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1、第二章 秸秆的收集与预处理从上节课绪论中，我们已经了解到，我国每年的秸秆量为7亿吨左右，除一部分秸秆用于能源化、饲料化、肥料化外，仍有1/3秸秆尚未得到利用。这些未被利用的秸秆大部分采用简单的处理方式焚烧，而使大量的秸秆资源被浪费。秸秆焚烧不但不能给农民创益，而且会造成严重的大气污染以及空中、地面的交通问题，此外秸秆焚烧还容易引发火灾，威胁人们的生命财产安全以及破坏土壤结构，降低还田质量，不利于农村的可持续发展战略。我国农作物秸秆分布广、收获季节性强、即地保存性差、收集费时费工、堆放密度低、贮存占地面积大、易燃、易霉，目前依靠传统收集技术与手段, 已经无法实现秸秆的快速收集更难以满足工业化利用
2、的规模。现阶段我国秸秆收集储运机械化整体水平还比较低。关键技术环节和装备尚处于起步阶段，已经成为严重制约农作物秸秆规模化、商品化、产业化利用的主要瓶颈。无论是有机肥加工、造纸、饲料化处理、气化处理还是秸秆发电，农作物秸秆的综合利用首先需要解决的问题就是秸秆收集问题，无法提供有效的机械进行收集，秸秆的综合利用就无从谈起。所以，我们这里所要谈的秸秆的收集，是从国家工业化利用的角度提出的。一、秸秆的收集 1. 收集方式这里说的收集，是除了还田外，用来工业化生产的秸秆的收集。目前，农作物秸秆等生物质原料主要是靠人工收集的方法获得。对于水稻和小麦秸秆来说，在收获时，农作物籽粒和秸秆一起运回打晒场地，经过
3、人力或者机械对作物脱粒后，将秸秆码垛堆放。对玉米秸秆的收集，则是在大田里将玉米棒收获后，再将玉米秸秆收割后运回封存堆放。也可以采用机械化的方式，例如用联合收割机收获玉米后，再用运输工具将秸秆运回存放场地。2. 秸秆收集的特点（1）堆积密度小，要求储藏空间大；（2）收获期短。对于两季种植的地区来说，一般只有20天左右的时间收集，一遍翻整耕地；（3）分布广散不易收集。由于我国的农村制度，秸秆等生物质原料分布广且分散，不容易收集；（4）易霉变和引发火灾。3. 储藏方式根据秸秆收集的特点，我们可以采用分散储藏和集中储藏两种收集模式。（1）分散储藏收集模式。主要是对于燃料厂来说。大部分的秸秆原料由使用秸
4、秆能源燃料的农户分散和存放。事先同农户商议好，将秸秆原料折合为成型燃料价格的一部分，或者采用按比例交换的方式呢，鼓励燃料用户主动收集作物秸秆。分散收集的主要优点有：减小了燃料厂的投资，主要是对生产原料储存库房和场地的投资；降低了燃料价格。因为农户向燃料厂提供的农作物秸秆和燃料厂向农户提供的燃料可以按比例交换，相应的降低了燃料价格；减少火灾发生的可能性。农户分散存放，便于储存和管理，减少火灾发生的可能性。任何事物都是两面性的，分散收集的缺点：农户各自储存秸秆等生物质原料，会造成在农村居住区内无序堆放，对燃料厂来说，影响成型燃料生产规模扩大和产业化发展。（2）集中储藏收集模式。 燃料厂需要具有较大
5、的储藏空间，堆放从农户收集来的秸秆等生物质原料，一般来说是储存在库房或码垛堆放在露天场地。 集中储藏收集模式的要求是：对原料分类别及按工序堆放整齐，并能放雨、雪、风的侵害；原料中不允许有碎石、铁屑、砂土等杂质以保证加工设备的生产效率和使用寿命；无霉变，含水量要小于18%；原料厂周边禁止烟火。设置安全员，定时巡查原料厂，及时消除火灾隐患，保持原料厂消防车道的畅通和工具完备有效。4. 秸秆收获设备 （了解）青贮型玉米联合收获机、玉米秸秆青贮收获机、玉米秸秆收割机、小麦秸秆打捆机械等。具体同学们自己看一下书就可以了。二、秸秆的预处理 重点近几年，生物质技术得到了快速发展，应用领域逐渐扩大，如生物质气
