秸秆燃料技术（精选八篇）
秸秆燃料技术 篇1
秸秆是农作物的重要副产品,是最丰富的农业废弃生物质资源,根据农业部2010年发布的《全国农作物秸秆资源调查与评价报告》显示:我国农作物秸秆可收集资源量为6.87亿吨,利用率达到69%。其中,作为饲料利用2.11亿吨,占30.69%;作为燃料利用(含秸秆新型能源化利用)1.29亿吨,占18.72%;作为肥料利用1.02亿吨,占可收集资源量的14.78%;作为食用菌基料1500万吨,占2.14%;作为造纸等工业原料1600万吨,占2.37%。还有31%的秸秆未得到任何利用,如果能够充分加工利用,可直接或间接大幅增加农民收入。
2008年7月,国务院办公厅《关于加快推进农作物秸秆综合利用的意见》(国办发【2008】105号)对秸秆综合利用和禁烧工作提出明确要求。加快推进秸秆综合利用工作,形成多元化利用格局,重点发展秸秆肥料化、饲料化、基料化、原料化、燃料化利用,加快农业循环经济和新兴产业发展,改善农村居民生产生活条件,增加农民收入,保护生态环境,推动社会主义新农村建设。
2 秸秆固化机械化技术现状
天津市农作物秸秆主要分布在武清区、蓟县、宝坻区、静海县、宁河县、北辰区、津南区、西青区等农业区县。秸秆主要包括玉米秸秆、小麦秸秆、棉花秸秆等,天津市主要农作物产量160万吨,根据草谷比计算秸秆产量为280万吨。除少部分秸秆用于还田、青贮饲料、秸秆气化、造纸等以外,其余仍被丢弃于田间或者焚烧,不仅造成了资源浪费,而且还带来了严重的环境污染问题。
为了解决我市秸秆综合利用问题,2009年天津农机鉴定站引进秸秆固化燃料技术,对农作物秸秆及食用菌废弃菌棒进行固化处理,提高秸秆利用率,实现资源的循环利用。
3 秸秆固化燃料的主要技术
3.1 技术原理
秸秆固化燃料机械化技术是根据农作物秸秆的结构特性,将粉碎的农作物秸秆与其他辅料按照一定的比例混合,应用压缩成型原理,压缩成体积小、密度大、热值高的燃料。经检测,固化后的秸秆燃料的热值要比直接燃烧秸秆高20%,而且生产成本比燃煤低,因此可作为煤炭、石油等常规能源的替代品。
3.2 工艺流程
3.2.1 秸秆粉碎
根据秸秆固化设备的加工要求,将各种秸秆粉碎成适合的长度。秸秆粉碎的大小和粉碎质量直接影响压缩成型效果、生产效率和动力消耗,根据成型设备模孔的大小,压块成型的物料粉碎长度一般要求4-6mm左右,颗粒成型的物料粉碎长度为1-1.5mm左右为宜。
3.2.2 秸秆菌化
秸秆菌化技术是将一定比例的复合菌加入秸秆粉料中进行发酵,软化秸秆中的纤维素和木质素。
3.2.3 秸秆煤化
秸秆煤化技术是通过在秸秆粉料中加入煤化剂,达到增加秸秆固化燃料密度,延长燃烧时间,并能起到增加热值的作用。煤化剂由无毒、无味、无污染的化学粉剂混合而成,含有碳酸氢钠、氯化钠、碳酸钠、氧化铁、氧化钙和六次甲基四铵等多种成分,以煤粉做载体,混合一定比例的锯末等。
3.2.4 秸秆干燥
通过烘干设备减少秸秆粉料中的水分,含水率在15%-20%的粉料压缩成型效果最好。
3.2.5 秸秆固化成型
通过机械设备将秸秆粉料挤压成型,形成热值高、密度小的块状燃料。
3.3 秸秆燃料的主要技术参数
3.3.1 密度
小麦、玉米、棉秆、废弃菌棒压制成型的燃料密度为1.24-1.32 g/cm3,其中棉秆和菌棒的密度较高,均达到1.3 g/cm3以上,木质素越高的秸秆压制成型后密度越高。
3.3.2 热值
小麦、玉米、棉秆和废弃菌棒未加入煤化剂进行试验,热值为16.12-18.76MJ/kg,加入煤化剂后热值为18.27-21.15MJ/kg。使用煤化技术后,压制的燃料热值提高12%以上。
3.4 秸秆固化燃料特点
3.4.1 原料来源广,附加值高。
以秸秆、废弃食用菌菌棒为原料,成本低廉,固化后的秸秆块的价格比普通燃煤的价格低,具有价格优势,有利于在农村、工厂锅炉等进行推广应用。
3.4.2 燃烧效果好,清洁环保。
应用秸秆、废弃食用菌菌棒压制成的燃料块,热值高、燃烧效果好,而且比燃煤的含硫量低,烟尘少,减少环境污染,改变农村因大量堆放秸秆、废弃菌棒而形成的脏、乱、差局面,并减少农村火灾隐患。
3.4.3 储运方便。
秸秆比重轻,体积大,存储占用场地大,压制后的秸秆块密度在1.2吨/m3以上,占地少,方便运输和储存。
4 存在问题
4.1 秸秆收集、储存
秸秆资源分散,收集劳动强度大,而且秸秆具有很强的季节性,无法均衡收购,要维持正常的运转,必须大量存储秸秆,秸秆质地疏松,存储秸秆需要占用大量空间,而且新鲜秸秆含水量大,打包、堆垛后极易产生霉变,还需要进行防雨、防潮、防火等措施,增加投资成本和维护费用。秸秆收集和储运问题是农作物秸秆综合利用的首要问题,也是降低秸秆固化燃料生产成本、提高效益和促进秸秆固化燃料的应用和推广的关键问题。
4.2 缺乏推广力度
秸秆固化燃料是新型能源产品,产品的开发和推广工作由中小企业承担,他们处于起步阶段,面临资金紧张和缺少固有市场营销体系和技术推广体系。
4.3 宣传力度不够,农民对此认识不足
秸秆固化燃料技术的宣传力度不够,终端消费者农村百姓对秸秆固化燃料的性价比不够了解,对新型的能源接受起来比较慢。
5 应用前景
5.1 有利于改善农民生产生活条件,扎实推进社会主义新农村建设
目前,天津市农村经济社会发展水平较低,基础设施落后,环境卫生条件差,有一部分农户生活用能主要采用直接燃烧秸秆、薪柴等落后方式,影响了广大农民群众的生活质量和身体健康。积极发展秸秆固化燃料机械化技术,推动秸秆固化燃料大范围的应用,可以逐步改变农村几千年来烟熏火燎的用能方式,提高农村能源利用效率,改善农村卫生状况和农民生产生活条件,是提高农民生活质量、降低生活成本、改变农村落后面貌、建设社会主义新农村的有力措施。
5.2 可以为天津市农户冬季取暖提供原材料,降低农户取暖成本
天津市地处我国的华北地区,冬季的温度保持在-15°~5°之间,冬季的供暖期为4个月。天津市农户的冬季取暖主要采用燃烧煤,每个农户一个冬天大约使用2吨煤炭,平均费用大约在2000元~3000元左右。燃烧煤炭不仅费用比较高,而且煤炭的燃烧会产生大量的有害气体,给使用者带来一定的危险。使用秸秆固化燃料机械化技术生产的燃料每吨的售价为600元左右,大大节约了农户的取暖成本。
