秸稈預處理可以有效解決以上問題,如秸稈經過壓縮打包,然后運輸,可以克服其能量密度低、容重小和儲運不方便的缺點;設立收購轉運點可以解決其資源分散和收集困難問題,保證秸稈來源的可靠性。但是對于不同的企業,秸稈利用方式可能不同,因而需要不同的秸稈預處理工藝,同時涉及秸稈預處理的最佳經濟性.如何針對具體項目選擇預處理工藝,并具有較好的經濟性,無論對于企業本身,還是對于秸稈大規模的推廣應用,無疑具有重要意義。
1、秸稈預處理工藝介紹
秸稈最終利用(氣化、燃燒等)前,為降低秸稈收購成本、便于長期存放或提高利用效率而對其進行的必要處理,如干燥、破碎、壓縮成型、打包/捆等,稱為秸稈的預處理,
對于秸稈的大規模工業應用,如直接燃燒發電、混合燃燒發電、熱解氣化發電等,依照預處理所用關鍵技術劃分,主要分為固化成型和壓縮打包/捆兩種.
1.1固化成型預處理工藝
對于秸稈固化成型,如進行氣化利用,可以設定合適的
成型尺寸,使產品可以直接進行氣化;如進行燃燒利用,可
改變成型尺寸,使之滿足直接燃燒的要求,或僅對成型后的
產品進行簡單的破碎即可滿足要求.其工藝流程如下:
1.2壓縮打包/捆預處理工藝
對于秸稈壓縮打包,如進行氣化利用,需進行解包、破碎(粉碎)處理,使破碎產物滿足氣化利用的尺寸要求:如進行燃燒利用,只需使破碎產物滿足燃燒利用的尺寸要求即可,具體的打包/捆尺寸,以便于后續的解包、破碎工序為準,同時兼顧經濟性。其工藝流程如下:
2、預處理關鍵技術介紹
秸稈預處理工藝的劃分是依據關鍵技術的不同,其他工序是為其服務或以其為根據進行選擇的,是預處理工藝的核心技術,而且是影響整個工藝經濟性的重要部分,因而介紹預處理工藝的關鍵技術非常必要。
2.1壓縮/固化成型技術
秸稈壓縮/固化成型就是將秸稈用機械加壓的方法,使原來松散、無定形的秸稈壓縮成具有一定形狀、密度較大的固體成型燃料.秸稈經過壓縮成型,其密度、強度和燃燒性能都有了本質的改善,大大提高了其作為燃料的品質。同時,其體積大為減少,可以有效地降低運輸成本。
秸稈中含有木質素(木素).沒有熔點但有軟化點,當溫度為70~110℃時軟化,具有黏性,當溫度達到200—300℃時成熔融狀,黏性高。此時加以一定壓力就可使其與纖維素緊密粘接并與相鄰顆粒互相膠接,冷卻后即可固化成型為顆粒燃料。
2.2壓縮打包/捆技術
壓縮打包/捆技術來源于包裝和造紙行業。在秸稈開始大規模應用時,為減少運輸成本和便于儲存,此項技術便被借鑒過來,用于秸稈原料的預處理。
其原理是:用機械加壓的方法,壓縮松散秸稈,其體積發生劇減,然后繼續添加秸稈壓縮,直至達到一定的尺寸要求,然后用草繩等材料進行捆裝,防止松散。對于不同尺寸或密度要求,可對模具或壓力大小進行調節,以滿足要求.利用此技術,可使秸稈體積縮小為1/3—1/5,密度大大提高,有助于降低運輸和儲存成本;同時,其電耗較低,已成為常用的秸稈預處理技術.