6、化发电、生物质制油、生物质制氢等等。不同的技术设备对秸秆原料的要求也不同，如秸秆的湿度、粒度、密度等因素对秸秆气化的影响很大。为了满足不同技术的需要，对生物质秸秆应采用不同的预处理技术。生物质预处理技术是为了满足某种工艺的特殊需要而对生物质所做的技术处理，就是对天然生物质的一个优化处理。通过预处理，可以改变天然生物质的一些特性，如硬度、颗粒度、密度以及一些化学特性等。由于生物质的种类繁多，形态各异，在某些特性方面千差万别，不同的处理工艺对生物质原料也有不同的要求，因此生物质预处理技术也就比较复杂。根据不同的工艺过程，可将秸秆预处理步骤分为清洗处理、干燥处理、切割处理、粉碎处理、制粒处理、固化成
7、型处理。（一）秸秆清洗处理 秸秆清洗的目的主要是使腐蚀性物质减少，保护燃烧设备。 咱们家里用秸秆的时候呢，一般都会让秸秆放置于农田一段时间经雨淋变灰之后再用，这是为什么呢？这是因为，秸秆经雨淋浸泡后，其中的腐蚀性物质如氯化物和钾的含量会降低，黄色秸秆会变成“灰色”。由于腐蚀锅炉壁面和管道表面的部分物质被清除了，所以灰色的秸秆更适合作为锅炉燃料，而且热值还比黄色秸秆高。大家看一下表2-2。.常规认为呢，氯化物和钾在高温条件下才可去除，但有数据显示，氯化物和钾低温时也能被清洗掉。目前认为5060清洗秸秆是最经济的。但迄今为止，由于清洗秸秆仍是比较昂贵的，秸秆清洗也仅是小规模实行。（二）秸秆的干燥处
8、理1.原料的干燥机理利用热能使原料中的水分气化，并将产生的水蒸气从原料中排除的过程。其实质是将原料中的水分从固相转移到气相的过程。简单来说就是加热湿物料，从而使水分气化的过程。2.原料干燥的影响因素（1）热能：在原料的干燥过程中，必须提供充足的热能使原料中的水分蒸发。在自然界中呢，热能来源于太阳能。在干燥设备中，热能来源于电能、机械能。（2）介质：在干燥过程中，必须具有能把水分带走的因子，即介质。自然界中干燥且流动的空气即为干燥介质；在干燥设备内，干燥的热空气、蒸汽、热辐射等为干燥介质。为了将原料中蒸发出来的水分带走，必须配备抽风设备。（3）含水率：具体指在固体成型技术中，含水率很重要，含水率
9、过高，易产生爆炸，含水率过低，难以成型。秸秆固体成型原料需要经过干燥处理，严格控制原料的含水率达到10%18%。3.生物质原料的干燥特性（1）收获时间比较集中，不能久存，数量比较大。（2）生物质原料挥发分含量较高，易分解，自身温度不能超过150，且干品易燃。4.干燥方法与设备生物质水分变化范围较大，影响因素包括燃料的种类、当地气候状况、收获的时间和预处理方式等。根据是否使用热源，可将生物质干燥技术分为自然干燥和人工干燥两种方式。自然干燥一般没有什么特殊要求，但是人工干燥就需要很好地控制干燥温度。秸秆中含有大量的纤维素、半纤维素、木质素等物质。在较高温度下，木质素开始软化，并具有粘性，所以干燥中
10、必须考虑到木素的软化问题。秸秆的着火点很低，高温容易发生火灾危险，干燥温度控制在80左右比较适宜。（1）自然干燥：利用空气流通或太阳能对生物质进行干燥的方法。这是最古老、最简单、最实用的一种秸秆干燥方法。原料最终水分含量与当地的气候有直接关系，是由大气中水分含量决定的。例如农作物秸秆在打捆前，遗留在农田内在日光下晾晒一段时间可以降低含水率。自然干燥法不需要特殊的设备，成本低，但易受自然气候条件的制约，劳动强度大、效率低，含水量难以控制。根据我国的气候情况，秸秆自然干燥水分一般在8%左右。一般来说，如果没有特殊要求，对于生物质秸秆的干燥还是倾向于采用自然干燥技术。（2）人工干燥：利用一定的干燥设