5.3 有利于发挥农业对能源的支持作用,缓解能源供应紧张局面
我国能源资源总量较为丰富,但人均占有量低,人均煤炭、石油和天然气储量仅为世界平均水平的56.3%、7.7%和7.1%。近年来,随着我国经济社会的快速发展,能源需求持续增长,供求矛盾日益突出,如果充分利用我国目前的农业生物质能资源,对缓解化石能源供应紧张局面,优化能源结构,保障天津能源安全,建立稳定的能源供应体系具有一定的意义。目前天津市共有622万亩耕地,年产秸秆超过300万吨,除一部分用来加工青贮饲料、秸秆制气外,仍然有相当一部分完全可以用来秸秆固化燃料的生产,并且利用和推广价值非常大。
5.4 有利于拓展农业功能,促进区域经济发展和农民增收
发展农业生物质能产业,突破传统农业的局限,利用农产品及其废弃物生产新型能源,拓展了农产品的原料用途和加工途径,为农业提供了一个产品附加值高和市场潜力无限的平台,有利于转变农业增长方式,发展循环经济,延伸农业产业链条,提高农业效益,拓展农村剩余劳动力转移空间,在促进区域经济发展、增加农民收入等方面大有可为。
5.5 有利于保护和改善生态环境,促进可持续发展
国外清洁燃料生产技术 篇2
国外清洁燃料生产技术
综述了国外清洁燃料生产技术,重点介绍了清洁汽油和清洁柴油的常规生产技术,同时还简要介绍了生物脱硫、天然气制油以及汽油吸附脱硫等非常规清洁燃料生产技术
作 者：廖健 张兵 刘伯华 Liao Jian Zhang Bing Liu Bohua 作者单位：中国石化集团公司经济技术研究院,北京,100029 刊 名：当代石油石化 英文刊名：PETROLEUM & PETROCHEMICAL TODAY 年，卷(期)：2001 9(3) 分类号：F4 关键词：清洁燃料 工艺技术 进展秸秆燃料技术 篇3
农作物秸秆成型燃料是将生物质原料经过粉碎、调质等处理, 在高压条件下压缩成颗粒状且质地坚实的成型物, 除应具有比重大、便于贮存和运输、着火易、燃烧性能好、热效率高 (是直接燃烧的5倍以上) 的优点外, 还应具有灰分小、燃烧时几乎不产生SO2、不会造成环境污染等特点, 可作为工业锅炉、住宅区供热、农业暖房、户用炊事和取暖的燃料。
目前我国的农作物秸秆固化成型装备在设备的实用性、系列化、规模化上还很不足, 距国际先进水平还有不小的差距。尤以成型机最为突出, 表现在生产率低、成型能耗高、主要工作部件寿命短、机器故障率多、费用高等方面。
我国秸秆成型燃料发展前景探析 篇4
1 我国秸秆成型燃料发展现状
我国秸秆成型燃料的发展已有20多年的历史。自1979年国家经济贸易委员会资助河南农业大学 (原河南农学院) 进行以秸秆为原料的活塞式棒状成型机研发开始, 我国秸秆成型燃料的研究得到了初步发展。而这一时期的秸秆压块成型设备主要还是由颗粒饲料成型机改进设计变型而来, 存在模块磨损严重、维修周期短、耗能高、适用性差等问题。
自20世纪末至今, 随着化石能源价格的飙升和国际石油价格的不断上涨, 煤资源的贮存量不断下降, 各国政府意识到资源的重要性, 纷纷把目光都聚集到投资新能源产业上。我国自2007年开始, 出台了一系列政策, 鼓励发展新能源产业。农业部2007年制定了《农业生物质能产业发展规划 (2007-2015年) 》, 中国科学院2009年发布了《中国至2050年生物质资源科技发展路线图》。2011年国家启动了绿色能源示范县建设工作, 秸秆成型燃料又成为这个重点项目的主要应用技术之一。在这种大背景下, 秸秆成型燃料的发展地位得到了大大的提高, 市场供给能力及需求得到了快速提升, 大规模的发展趋势又再次来临。
目前国内秸秆成型机进入市场较多的有三类。第一类是颗粒燃料成型机, 这类设备大多数技术还是沿用饲料环模加工技术, 主要应用于木质原料的加工, 现已很少用于秸秆成型的加工, 原因是秸秆粉碎耗能高, 成型耗能也高, 成型燃料应用范围窄。第二类是环模成型机或是平模成型技术。环模又分为立式环模和卧式环模, 这是我国自主创新的设备, 主要应用于加工秸秆成型燃料。因为秸秆是所有生物质中含有非金属氧化物最多的原料, 加工中磨损快、难粉碎、耗能高, 因此一般采用环模及平模技术, 将秸秆加工成直径30 mm或横截面30 mm×32 mm左右, 长度5~30 mm的块状或棒状燃料。这类机型是目前的主流机型, 技术也较成熟, 成本低廉, 被大多数秸秆成型燃料加工厂商所接受。第三类是棒状冲压成型机。该机型既可用于木质燃料的加工, 又可用于秸秆成型燃料的加工, 也可用于两者的混合料加工, 此类机型加工的成型燃料密度大、直径大, 多用于壁炉及大型的生物质锅炉。
总体来看, 目前我国的秸秆成型燃料设备的技术原理比较先进, 成本低廉, 百姓易接受;但运行能力不高, 管理不规范, 缺乏支持政策, 在全国范围内, 还处于研究示范试点阶段, 规模化和市场化程度较低, 推广速度缓慢。
2 发展中存在问题
2.1 设备、技术问题
(1) 虽然目前我国秸秆成型机的发展已初具规模, 但要真正实现产业化, 还有一些技术障碍亟待解决。表现为: (1) 大部分机组可靠性能差, 运行不平稳, 易损件使用寿命太短, 维修和更换不方便。环模成型机的成型机构和喂入机构磨损太快, 成型产品加工质量不高, 密度较低, 表面易开裂, 运输及贮存过程中易破裂。颗粒成型机耗能高, 生产环境差, 产量低。棒状冲压成型机能耗高, 冲压头磨损快。 (2) 成型机含水率控制难度大, 用户不易掌握成型密度。 (3) 成型机生产效率低, 成型料出机温度难控制。夏天磨腔温度易过高, 成型料出机密度低;冬天温度低, 磨腔温度低, 成型料难出机, 导致无法正常生产, 产量不稳定。
(2) 秸秆成型燃料在应用过程中存在结渣和腐蚀的问题。秸秆中含有较多的氯、钾、钙、铁、硅、铝等成分, 这些元素特别是氯和钾的存在, 使得秸秆成型燃料在锅炉内燃烧时, 当炉温达到一定温度后, 部分金属和非金属氧化物熔化, 和未燃烧尽的燃料混合在一起易形成结渣, 妨碍空气进入炉膛。同时, 由于秸秆中存在氯元素, 锅炉的受热面易存在氯腐蚀的问题, 这是秸秆成型燃料锅炉应用存在的最主要问题。