2.3破碎/粉碎技術
秸稈含大量纖維,有別于一般破碎原料,因此需要專門的破碎設備。現有針對普通原料的粉碎設備用于大批量的秸稈破碎,成本較高而且生產效率低;而且前專門針對秸稈的破碎機械,產物粒徑在10mm以上,屬租破碎的范圍。因此,亟需開發和研制專門針對秸稈特點的破碎/粉碎技術和設備,同時應具有一定的經濟適用性。
常用的秸稈破碎設備有粗破碎機和細破碎機兩種.對于不同的最終尺寸要求,可以選擇其一或聯合使用。
2.3.1粗破碎機
粗破碎機也稱臥式破碎機、一級破碎機。運行時,物料經刀片高速剪切磨削,以及物料間的碰撞摩擦而被破碎為小顆粒及短纖維絲,較小較輕的物料脫離高速圓周運動的軌道進入出料口,而較大較重的物料則繼續留在破碎室內被破碎。
2.3.2精破碎機
精破碎機也稱二級破碎機、立式破碎機,用于粗破碎產
物的細破碎。進料平均粒度一般小于5 mm,經過刀片間的
研磨以及物料間的互磨以達到更細的粒度。粒度小的物料浮
在上層,被風機抽出,而較大顆粒則留在下層繼續被破碎。
3各項工序成本和工藝的經濟性分析
3.1 各項工序成本
對于以生物質秸稈為主要原料的企業而言,其產品成本受秸稈預處理費用的影響很大,控制預處理成本在可接受的范圍之內是企業所必須解決的問題.
3.1.1收集成本
秸稈收集是指生產企業設立收購轉運點或直接以企業為接收單位,從農民或草販手中收購符合一定要求(如含水率、不含雜物等)的秸稈,并進行簡單的堆放或儲存,其發生的相關費用即為收集成本。主要包括如下兩部分:
(1)收購費用:用于購買秸稈支付的成本.
(2)其他費用:包括裝卸費用、勞動力費用、生物質儲存費用等,
收集工序中秸稈的運輸不由企業負擔,故運輸費用計入收購成本.
3.1.2固化成型成本
工序中涉及破碎、加熱和機械加壓過程,電耗很大,同時設備中存在易損件,需要經常進行檢修,維修費和人工費較高。我國生產的生物質成型機一般為螺旋擠壓式,生產能力多為100—300kg/h,電機功率7.5~18 kW,電加熱功率2~4 kW,產品耗電70—120 kW.M/t。如果采用造粒技術,成本提高約30%~50%。
3.1.3壓縮打包/捆成本
工序中涉及機械加壓過程,電耗較大,需操作人員較多,人工費和維護費用較高。我國生產的打包機,產量一般為1.6—2.0 t/h,功率18—25 kW,草捆密度約300 kg/nl,產品耗電24—30 kWh/t。
3.1.4破碎工序成本
粗破碎系統電耗為35—40 kW.h/t,設備維護費、折舊費和人工費較高。粗破碎系統的生產成本約為40~65元A。
精破碎系統電耗為75~90 kW.h/t,維修費、設備折舊費、人工費較高。精破碎系統的生產成本合計為76—96元/t。
若兩者聯用,成本應相加,而且略有增加.
3.1.5運輸成本
秸稈在收購轉運點經過初步加工后,可運輸至企業建立的儲存設施進行儲存,此過程產生的費用即為運輸費用.其與運費、運輸量和轉運點距離有關。
若運輸任務由生產企業負擔,則運費主要包括燃料費、人工費和設備折舊費,參考值為2.4~3.0元/km。
3.1.6儲存成本
秸稈在儲存期間,需要一定的維護、人工和其他費用,如消防、用電等,其間產生的費用即為儲存費用。按照0.25元/m3×天計算,
3.2工藝的經濟性分析
3.2.1 固化成型工藝
按照表l中的各工序成本核算,秸稈固化成型預處理工藝的綜合成本為;綜合成本收集集成本+粗破碎成本+固化成型成本十運輸成本+儲存成本,
計算為294~735元,t,另加運費和儲存費用.
3.2.2壓縮打包/捆工藝
按照表l中的各工序成本核算,秸稈壓縮打包預處理工藝的綜合成本為:
綜合成本=收集成本+壓縮打包成本+運輸成本+儲存成本+粗破碎成本。
計算為184~545元,t,另加運費和儲存費用,或者精破碎成本.
3.2.3工藝的經濟性對比
在收集量一定情況下(10000 t),收集成本按250元It計,收購轉運點距生產企業平均距離35km,固化密度1000kg/m3,草捆密度300kg/m3,運輸車輛載重20t,運輸載客50m3,儲存時間60 d,兩種工藝的經濟性對比見表2.
由此可知,對于兩種預處理工藝,收集成本占綜合成本的比重都較大,故秸稈的收集成本是衡量建設秸稈應用項目可行性的重要標準.對于固化成型預處理工藝,固化成型工序成本是影響綜合成本的重要因素;對于壓縮打包預處理工藝,破碎和儲存成本是影響綜合成本的關鍵因素.在進行秸稈利用項目可行性調查時,應重點對以上因素進行分析.