11、备和热源，对生物质进行加热干燥的方法。这种干燥机是根据所需物料产量、水分含量而专门设计的，并能准确地控制水分。不同种类的秸秆，其干燥技术也不尽相同，现在主要有回转圆筒干燥技术、流化床干燥技术、筒仓型干燥技术。对一般秸秆而言，可以采用筒仓型干燥机进行干燥。下面介绍几种常用的干燥设备： 回转圆筒干燥机。回转圆筒干燥机是一种连续运行的直接接触干燥机。大家看一下书19页上的图。它由一个缓慢转动的圆柱形壳体组成，壳体倾斜，与水平面有较小的夹角，以利于物料的输送。湿物料由高端进入回转圆筒，干燥后的物料由低端排出。在回转圆筒内，干燥介质与生物质原料并流或者逆流，沿轴向流过筒体。当物料要求较高脱水率时，通常采
12、用逆流方式。并流方式通常用于热敏性物料或要求有较高脱水速率的干燥。生物质原料在滚筒内的流速主要是根据生物质原料的含水量以及颗粒度等来确定。这种装置适用于流动性好、颗粒度为0.055mm的物料，如稻壳、花生壳、造纸废弃物、粉料以及一些果壳等。流化床干燥装置。在流化床装置中，经过准确计算的热气流经流化床的均压布风板均匀分布后，穿过床内的物料，使物料颗粒悬浮于气流之中，形成流化状态。呈流化状态的物料颗粒在流化床内均匀地混合，并与气流充分接触，进行十分强烈地传热和传质。流化床干燥装置可以轻易地输送加工原料，干燥过程中可避免局部原料过热，因而对热敏性产品适应性强。尽管物料颗粒剧烈运动，但是产品处理仍比较
13、温和，无明显的磨损。装置出口的气体温度一般低于产品最高温度，因此具有极高的热效率。该系统比较适合于流动性好、颗粒度不大（0.510mm）、密度适中的物料，如稻壳、花生壳以及一些果壳等，但不适合于粘度高的物料。筒仓型干燥机（补充）。筒仓型干燥机结构比较简单，把原料堆积在筒仓内，利用热风炉的热风带走原料中的水分。原料在仓内相对静止，与其他方法相比较，其干燥效率比较低，对原料水分的控制比较困难。现在常用的筒仓式秸秆干燥机不能连续进出料，这就影响了生产效率。但装置对原料的适应性好，基本上适用于各种秸秆。（三）秸秆的切割处理 （补充）农作物秸秆的切割就是改变秸秆的几何尺寸，用来切割秸秆的设备被称为切割机
14、。软质秸秆切割机即通常所说的铡草机，也叫切碎机，玉米秸、麦秸、稻草、谷草、棉花秆、烟秆等秸秆都可以用铡草机处理。铡草机按机型大小可分为小型、中型和大型。小型铡草机适用于广大农户和小规模饲养户，用于铡碎干草、秸秆或青饲料。中型铡草机也可用于切碎干秸秆和青饲料，故又称秸秆青贮饲料切碎机。大型铡草机常用于规模较大工业化生产。切割处理技术主要是改变了秸秆的几何尺寸，使秸秆的堆积密度增大，流动性能增强，这些改变都有利于秸秆的利用。（四）秸秆粉碎处理粉碎是利用机械的方法，克服固体物料内部的凝聚力而将其分裂的一种工艺，即用机械力将物料由大块破碎成小块。粉碎常用的方法有击碎、磨碎、压碎与锯切等。选择粉碎方法时
15、，首先考虑被粉碎物料的物理力学性能。对于特别坚硬的物料，击碎和压碎方法最有效；对于韧性物料用研磨为好，对脆性物料以锯切、劈裂为宜。在原料工业中，谷物原料以击碎和锯切为佳，对含纤维多的物料以盘式磨为好。物料粉碎以后，表面积增大，混合更加均匀；颗粒度减小，便于储藏和运输。通常，大块物料破裂成小块（粒度为15mm）的过程称为破碎；小块物料碎裂成细粉（粒度小于1mm）的过程称为粉磨。完成破碎和粉磨操作的机械，分别称为破碎机械和粉磨机械，它们又统称为粉碎机。粉碎机种类很多，有些粉碎机对物料尺寸、水分含量有一定要求，适用于秸秆的粉碎机类型不是很多，常用的多是锤片式粉碎机。目前市场上粉碎机存在的主要问题是转