2.2 秸秆原料供应问题
秸秆供应具有季节性、分散性的特点, 不利于秸秆成型燃料的工业化生产。建议采取分散设点加工及就地使用和集中调配使用的方法。
2.3 设备配套问题
由于秸秆成型机对原料的含水率要求较高, 而成型设备自动化程度低, 粉碎、进料和包装设备没有形成配套的生产线, 工作时原料往往达不到生产用量。建议在研制和生产秸秆致密成型设备的同时, 要配套相应的粉碎和含水率智能检测控制设备。
2.4 产业发展不成熟
我国秸秆成型燃料产业的发展还处于初级阶段, 原料和产品的价格还处于议价交换阶段, 秸秆收储与加工的机械化程度差别较大, 成型燃料和设备的生产没有统一的标准和检测手段, 成型燃料的使用对象以热水炉、小型户用生物质炉具、热风炉为主, 技术研发投入不足, 成型燃料加工以个体私营为主, 缺乏规模化运作及管理意识, 抗风险性较差。这些问题的存在严重制约着秸秆成型燃料产业化的发展。
2.5 政策引导力不足
目前, 虽然国家出台了一些促进生物质成型燃料发展的政策, 但其引导作用还未完全体现出来, 政策补贴的方法还不成熟, 国家监督体制还不完善, 从而导致了成型燃料产业化发展进程缓慢。
3 秸秆成型燃料发展前景及发展方向
农作物秸秆是我国农村重要的能源资源, 生物质成型技术的优点是环保性和良好的经济性。可以预见, 随着该技术一些关键问题的解决, 全社会保护自然生态环境意识的日益加强和国家相应配套政策的出台, 秸秆成型燃料的市场覆盖率将逐渐扩大。
(1) 秸秆成型燃料规模化应用将成为我国农村开辟新能源的重要途径。它将从根本上解决秸秆焚烧和浪费问题, 满足农民对优质能源的大量需求。随着秸秆成型燃料技术研究的深入和农村高品质能源需求的增加, 其技术规模化程度必将逐渐加大, 必将促进秸秆成型燃料快速向产业化和商业化方向发展, 并因此为社会提供更多的就业机会。
(2) 秸秆成型燃料的规模化应用是对我国能源短缺的补充, 是改善农村居民生活环境的有效途径, 可以有效提高农村居民的生活质量, 保护农业生态环境, 增加农民的经济收入。研究秸秆成型燃料规模化技术, 不仅可以满足国民经济发展对能源利用的需要, 而且对于改善以煤炭为主的能源结构, 缓解能源生产和使用造成的环境污染, 弥补化石能源的不足, 保障能源供应安全, 建立可持续的生物能源系统, 保障我国经济的可持续发展都具有十分重要的意义。
秸秆燃料技术 篇5
1 基本情况
肇东市晓光村共有560户居民, 村民1800人, 其中劳动力1200人。晓光村耕地面积13000亩, 以种植玉米为主, 种植面积11000亩。其他作物种植面积2000亩。
肇东市晓光村畜牧业较发达, 年总产值达1900万元, 占农业总产值的83%。形成了以奶牛、肉牛和蛋鸡等为主要养殖品种的发展格局, 2010年全村奶牛存栏1600头, 蛋鸡30000只, 生猪4140头。
肇东市晓光村第三产业发展迅速, 全村从事第三产业的农户70户, 劳务输出550人次, 第三产业产值达278.1万元。项目所需秸秆为肇东市晓光村自有, 年产秸秆5000吨, 原料有充足的保障。
2 建设规模
建设固化生产车间500m2, 原材料堆场5000m2, 成品库400m2等。年产秸秆固化燃料5000吨, 配套设备主要有烘干机1台, 制粒机1台。
3 秸秆固化成型项目的重要意义
我国是农业大国, 农林生物质能资源主要包括农作物秸秆、能源作物, 发展潜力巨大, 空间广阔。
3.1 农作物秸秆
每年仅农作物秸秆就有7亿吨, 年产生的农作物秸秆约折合4亿吨煤标准, 数量十分可观。其他生物质能原料木屑、秸秆等数量也巨大, 且转化利用率十分低。预计到2010年我国主要农作物仅秸秆产量将达到8.2亿吨, 其中约5亿吨可作为农业生物质能的原料;到2015年我国主要农作物秸秆产量将达到约10亿吨, 其中约1/2可作为农业生物质能的原料。
3.2 畜禽粪便
目前我国畜禽养殖业产生约25亿吨粪便/年, 主要来源于农村家庭散养和规模化养殖。全国现有猪、牛、鸡三大类畜禽规模化养殖场约400万处, 其中各类畜禽规模化养殖小区已达5万多个, 单就大中型 (养殖出栏3500头猪单位以上) 养殖场计算, 约有12952处, 养殖量约8000万头猪单位 (蛋鸡、肉鸡、奶牛、肉牛、羊等以不同的数字比例折算为猪/头) , 畜禽粪便资源的实物量为2亿吨。根据全国畜牧业发展第十一个五年规划测算, 预计到2010年和2015年, 我国规模化养殖场畜禽粪便资源的实物量将分别达到26亿吨和33.6亿吨。
3.3 改善生态环境、促进可持续发展
当前我国绝大部分农村地区仍然使用薪柴等作为生活燃料, 森林植被破坏严重;畜禽粪便不能得到有效清理, 环境污染状况得不到根本改善, 严重束缚着我国倡导的“社会主义新农村建设”的进程。新型秸秆颗粒燃料基本实现环保零排放标准, 可以有效替代高污染、高排放的三大能源, 降低薪柴直燃使用量, 资源化利用食草畜禽粪便等农业废弃物, 是推动“节能减排”的战略措施, 是保护生态环境的强力之举, 推进建立资源节约型和环境友好型社会, 维护人、自然、经济的和谐发展。
3.4 有利于改善农民生产生活条件, 扎实推进社会主义新农村
黑龙江省的农村广大地区的社会发展水平教低, 基础设备设施落后, 环境卫生条件差, 70%以上农户生活用能主要采用直接燃烧秸秆、薪柴等落后方式, 大量畜禽粪便得不到有效清洁处理, 导致了疾病、疫病的产生和传播, 影响了广大农民群众的生活质量和身体健康。在完全摆脱了农户抱柴草、劈木头、烧土炕繁重的体力劳动的同时, 节省了大量的剩余时间, 也符合“社会主义新农村”的内容。
4 秸秆固化成型项目的生产工艺
秸秆固化成型项目所选用的秸秆固体成型机组适用原料广, 对原料要求低, 适用于工农业生产和生活等各个领域, 可替代工业与民用燃煤。
4.1 生产方法、工艺流程和主要设备选择
a.生产方法
秸秆经切碎加工后烘干, 再经旋风分离器分离掉尘土后粉碎并与配料混合, 然后再制粒、冷却、分级、称重后打包入库。
b.生产工艺流程简图 (图1)
4.2 主要设备选择
秸秆颗粒是利用玉米秸秆、经切碎、干燥、粉碎、混合、造粒, 形成直径8mm, 长20mm的长圆柱颗粒, 最后经过冷却、干燥达到安全水分, 包装, 可进行较长时间贮存。
