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无锡新型生物质颗粒燃料设计——可管道运输

来源: 管家婆论坛资料中心:2019-03-10 2144 次浏览

  作为一个专注于开发可通过管道运输的 颗粒项目,模制了一种新型碳化颗粒,其提高了体积能量密度、耐久性和耐湿性。
  加拿大金斯敦皇后大学(Queen’s University)研究项目的 最初想法是开发一种能够满足管道输送理想特性的 木屑颗粒。金斯顿皇后大学机械与材料工程系教授Andrew Pollard为了做到这一点,要求是球状,以更大限度地提高管道内的 填料。颗粒还需要高度耐用,并且经受得住与管道和其他颗粒的 冲击和磨损。当然,它们必须能够长时间地被淹没在管道中的 载体 - 水中。当时,这样一个颗粒根本不存在,所以皇后大学的 团队自行发起了一个研究项目。
  碳化过程十分有意思,因为使用这个过程制成的 颗粒不仅增加了能量密度,而且改善了硬度,最重要的 是疏水性。生物质颗粒原料的密度一般为 0.1—0.13t/m3,成型后的颗粒密度 1.1—1.3t/m3,方便储存、运输,且大大改善了生物质的燃烧性能。生物质锅炉燃料生物质颗粒燃料纯度高,不含其他不产生热量的杂物,其含炭量75—85%,灰份3—6%,含水量1—3%,不含煤矸石,石头等不发热反而耗热的杂质,将直接为企业降低成本。然而,现有圆柱形的 碳化颗粒在管道(Conduit)中并不是更佳的 ,断裂端是容易进水和产生微粒或细粒的 部位。为了通过管道运输,颗粒将需要连续、光滑和不透水的 外表面,以更大限度地减少损坏和进水。
  为了实现这一目标,该团队通过压缩(compression)两个半球形模具(称号:工业之母)之间的 生物质(Biomass)来制成颗粒,而不是像传统颗粒那样通过模具挤压材料。常规加工的 另一变型涉及在压缩之前,通过在一段时间内将模具加热至设定温度,碳化模腔中的 生物质,然后压制颗粒。
  有趣的 是,研究小组发现,样品脱气在模具内产生了一个阻止空气与加热样品相互作用的 环境,从而在碳化期间不需要惰性环境。产生的 个颗粒颜色为深棕色,与碳化的 颗粒一样,并具有光滑、坚硬且有光泽的 外表面。不幸的 是,他们也有脆弱的 赤道平面,因此容易分裂成两半。
  由于颗粒半部的 其他属性克服了圆柱形颗粒的 许多弱点,研究团队将注意力集中在压缩过程中模具内生物质颗粒燃料之间的 相互作用,并确定脆弱的 赤道面是由于粒子间接触不足造成的 。需要改善生物质纤维之间的 混合,因此Pollard和团队重新设计了模具,其功能类似于冰淇淋勺。随后制成的 颗粒具有相同的 不透水的 外表面,也更坚实,如通过改进的 冲击测试就能证明- 例如将颗粒投掷到混凝土地板(floor)上;它们反弹(Rebound),对表面没有影响。
  然而,对模具中的 生物质进行碳化使得将工艺规模扩大到工业生产能力变得很困难,因此团队将焦点转向确定碳化和制粒步骤是否可以分离,同时仍然实现相同的 坚固颗粒。
  为了得到帮助,这个团队请来了皇后大学教授、自然科学和工程(Engineering)研究委员会设计工程主席David Strong。生物质颗粒是在常温条件下利用压辊和环模对粉碎后的生物质秸秆、林业废弃物等原料进行冷态致密成型加工。Strong的 评估认为,如果要应用在工业上的 话,团队需要最小化生物质在模具中花费的 时间,这意味着要么在生物质预热之后将其装载到模具中,要么显著提高模具内生物质的 加热速率。