4、秸稈預處理工藝的選擇
關于如何選擇秸稈預處理工藝的討論,建立在下列假設基礎之上;①生產企業的秸稈利用形式已經確定,如摻燒發電、氣化發電等;②生產企業周圍半徑50 km內秸稈資源豐富;③畝產干秸稈It(兩季).
4.1以生產企業規模為依據
生產企業規模越大,則需要秸稈量越多,收集輻射半徑就越大,這與運輸成本關系密切,所以企業的生產規模是進行秸稈預處理工藝選擇的重要指標,
假設以企業為中心的圓周范圍內種植農作物,年耗秸稈1萬t的生產企業,輻射半徑約1.5km,實際輻射半徑在3—4 km內的秸稈產量即可滿足需求;若生產企業規模相對較小,實際輻射半徑5 km之內秸稈量可滿足企業需求,可由生產企業直接收購,不設立收購轉運點,秸稈以散裝形式運輸和收集,在電廠內完成其他工序;而對于秸稈需求量較大的企業,年耗秸稈超過10萬噸,或實際輻射半徑超過20 km,則應建立秸稈收購點,具體工藝選擇還需考其他因素。
4.2以企業利用形式為依據
秸稈預處理工藝選擇的出發點是滿足企業利用的需要,同時兼顧經濟性。如果是秸稈直燃發電,可以根據爐型或燃燒方式選擇秸稈預處理工藝,比如流化床燃燒優先選擇壓縮打包預處理工藝等;氣化發電一般規模較小,優先選擇成型或造粒;如果是煤和秸稈摻燒,則看鍋爐是流化床還是煤粉爐等進行預處理的選擇,煤粉爐優先選擇壓縮打包工藝,流化床視其規模大小可選擇壓縮打包或成形造粒.
4.3其他
在進行預處理工藝選擇時,還要考慮許多其他因素,如企業是新建還是技術改造等。若是新建電廠,技術和設備是針對秸稈特點選用的,其規模和利用方式可與預處理協同考慮,有較大選擇余地,但是新建電廠大都為130 Uh高溫高壓和75t/h中溫中壓兩種鍋爐,秸稈需求量較大,從經濟角度分析,收集半徑宜控制在50 km范圍內;而技術改造時,受原有技術和設備的限制較多,選擇余地較小,如十里泉電廠煤粉爐摻燒秸稈,由于鍋爐是針對煤粉設計的,摻燒秸稈時由于腐蝕問題,摻燒量有限,而且應優先采用秸稈粉形式,故其預處理工藝采用壓縮打包工藝。
從以上分析不難看出,秸稈預處理工藝的選擇是個綜合考慮分析的過程,需要考慮多種因素,設計多種方案并進行可行性分析比較后才能確定.
5、結論
在我國,秸稈的大規模應用才剛剛興起,雖然已有成功運營的實例,但技術和設備幾乎都是從國外引進,未能很好地適應我國的國情,在運行中出現了許多問題,特別是在秸稈預處理階段,直接引進使用外國技術和設備并不可行,而應該根據我國的實際情況,發展有中國特色的秸稈預處理工藝。
在目前秸稈利用中,還存在下列問題亟待解決:
(1)秸稈大規模應用成功與否,關鍵在于秸稈原料的組織和管理。初期需依靠地方政府行政引導、組織和政策支持,保證充足的秸稈燃料(按合理價格)供應,而發電企業應加快建設自主秸稈收、儲、運網絡和模式,用較短時間建立起市場化運營的模式,并力求最大幅度降低燃料運營成本。
(2)現有國情下,建造只燒秸稈的小電廠,局限于秸稈難收集,資源分散等特點,其規模一般較小,而且運行效率遠不能和大電廠相比,發電成本很高,能否實現可持續發展還是個疑問.而進行煤和秸稈的混燒,在技術和經濟層面上更加可行,特別適合于原有鍋爐的技術改造。
(3)新建秸稈電廠多應用國外水冷振動爐排技術,這種技術燃料適應性差,除秸稈外不能燒其它燃料,如何應對秸稈缺乏或者高成本,是電廠必須面對的問題。已有實例表明,在電廠投入運營后,由于燃料單一,農民普遍提高秸稈的出售價格,而企業缺乏必要的應對措施。而生物質循環流化床技術,燃料適應性廣,可以燒煤,是生物質秸稈利用的發展方向。
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1、秸稈顆粒機
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