4.3 具体加工工艺流程分述如下:
4.3.1 秸秆切碎:
切碎是对物料的第一步处理, 是将秸秆原料破碎至20mm以下。
4.3.2 烘干
秸秆在回转圆筒干燥机内烘干, 干燥筒在驱动机构作用下低速回转运动, 干燥筒向出口方向下倾2°～10°, 并在筒内安装抄板。物料在随干燥筒回转时抄起后落下, 有热风发生炉产生的热风对物料进行加热干燥, 同时由于干燥筒的倾斜及回转作用, 原料被移送到出口然后排除机外。
物料与气流的流动方式为顺流操作。顺流操作具有干燥速度快, 适用范围广的特点。烘干后的秸秆含水10%～15%。
4.3.3 粉碎
对物料进行进一步粉碎, 需要将90%左右的物料粉碎至2mm以下。
4.3.4 制粒
物料通过输送机送到斗式提升机, 接料斗, 经过斗提式提升机将物料送到造粒机上部的上料机。上料机将物料均匀送到造粒机内。由于采用适于高纤维物料造粒的平模式造料机, 制出的颗粒表面光滑, 硬度适中。环模孔径为8 mm, 在造粒机内物料与压辊, 模板之间产生磨擦, 可产生大量热量, 使物料升温到70-110℃度左右。使木质素软化, 并且灭菌。整个造粒过程不用热蒸汽。
4.3.5 冷却
经过皮带输送机送至冷却干燥机进行冷却、干燥。移动链板带动颗粒移动, 下部有进风口, 上部设有风机, 向外抽出湿空气, 经过2-3分钟干燥、冷却完成。
4.3.6 分级
通过震动分级筛将颗粒燃料按不同质量进行分级。
4.3.7 称重、装袋、入库。
5 结论
秸秆固化成型项目是一项作用大、实用性强的新型秸秆处理技术, 提高农业生产的综合能力, 促进了各业的发展, 有利于“三农”的可持续发展, 获得了良好的能源、经济、生态和社会效益, 也为建设新农村做出了贡献。
摘要：秸秆的综合利用, 可以改善卫生条件、炊事用能环境和生活水平, 增加农民的收入, 还能带动当地畜牧业的快速发展和清洁绿色能源的推广, 加快农村致富、奔小康的步伐, 能源效益、经济效益和社会效益提高显著。
秸秆燃料技术 篇6
关键词：生物质,玉米秆,烘焙脱氧,燃料品质
近年来生物质尤其是农业秸秆的高效利用得到了各国的普遍重视。然而生物质的低品质性，如氧含量高、水分含量高、亲水性强、能量密度低、不易储存、研磨难度大，限制了生物质应用技术的进一步发展[1]。因此，生物质秸秆在热化学利用之前，往往需要进行脱水脱氧的前期预处理。
相对于在干燥预处理(室温～150℃)，在200～300℃范围内的烘焙脱氧预处理更能改善生物质原料的品质。烘焙脱氧预处理是一种在常压、隔绝氧气的情况下，反应温度介于200～300℃之间的慢速热解过程[2]。这种适度的热处理过程能够破坏生物质的纤维结构，使生物质变得易磨[3,4,5];另外还能有效地降低生物质中的氧元素，提高生物质能量密度，改善生物质的C/O值[6,7,8];同时，烘焙后生物质疏水性增强，这使得它在储存的过程中不易产生水分的重吸收，提高了生物质原料的存储稳定性[9,10,11]。
目前生物质秸秆的烘焙脱氧预处理研究还较少。本文将采用玉米秆为研究对象，考察不同烘焙温度对玉米秆理化特性的影响，以期为秸秆的高质化利用提供数据基础和理论支撑。
1 实验
1.1 原料
选取烘焙脱氧预处理前后的玉米秆为实验原料。实验前，将玉米秆放在筛网中反复震荡以除去表面灰尘，然后在110℃温度下干燥6 h，经剪切后选取长度约3 cm的玉米秆备用。
1.2 烘焙试验方法
烘焙脱氧试验装置如图1所示。试验开始前，将玉米秆(5 g)装入石英槽内并放置在石英管的冷却区(A)，用高纯氮气(500 m L/min)将石英管(内径0.03 m，长0.5 m)中的空气排净，然后通过温控仪控制管式炉内温度;当温度上升并稳定在设定的烘焙温度时，由进样棒将石英槽推至到管式炉的加热区(B)内进行烘焙脱氧试验。烘焙产生的液体产物收集于冷凝管内，烘焙产生的不可冷凝气体由集气袋收集。待烘焙30 min后，停止加热，由进样棒将石英槽拉出石英管的加热区，维持氮气流量500m L/nin不变，样品在石英管的冷却区迅速降温。试验结束后，对固体产物进行采样分析。
试验采用的烘焙温度为220℃、250℃和280℃，烘焙时间30 min。T是烘焙(torrefaction)英文单词的首字母，CS是玉米秆(corn stalk)英文的首字母。未烘焙的玉米秆以CS表示，烘焙后的固体产物以TCS-X表示，其中X代表烘焙温度。例如，TCS-250代表玉米秆在250℃烘焙30 min后得到的固体产物。
1为氮气瓶，2为流量计，3为进样棒，4为石英管，5为石英槽，6为管式炉，7为控温仪，8为液体冷凝装置，9为集气袋，10为气相色谱仪
1.3 理化性质分析
采用《固体生物质燃料工业分析方法》(GB/T28731—2012)对样品进行工业分析;采用全自动元素分析仪(vario macro cube,Elementar，德国)对样品进行元素分析，氧元素含量采用差减法计算得到;采用氧弹量热仪(XRY—1A，上海昌吉地质仪器有限公司，中国)测试样品的高位热值;采用小型粉碎机分析样品的研磨性能，在同等条件下对样品进行碎粉和筛分，得到1～4 mm、0.38～1 mm、0.18～0.38mm、<0.18 mm四个范围段的颗粒分布。
采用恒温恒湿箱(SPX—250C，上海博迅实业有限公司，中国)测试样品的平衡含湿量，分析烘焙脱氧对秸秆疏水性的影响。将3 g样品放置在恒温恒湿箱(温度20℃、相对湿度50%)中10 d以上，直到样品的含湿量不发生变化为止;然后将样品取出并在110℃下干燥24 h以得出样品的含湿量，此含湿量即是样品的平衡含湿量。采用傅里叶变换红外光谱仪(Nicolet 6 700,thermo scientific instrument，美国)测定其FT-IR图谱，红外扫描4 000～400 cm-1。分析实验均重复三次，图表使用的数据为上述数据平均值。
2 结果与讨论
2.1 烘焙对玉米秆化学组成的影响
