過程中纖維素遭到破壞，生物質高分子組分裂解為炭，所以粉體成型主要依靠黏結劑，且其成型機理類似於常溫（冷壓）成型工藝。從熱力學觀點來看，炭粒成型過程是體系熵減小的非自發過程，必須有外界做功才能促使炭粒成型。從表面化學觀點來看，體系表面能在炭粒破碎的過程中不斷增大，而黏結劑在炭粒成型中的作用正是分子充分潤濕顆粒表面，降低體系的表面能。
TAYLOR認為炭粒成型存在擠壓階段和鬆弛階段。擠壓階段，黏結劑在炭粒表面分布並逐步進入顆粒之間狹窄的空隙，在一定溫度和壓力的作用下，形成許多連線周圍例子表面的黏結劑液橋（liquid bridge）。在鬆弛階段，顆粒與黏結劑之間的距離擴大，部分黏結劑退回原位置，但此時仍有部分黏結劑液橋連線。徐振剛等針對無機黏結劑和有機黏結劑對於炭粒的黏結效果分別作了研究，發現兩者在炭粒黏結中的作用機理有所不同：無機黏結劑對於炭粒成型的黏結作用主要依靠的是毛細管力、離子鍵力；而有機黏結劑對於炭粒的黏結機理主要依靠的是相似相溶原理，炭粒對於黏結劑有較強的親和力，即在極性分子基團之間形成共價鍵和氫鍵，非極性電子基團之間形成色散力。
黏結劑的添加不僅減少了物料顆粒對成型設備的磨損，而且對於燃料加工性能和設備功率損耗均有所改善，但是，成型製品在運輸和存儲的過程中易開裂是生物質炭化成型工藝目前面臨的主要問題。鑒於此，開發和選擇合適的黏結劑對於發展和改善生物質炭化成型工藝有重要作用。近年來，很多學者已經通過研究黏結劑的種類、用量、炭粉粒度及成型工藝對炭成型塊性能的影響，研究開發出種類繁多的生物質炭化成型燃料的黏結劑，總體看主要由無機黏結劑、有機黏結劑和複合類黏結劑三種組成。無機類黏結劑雖可以提高DBBF的機械強度，但是添加過多的無機類黏結劑會減低燃料中的碳含量，降低DBBF的燃燒性能。有機類黏結劑雖然在添加後的燃料機械強度相比前者有所降低，但是其與燃料表現出較好的親和力，且能夠均勻的分布在生物質粉體表面，環保是生物質碳的主要特點之一，所以在黏結劑選取上也應遵循這一標準，目前常用的生物炭化成型黏結劑（例如木質素黏結劑、澱粉黏結劑、植物蛋白黏結劑等）都是環保可再生的黏結劑，並且價格低廉來源廣泛，但是澱粉黏結劑生物質炭成品熱穩定性及機械強度較差，且回溯性較高。
所以黏結劑的種類選擇與用量決定了生物質成型炭的性能，至今很多研究者都將對生物質炭的研究重心放在了黏結劑的研究開發與改性上。生物質炭化成型的黏結劑種類繁多，且原料以木炭粉居多，而冷壓成型的黏結劑雖然在冷杉樹皮和鋸末中也有套用，但是主要針對是以玉米秸稈和水葫蘆為主的草本類生物質成型原料。