  个方案难度在于要应对材料处理方面的 挑战,特别是在大学的 实验(experiment)室环境中,所以团队专注于第二方案。然而,当时的 传统(chuán tǒng)思想是碳化过程中的 温度不能超过50摄氏度(℃),并且一旦冷却,碳化材料就 ;凝固 ;了,就不能形成坚固颗粒。研究(research)人员对这些假设提出质疑,并通过一系列实验证明,之前经过加热和冷却的 生物质(Biomass)可以迅速重新加热并压缩,以形成与使用原始工艺获得的 质量一致的 坚固颗粒。
  这是一个关键的 发现,使团队能进一步发展,无论是原料或预处理的 生物质,在压缩循环中保持时间接近于零。在这个过程(process)中已经成功地使用了多种类型的 生物质,涵盖木本和非木本生物质,如杨树、柳枝稷、燕麦壳和***。
  事实证明,皇后大学研发的 颗粒(以下简称Q'Pellets)的 特性也非常适合更传统的 应用,例如在发电时与煤共烧,在水泥生产中作为低碳(Low carbon)燃料替代物。与传统碳化颗粒一样,与白色或未碳化的 颗粒相比,Q'Pellets具有更高的 能量密度(单位:g/cm3或kg/m3),硬度以及疏水性更强。
  然而,用于Q'Pellets的 压缩成型工艺导致密度增加,其球形和改进的 填充材料导致体积密度增加,因此体积能量密度增加。 Q'Pellets也有一个连续、光滑和不透水的 外表面,更大限度地减少粉尘的 产生,从而减轻粉尘爆炸的 问题。此外,它们的 贝壳状表面更大限度地减少了水的 进入 - 有趣的 是,团队发现Q'Pellet淹没在水中一年半的 时间,对其耐久性没有任何影响。
  为了评估Q'Pellets的 商业潜力,开发了基于电子表格的 模型,以便对Q'Pellet
  S、圆柱形碳化颗粒和圆柱形白色颗粒进行技术经济分析和简化的 生命周期分析。基于以下这个假设的 案例研究,在不列颠哥伦比亚省威廉姆斯湖建造的 一个商业规模的 工厂,在荷兰鹿特丹完成产品交付,根据其内部收益率、生命周期温室气体排放来比较每种颗粒类型的 生产。
  Q'Pellets的 模拟内部收益率更高为12.7%,白色颗粒为11.1%,碳化颗粒为8%。简化的 生命周期分析(Analyse)表明,Q'Pellets是三种产品(Product)中生命周期温室气体排放量更低,为6.96 kgCO2eq / GJ,而白色颗粒为21.50kgCO2eq / GJ,碳化颗粒为10.08kgCO2eq / GJ。在这些生命周期温室气体排放水平上,白色颗粒高于欧盟法规规定的 可持续更大生命周期排放量。通过修改输入变量对模型进行敏感性分析,表明白色颗粒对不可控制的 市场变量更为敏感,特别是颗粒销售价格、生物质原料价格和运输成本。还进行了蒙特卡罗分析,结果表明,与Q'Pellet生产相比,白色颗粒生产的 可预测性较差,并且更可能导致负内部收益率。
  Q'Pellet的 优势非常明显,体积能源密度增加,性能(xìng néng)优越,温室气体排放周期缩短。然而,Q'Pellet技术还处于相对较早的 发展阶段,需要做更多的 工作来提高其技术水平。Pollard和Strong都认为,通过与有技术基础的 工业合作伙伴合作能够更好的 实现这一目标,从而推动技术向前发展。
  因此,该大学的 技术转移办公室一直致力于帮助确定有兴趣开发(develop)和商业化Q'Pellet技术的 工业合作伙伴。拥有一项涵盖Q'Pellet模具设计的 美国专利,以及大量的 加工技术和专业(Specialty)常识,该团队相信,它已经建立了一个强大的 基础,可以建立一个新的 专有制粒平台。
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