烘焙脱氧预处理前后玉米秆的工业分析、元素分析和热值分析结果列于表1。从表1可以看出，烘焙温度对固体产物挥发分含量有明显的影响。随着烘焙温度的提高，挥发分含量逐渐减少，TCS-220的挥发分含量有70.35%，而TCS-280的只有63.34%。在烘焙过程中，挥发分不断析出而灰分留在固体产物中，致使固体产物的灰分含量随着烘焙温度的升高而升高，TCS-220灰分为5.65%，而TCS-280灰分达到9.40%。固体产物的固定碳含量也随着烘焙温度的升高而明显增加。
随着烘焙温度的提高，玉米秆主要元素有不同程度的变化。氮元素含量很少(小于1%)，其含量变化不明显。氢元素含量随着烘焙温度的升高而稍微下降，这是因为在较高的温度下(>250℃)碳氢化合物如CH4和C2H6开始产生并释放出去。碳元素和氧元素在烘焙过程中的变化最为明显。随着烘焙温度的升高，碳元素含量逐渐升高，从TCS-220的43.89%增加至TCS-280的52.63%，而氧含量由TCS-220的43.27%大幅下降至TCS-280的32.57%。这主要是由于玉米秆在烘焙过程中发生了脱羧基、羰基化反应，生成大量水分、CO2、CO和较多的含氧碳水化合物[12]。
烘焙预处理除去了玉米秆中较多的水分和氧含量，因此烘焙固体产物的热值明显升高。从表1可以看出，玉米秆热值由17.82 MJ/kg升高至TCS-280的20.92 MJ/kg。
2.2 烘焙对有机官能团的影响
烘焙脱氧预处理前后玉米秆的红外光谱如图2所示。从图中可以看出，玉米秆含有较多的含氧有机官能团。较高的氧含量是生物质原料热值低的主要原因，而烘焙脱氧预处理后玉米秆的有机官能团吸收峰值发生了较大变化。
当烘焙温度为220℃时，CS和TCS-220的吸收峰值类似，这主要是由于在此温度下生物质中的有机组分还没有发生明显的分解反应。而随着烘焙温度的升高(>250℃)，部分含氧官能团的吸收峰明显降低，这与玉米秆中有机组分尤其是半纤维素的热分解有直接的关系[13]。在此过程中，玉米秆中的结合水完全析出，半纤维素发生脱羟基和缩合反应所形成水分也无法保留在玉米秆内部，使得OH(3 400～3 200 cm-1)峰值有所减弱。(1 516～1 560 cm-1)主要对应于纤维素和半纤维素内的羧基官能团。随着温度的升高，其吸光度明显减弱，表明玉米秆发生了脱羧基、糖苷键断裂、环内基团断裂等反应，形成了一系列的酸、醇、醛、醚类等碳氢化合物以及CO2、CO等不可冷凝气。在烘焙过程中，玉米秆含氧有机官能团逐渐断裂和脱除，使得秸秆的有机官能团结构逐渐简化、氧含量逐渐降低。这与表1的元素分析结果是一致的。
2.3 玉米秆固体产率和能量产率
固体产率和能量产率是生物质烘焙预处理的重要参数。固体产率和能量产率的定义式为:
式中Ymass、Yenergy分别表示质量产率和能量产率，M为质量，HHV为高位热值，下标feed和product分别表示玉米秆原样和烘焙后的固体产物。
图3为玉米秆固体产率和能量产率随着烘焙温度的变化规律。玉米秆质量的损失主要由于水分和挥发分的析出，这些与工业分析结果是一致的。在烘焙过程中，水分以两种不同的机理释放，第一是吸附于生物质微小孔径内的水分大量蒸发，第二是生物质的有机组分发生的脱水反应[14]。烘焙温度为220℃时，玉米秆失重并不明显，固体产率为93.8%，这是因为此时的烘焙温度还没有达到生物质中最不稳定的半纤维素的分解温度，少量失重主要是由样品中水分蒸发造成的。在较高温度段250～280℃，固体产率下降明显加快，TCS-280固体产率只61.4%，这主要是因为随着温度的升高，热裂解反应加剧，挥发分析出的也就越多。
烘焙降低了玉米秆的氧含量提高了碳含量，因此玉米秆热值明显提高。然而，考虑到质量损失，生物质的能量是在损失的。图3是玉米秆能量产率随着烘焙温度的变化规律。从图3可以看出，能量产率与固体产率具有相似的变化趋势，都随着烘焙温度的升高和烘焙时间的增加而降低。相比于固体产率，烘焙温度对能量产率影响较小，TCS-220的能量产率为94.0%，而TCS-280仍有72.1%的能量产率。
2.4 玉米秆碳产率和氧产率
在烘焙过程中，玉米秆碳产率和氧产率的定义式为:
式中Ycarbon和Yoxygen分别表示碳产率和氧产率，Mcarbon in product和Mcarbon in feed分别表示烘焙固体产物和未烘焙样品中的碳元素质量分数，Moxygen in product和Moxygen in feed分别表示烘焙固体产物和未烘焙样品中的氧元素质量分数。
烘焙温度对玉米秆碳产率和氧产率的影响如图4所示。从图4可以看出，在较低温度(220℃)烘焙时，玉米秆中保留了97.5%以上的碳元素。当烘焙温度提高至280℃时，仍然有超过76.7%的碳保留在秸秆中。与碳产率不同的是，玉米秆氧产率较低，在250℃烘焙后，20.7%的氧元素被释放出去;在280℃烘焙后，高达55.3%的氧元素被除去。由此可见，玉米秆烘焙脱氧预处理后，大部分的碳被保留，而大部分的氧被释放，这有助于提高玉米秆的燃料品质。
2.5 烘焙对玉米秆研磨性能的影响
烘焙温度对玉米秆研磨性能的影响如图5所示。生物质富含纤维结构，有机组分之间的连接非常紧密，使得生物质研磨变得困难。从图中可以看出，玉米秆原样较难粉碎，玉米秆颗粒粒径在0.38～1 mm比率最大。烘焙后颗粒在1～4 mm和0.38～1 mm比率明显下降，而在0.18～0.38 mm和<0.18 mm范围内的颗粒比率明显升高。经过烘焙脱氧预处理后，玉米秆的可磨性得到了较大的改善，颗粒粒径向小型化发展。这主要是因为生物质的纤维素、半纤维素和木质素发生了不同程度的分解反应，紧凑的纤维结构消弱了，从而降低了生物质的韧性和细胞壁的强度，提高了生物质的可磨性能[15]。
烘焙脱氧预处理需要外在能源，而烘焙后玉米秆研磨性能的明显提高，能够节省生物质粉碎处理的耗电量，在一定程度上抵消了烘焙过程中所耗的能量，有利于生物质大规模热化学利用。
2.6 烘焙对玉米秆疏水性的影响