16、子平衡差、粉尘浓度高以及噪音大等问题。秸秆粉碎后，其几何尺寸变小，密度增大，流动性能增强，这些改变有利于生物质秸秆的利用。（五）秸秆制粒处理 （补充）制粒技术就是通过机械设备把细小、轻质物料压制成颗粒的技术。利用秸秆密度小、收缩比大等特点，向秸秆施加一定外力，在水分、纤维素等作用下，可将秸秆制成颗粒状。一般来说，制粒前后物料的化学性能没有太大变化，变化较大的是物料密度。秸秆制粒后的密度为1.01.5g/cm3，外型几何尺寸也相对规则，颗粒形状，大小基本一致，强度增加，点火性变弱等等。根据不同原料的特点，在制粒过程中可适当调整工艺过程。对于不易成粒的原料，可以在制粒时添加适量淀粉、废纸浆等粘接剂
17、，由于加入了粘接剂，使得原料小颗粒表面形成一种吸附作用，这样在外界较小的压力作用下就可以成粒。也可以采用加热的方法，当温度达到70时，原料中的木质素就会起到粘接作用，有利于物料颗粒的形成。影响秸秆制粒的因素主要有原料的种类、含水率、制粒机模具的形状尺寸以及是否加热等，因此在选择制粒设备时应根据具体情况而定。秸秆颗粒是一种燃烧性能良好的燃料，许多国家已经开始用秸秆颗粒作为锅炉燃料进行发电、供热。目前国内制粒设备的问题主要是运行寿命短，如传动部件、切刀以及筛网等部件易损坏，容易在成品中搀杂磨损的碎屑。（六）秸秆成型处理秸秆成型是把秸秆压制成一定形状，其密度有很大程度的提高。成型后秸秆的外形尺寸一般
18、较大。在成型过程中，秸秆与成型套筒之间巨大的摩擦力产生了大量的热，这样成型过程就往往伴有秸秆的炭化过程。根据成型设备的结构特点，可以把成型机分为螺旋式成型机和活塞式成型机。其原理都是在外力作用下把生物质压制成型。根据不同原料、不同需要，在压制成型时可以适当添加粘结剂或者加热，这都有利于原料的成型。我国生产的生物质成型机一般为螺旋挤压式。原料特性、颗粒度、流动性、含水率以及温度等因素都直接影响到生物质的成型质量。木质素含量高、颗粒度相对小、流动性较差的原料容易成型。三、秸秆预处理工艺的选择 关于如何选择秸秆预处理工艺的讨论，建立在下列假设基础之上：生产企业的秸秆利用形式已经确定，如气化发电等；生
19、产企业周围半径50 km内秸秆资源丰富； 亩产干秸秆l t(两季)。1. 以生产企业规模为依据生产企业规模越大，则需要秸秆量越多，收集辐射半径就越大，这与运输成本关系密切，所以企业的生产规模是进行秸秆预处理工艺选择的重要指标。假设以企业为中心的圆周范围内种植农作物，年耗秸秆l万t的生产企业，辐射半径约1.5 km，实际辐射半径在34 km内的秸秆产量即可满足需求；若生产企业规模相对较小，实际辐射半径5 km之内秸秆量可满足企业需求，可由生产企业直接收购，不设立收购转运点，秸秆以散装形式运输和收集，在电厂内完成其他工序；而对于秸秆需求量较大的企业，年耗秸秆超过l0万吨，或实际辐射半径超过20km
20、，则应建立秸秆收购点，具体工艺选择还需考虑其他因素。2. 以企业利用形式为依据秸秆预处理工艺选择的出发点是满足企业利用的需要，同时兼顾经济性。如果是秸秆直燃发电，可以根据炉型或燃烧方式选择秸秆预处理工艺，比如流化床燃烧优先选择成型压缩打包预处理工艺等；气化发电一般规模较小，优先选择成型或造粒；如果是煤和秸秆掺烧，则看锅炉是流化床还是煤粉炉等进行预处理的选择，煤粉炉优先选择成型压缩打包工艺，流化床视其规模大小可选择成型压缩打包或成形造粒处理。3. 其他在进行预处理工艺选择时，还要考虑许多其他因素，如企业是新建还是技术改造等。若是新建电厂，技术和设备是针对秸秆特点选用的，其规模和利用方式可与预处理协同考虑，有较大选择余地，但是新建电厂大都为130 th高温高压和75 th中温中压两种锅炉，秸秆需求量较大，从经济角度分析，收集半径宜控制在50 km范围内；而技术改造时，受原有技术和设备的限制较多，选择余地较小。从以上分析不难看出，秸秆预处理工艺的选择是个综合考虑分析的过程，需要考虑多种因素，设计多种方案并进行可行性分析比较后才能确定。6