生物质中的水分主要吸附于细胞壁或以氢键连接在细胞的羟基化合物上，在不同的环境下会发生吸附和解析反应，因此生物质含湿量会随着环境温度和湿度的变化而变化。平衡含湿量是固体疏水性的重要指标[16]。烘焙前玉米秸秆的平衡含湿量为7.59%，烘焙后玉米秸秆(TCS-220、TCS-250和TCS-280)的平衡含湿量为5.76%、4.34%和3.12%。烘焙脱氧预处理使半纤维素发生了脱羟基，反应破坏了细胞壁，同时大大降低了玉米秆中的氧含量。这些羟基化合物的分解以及细胞壁的破坏，使得烘焙固体产物可吸附的水分明显降低。相对于玉米秆原样，烘焙固体产物的平衡含湿量明显降低。这说明烘焙增强了固体产物的疏水性，而且随着烘焙程度的加深，固体产物的疏水性进一步增强。较低的平衡含湿量使得玉米秆可以长时间堆放储存，这对玉米秆的储存运输和热化学转化利用都是非常有利的。
3 结论
烘焙脱氧预处理对玉米秆的理化性质有明显的影响。随着烘焙温度的提高，挥发分含量逐渐减少，而固定碳含量大幅上升;碳元素含量逐渐升高，氧元素含量大量减少。随着烘焙随着温度的升高，玉米秆中有机组分尤其是半纤维素的热裂解反应加剧，挥发分析出的也就越多，玉米秆的固体产率逐渐下降。能量产率与固体产率具有相似的变化趋势，但其下降幅度小很多，这主要是因为烘焙后玉米秆的热值得到了大幅提高。
秸秆燃料技术 篇7
1 农业秸秆类物质的结构特征
农业秸秆类生物质主要成分是纤维素、半纤维素和木质素。其中纤维素是由脱水葡萄糖基通过 β - 1,4 糖苷键连接成直链状结构,是秸秆纤维素的骨架部分,约占30% ~ 40% 。半纤维素由多种糖基( 中性、脱氧和酸性糖基) 组成,是无定形的生物高聚物,大多带有侧链,通过氢键与纤维素的微纤丝结合,形成作为细胞壁骨架的网络结构,约占20% ~ 30% 。木质素的含量仅次于半纤维素,在农作物秸秆中为15% ~ 25% 。它和半纤维素一起作为细胞间质填充在细胞壁的微细纤维之间,在细胞壁中起加固作用［2］。
2 农业秸秆类生物质预处理及酶解
打破紧密的农业秸秆纤维素结构,降低纤维素的结晶度和聚合度,去除半纤维素和木质素的位阻,增大物料表面孔径和表面积,对于提高微生物的多糖利用率至关重要［3］。目前农业秸秆类生物质预处理技术主要包括物理处理方法、化学处理方法和生物处理方法等,其中物理处理( physical pretreatment)是利用高温水( 其反应温度一般在150 ~ 220 ℃ 之间) 或者是蒸汽对木质纤维素进行预处理的方法,,在这个过程中部分的木质素和大部分的半纤维素被去除,目前研究比较热门的两种方法是高温液态水法( liquid hot water)［4］和蒸汽爆破法( steamexplosion)［5］。化学处理法包括碱法( alkaline pretreatment) 、酸法( acid pretreatment) 和有机溶剂法( organosolv process) 等。
被认为最有可能实现工业大规模应用的预处理方法,也是目前研究最多主要有蒸汽爆破法、高温液态水法和稀酸处理法。目前工艺最成熟的预处理方法稀酸预处理研究开始于20 世纪40 年代,由于预处理过程中糖降解严重,而且传统硫酸、盐酸、硝酸和磷酸不仅对设备要求比较高,所以目前国内外研究的重点已经从稀酸( 1% ~ 10% ) 转变为超低酸( 小于1% )［6］,从传统的强酸转变为如乙酸、马来酸、甲酸等有机酸,从间歇反应器转变为变连续反应器或渗滤,另外金属助催化剂也被添加在预处理过程中。美国可再生能源实验室( NREL) 设计开发了连续两步反应系统,该反应器结合压缩渗滤过程和平推流过程于一体,包括垂直逆流压缩段和水平螺旋平推段。其中,生物质中的半纤维素通过170 ~ 185 ℃ 的蒸汽在水平螺旋平推段水解,纤维素部分通过< 0. 1% 的稀硫酸在205 ~ 225 ℃ 下垂直逆流压缩段水解。经过初步试验,黄杨树木屑半纤维素和纤维素的糖收率均可达到90%［7］。中国科学院广州能源研究所［8］在200 ℃ 下采用0. 1% 的马来酸水解纤维素,可以达到95. 7% 的纤维素转化率,指出马来酸的双分子羧酸位和纤维素酶的活化位点比较类似,可以有效模拟纤维素酶催化,表现出很好的选择性,同时由于马来酸较弱的氢离子电离能力,从而减少了质子氢进攻葡萄糖分子上的羟基以及葡萄糖分子内脱水的概率。
蒸汽爆破法［8］是利用高温高压蒸汽处理生物质一定时间( 205 ℃ ,8 min) ,使秸秆原料软化,高压蒸汽渗入秸秆类生物质内部,然后瞬间泄压使得原料在膨胀气体的冲击下发生多次剪切形变,实现了原料组分的机械分裂、化学分离、和结构重排等,从而提高了纤维素酶对纤维素的酶解率。国内中粮集团采用连续蒸汽爆破预处理方法,建成了500 t/a玉米秸秆纤维素乙醇试验装置,并已投料试车成功［9］。然而单纯的水蒸气爆破法有一些弊端: 木质素去除率低、半纤维素损失率高和有毒副产物浓度高,大大影响了乙醇和丁醇发酵的产量。若在蒸爆过程中添加少量催化剂如CO2、SO2和NH3等,不仅提高残渣的酶解率,还可以大大降低能耗。这主要是因为在碱性或酸性环境下,秸秆类生物质的半纤维素和木质素更容易被去除。特别是在碱性条件下,如氨爆预处理的反应温度可以降低到90℃ ,可以去除大约有20% ~ 50% 的木质素,纤维素酶解率可以达到90% 。
高温液态水( liquid hot water) 预处理由于不需要添加任何化学试剂,生成降解产物少等优点,作为一种新兴的绿色反应工艺正成为研究热点［10］。目前相关研究主要集中在半纤维素高温液态水中水解的机理问题,以及提高半纤维素衍生糖的收率和浓度。国内以中国科学院广州能源研究所研究最早,并针对纤维素结晶指数更大、木材类生物质木质化程度更高的特点,提出了变温高温液态水预处理法,即第一步先在180 ℃ 反应20 min回收半纤维素衍生糖,第二步再在200 ℃ 反应20 min进一步处理纤维素降低其结晶度并脱除部分木质素,最后纤维素酶解率可以达到93. 3% ,总糖( 木糖和葡萄糖) 收率可以达到96. 8%［11］。
纤维素酶在农业秸秆类生物质糖化过程中起着关键性的作用。但目前使用中的纤维素酶都或多或少地存在着酶使用寿命短、稳定性差、活力低等缺陷,致使纤维素酶的使用成本过高,影响着纤维素燃料乙醇、丁醇等的的产业化进程。所以如何增加纤维素酶稳定性和使用寿命,降低其使用成本,是打通由农业秸秆原料到生物燃料技术路线的关键,也是本行业世界范围内所面临的一项共性关键技术。作者认为应该从以下几方面入手: 1改进纤维素酶的生产技术,筛选和诱变育种纤维素酶高产菌,提高纤维素酶的产量; 2选择合理的酶系组成并且改善纤维素酶的性能,提高酶的比活性; 3克服游离纤维素酶反应过程中存在的分离困难、稳定性差和易流失等缺陷,开发纤维素酶固定化技术。
3 农业秸秆类类生物质酶解液的利用
农业秸秆类生物质酶解液一般为低聚糖、葡萄糖和糖降解产物。被利用的难点主要集中在: 水解液的脱毒、微生物葡萄糖和木糖的共发酵利用和微生物的耐毒性3 个方面。
3. 1 乙醇发酵
燃料乙醇它可以直接作为动力燃料或者是掺入汽油中作为燃油改善剂和部分汽油的替代品,是一种非常重要的生物质液体燃料,用汽油发动机的汽车,乙醇加入汽油中的量在5% ~22% ; 而对于专用乙醇发动机的汽车,乙醇加入量为85% ~100% 。由于乙醇含氧比率较高,所以可以替代增氧剂MTBE( 甲基叔丁基醚) ,减少对水资源的污染,充分燃烧更,降低芳香族化合物和一氧化碳排放量。可见使用燃料乙醇的不仅可以缓解对石化燃料的过度依赖,减少汽油的使用,而且还可以降低城市环境的污染,减少有害物质的排放。
由于农业秸秆类生物质中的酶解液中含有大量如甲酸、乙酸、糠醛、5 - 羟甲基糠醛和芳香族化合物等发酵抑制物,传统的酵母等发酵淀粉类原料的微生物在发酵乙醇时均没有比较好的发酵效果。一般地,水解液可以从以下三方面入手进行脱毒处理: 1将预处理过程优化,避免或减少抑制物的产生;2将水解产物脱毒处理后再发酵; 3构建耐受能力较高的菌种,实现菌种原位脱毒。Lee等［12］发现用2. 5% 活性炭量可以去除硬木片高温液态水水解液中14% 乙酸、42% 甲酸、93% 糠醛和96% 5 - 羟甲基糠醛,同时约有8. 9% 的糖损失。然后用一株经基因改造后的厌氧嗜热杆菌MO1442 ( T. saccharolyticumstrain MO1442) 对脱毒后的水解液进行发酵,该菌可以代谢其中木糖、葡萄糖和阿拉伯糖,达到乙醇理论产率的100% 。被首都师范大学杨秀山教授［36］培育的树干毕赤酵母新菌株Y7( P. stipitis Y7) 能够对木质纤维素稀酸水解产物进行原位脱毒,能将水解液中的木糖和葡萄糖高效转化为乙醇,达到乙醇最高理论值的93. 6% 。菌种的原位脱毒可以简化以木质纤维素为原料生产乙醇的工艺、从而降低生产成本,对秸秆纤维素乙醇生产的商业化具有重要的理论和实际意义。
3. 2 丁醇发酵
丁醇是重要的化工原料,除了广泛用于多种化学品的合成如各种塑料、橡胶制品的制造、丁醛、丁酸、丁胺和乳酸丁酯等外,也是继生物燃料乙醇后又一种极具开发前景的新一代液体燃料。作为生物燃料,丁醇比乙醇更优越,它与汽油和柴油的调和配伍性更好,性质更接近烃类,燃烧值与能量密度更高,对设备腐蚀性更小。产溶剂的丙酮丁醇梭菌Clostridia可以利用农业秸秆类生物质进行厌氧发酵产生丙酮( acetone) 、丁醇( butanol) 和乙醇( ethanol) 等溶剂,一般简称为ABE发酵。
美国农业部Qureshi等从2003 年就开始对多种生物质( 包括玉米秸秆、柳枝稷、和麦秆等) 的稀酸水解液进行了丁醇发酵研究,利用拜氏梭菌P260( C. beijerinckii P260) 对小麦和大麦秸秆的稀酸水解液进行发酵后,发现小麦秆水解液比大麦秆水解液更适合发酵生产ABE,小麦秆水解液中生成率可以达到0. 6 g / ( L·h) ,而大麦秆水解液中的ABE生成率仅为0. 1 g / ( L·h) ,中毒性物质含量不同引起ABE生成率的差距,大麦秆水解液中糠醛、乙酸和5 - 羟甲基糠醛等高于小麦秸秆水解液。大麦秆水解液添加15. 1 g/L的葡萄糖并经过Ca( OH)2脱毒后,丁醇的浓度可以达到17 g/L。最后Qureshi提出构建能够耐受或代谢水解液中毒性物质的菌种将是丁醇发酵的难点［13］。
4 结语
中国的农业秸秆类生物质含量达到8 亿t,河南又是农业大省。利用丰富的农业秸秆类生物质发酵生产能源及高附加值的化学品以补充或替代石油化学品,可以变废为宝,减少环境污染且带来很可观的经济效益,已经得到全世界的认可和重视。我国也正在努力。但由于秸秆类生物质复杂的纤维素- 半纤维素- 木质素结构,这样的结构极大的限制了其在实际生产中的广泛应用,故需要从以下几方面着手:
( 1) 探索高效的、新的预处理工艺,不仅能够降低酶解成本、提高原料的酶解率,而且还能提高还原糖产物的浓度和收率,减少副产物的生成。最后就是预处理过程要环境友好而成本低廉等。目前一个很好的方向是高温液态水预处理法。
( 2) 优化耐毒性的发酵微生物,包括对产物耐受能力和对水解液中毒性物质的抗性。提高微生物本身的抗性不仅可以降低工艺成本而且还可以减去水解液脱毒的繁琐过程。
秸秆燃料技术 篇8
化石能源的大规模使用带来的生态环境的破坏排放日益引起世界范围的重视[1],科学、充分地高效利用资源丰富的秸秆能源,对节约化石能源、减少有害气体排放,具有重要意义。秸秆成型燃料,其单位密度和强度增加,燃烧特性明显改善。秸秆成型燃料利用率达90% 以上,密度达到800 ~1 100 kg / m3; 热值为15 000 ~ 18 000 k J/kg; 灰分为6% ~ 20%[2]。国内外学者对秸秆成型技术的研究主要集中在成型过程的机械特性、压缩特性、流变特性和成型工艺等方面的理论与实验研究[3]。在秸秆燃料成型机智能控制系统方面的研究主要有以下特点: ( 1) 智能化程度低,没有完整的参数数据库,精确的智能控制系统还有待研究[4]; ( 2) 对秸秆成型过程能耗定量研究工作还很不全面[5]; ( 3) 基于智能算法来预测能耗及燃料性能还有待研究[6]。
1 影响成型的主要因素分析
环模成型机是目前使用最为广泛的机型[7]。影响秸秆成型的因素分为秸秆物料本身因素、成型工艺因素和成型机结构因素[8],其中秸秆物料本身因素包括秸秆物料的种类、粒度、含水率; 成型工艺参数因素包括成型压力、成型温度、压辊的转速、电机转速; 成型机结构影响因素由模孔形状因素、环模长径比、环模的开孔率以及环模与压辊之间的工作间隙等因素决定。目前,我国的生物质固化成型理论基础薄弱导致成型设备的成本高,能耗大,没有精确的智能控制系统,致使能源大量的浪费,使其难于产业化。
2 控制系统的整体方案设计
秸秆成型过程是非线性的系统,难以建立精确的数学模型,从而引入模糊控制系统,设计出具有准确、快速反应能力的秸秆环模成型机模糊控制系统。控制系统可以分为现场控制模块、数据采集模块、上位机和执行机构[9]。下位机采用西门子s7 - 200 系列PLC作为现场控制器负责成型过程中数据采集、对执行机构的控制。计算机作为上位机,能够提供良好的人机界面。传感器将检测数据经PLC传送给计算机,对数据进行处理分析,将结果传送给PLC,PLC控制器对结果进行解析后控制相应的执行结构。
3 秸秆含水率模糊控制器的建立
秸秆物料含水率影响秸秆成型燃料的质量[10],通过电加热方式以及蒸汽阀来控制秸秆的含水率,使其满足秸秆物料压缩成型的要求。秸秆环模成型机的结构示意图如图1 所示。
秸秆物料含水率经SWR - 100 型水分传感器采集后,通过EM235A/D转换将数据传输给PLC,得到秸秆物料的水分值,秸秆物料水分偏差等于实际的水分值减去适宜的水分值( 15% ,记为15) ,将秸秆物料的含水率稳定在给定值附近,在本次研究中电流偏差取值范围为[- 5,5]。
根据隶属函数的确定原则,选取输入变量模糊集E选择7 个语言变量,分别为含水率过大( PB) 、含水率较大( PM) 、含水率稍大( PS) 、含水率适中( O) 、含水率稍小( NS) 、含水率较小( NM) 、含水率过小( NB) ,量化论域为( + 6,+ 5,+ 4,+ 3,+ 2,+ 1,0,- 1,- 2,- 3,- 4,- 5,- 6) 。则得偏差e的量化因子为:。
1-主传动箱;2-压辊;3-成型口;4-进料器;5-含水率调节电动机;6-含水率调节减速器;7-料斗;8-水分传感器;9-蒸汽流量控制阀;10-加热装置;11-进料器减速器;12-进料器电动机;13-主电动机
模糊数的隶属函数的选取应遵循应用广泛、形状简单、计算量少、控制精度高等原则,因此选三角形形状的作为隶属函数,总结秸秆成型机操作者的实践经验,可确定描述模糊子集PB、NB的隶属函数,并据此建立语言变量E的赋值表,如表1 所示,模糊集E的隶属函数如图2 所示。
输入变量模糊集EC共选择7 个语言变量,分别为正快( PB) 、正中( PM) 、正慢( PS) 、零( O) 、负慢( NS) 、负中( NM) 、负快( NB) ,量化论域为( + 6,+ 5,+ 4,+ 3,+ 2,+ 1,0,- 1,- 2,- 3,- 4,- 5,- 6) 。
输出变量U的论域Z = { - 6,- 5,- 4,- 3,- 2,- 1,0,1,2,3,4,5,6 } ,选取其语言值为{ QK,ZK,XK,O,DJ,ZJ,GJ } 。建立语言变量U的赋值表。如表2 所示,输出模糊集U的隶属函数如图3所示。
当含水率过大( PB) 时,不管偏差变化率如何,输出量均为高速加热( GJ) ; 当含水率较大( PM) 时,偏差变化率为正时,说明秸秆物料的含水率有增加的趋势,此时,应为高速加热( GJ) ,但变化率为负时,说明含水率有着下降的趋势,此时输出量应为中速加热( ZJ) ; 当水分传感器检测到的含水率稍大( PS) 、含水率适中( O) 时,偏差变化率为正时,说明秸秆物料的含水率有增加的趋势,此时,输出量应为低速加热( GJ) ,但变化率为负时,说明偏差变化率有着下降的趋势,此时输出量分别为不加热( O) ,但当偏差变化率为正时,说明含水率偏差的变化有着上升的趋势,此时输出量应为低速加热( DJ) 。
当水分传感器检测到秸秆物料含水率过低时,说明秸秆物料的含水率已经低于秸秆物料成型的适宜含水率值需要控制电磁阀门的开头大小来控制水量多少。当含水率过小( NB) 时,不管偏差变化率如何,蒸汽阀输出量均为开口全开( QK) ; 当含水率较小( NM) 时,偏差变化率为正时,说明秸秆物料的含水率有增加的趋势,此时,蒸汽阀输出量开头应为中等大小( ZK) ,但变化率为负时,说明含水率有着下降的趋势,此时蒸汽阀开头输出量应为全开( QK) ;当水分传感器检测到的含水率稍小( NS) 、含水率适中( O) 时,偏差变化率为正时,说明秸秆物料的含水率有增加的趋势,此时,蒸汽阀开口大小输出量应为闭合( O) ,但变化率为负时,说明偏差变化率有着下降的趋势,此时蒸汽阀的输出量应为开口小( XK) ,但当偏差变化率为正时,说明含水率偏差的变化有着上升的趋势,此时输出量应为低速加热( DJ) ; 共有49 个规则,每一条规则都决定一个模糊关系,其中R1、R2、R48、R49分别为
通过49 个模糊关系,可获得秸秆环模成型机控制系统控制规则的总的模糊关系R,即
将水分传感器采集到的含水率大小作为控制蒸汽阀门以及加热装置控制的判断依据,当采集到的含水率与设定最高含水率进行比较,有偏差时,含水率偏于秸秆物料成型的适宜范围,进入模糊控制程序,经过模糊化、模糊推理和反模糊化等模糊控制过程,对其作出适当反应( 蒸汽阀的开口或者加热功率) 。
4 结语
传统的控制方法难以在复杂工作环境中做到准确控制,经过对影响秸秆燃料成型的因素分析判断,同时考虑精确性、经济性和实用性的要求,将秸秆原料的含水率作为判断依据。通过检测秸秆原料含水率的变化来实现秸秆成型燃料质量自动控制。选用二维模糊控制器,并根据专家知识及操作者经验,建立模糊控制规则,设计了物料含水率模糊控制器。本文的研究旨在为秸秆成型燃料质量控制提供一种思路。
摘要：目前,国内外秸秆燃料成型机的设计理论研究方面已经取得了很大的进步,仍面临着生产效率偏低、能耗偏高及自动化程度低等问题。秸秆原料的含水率对秸秆成型燃料质量有着重要影响,含水率模糊控制系统以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础,采用计算机控制技术构成的一种具有反馈通道、闭环结构的数字控制系统。运用MATLAB软件建立秸秆含水率模糊控制系统模型,进而利用Simulink工具箱对其进行仿真,可以为秸秆成型的自控控制提供理论基础。
关键词：模糊控制,秸秆,成型燃料,含水率
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