生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的現(xiàn)在與未來

李保謙　徐光輝 （河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州，450002） 　　摘要：秸稈類生物質(zhì)能源屬可再生能源，熱壓成型后作燃料，使其得到高品位的利用，是替代化石能源的理想能源之一，具有廣闊的發(fā)展前景。全文在論述了國內(nèi)外生物質(zhì)成型燃料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，分析了中國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題。提出了中國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展必須進(jìn)行工程化研究，發(fā)展市場應(yīng)立足于農(nóng)村，同時需要國家的產(chǎn)業(yè)政策支持，對生物質(zhì)成型機(jī)磨損部位材料的快速磨損、熱處理工藝、運行參數(shù)試驗優(yōu)化、生產(chǎn)系統(tǒng)中的可靠性等關(guān)鍵技術(shù)問題需有待于進(jìn)一步突破，最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。 　　1前言 　　目前，全球能源消耗平均每年以3%的速度遞增[1]，隨著化石能源資源的逐年減少，凸顯出了生物質(zhì)能源資源巨大的市場潛力，在經(jīng)歷了多次世界性石油危機(jī)之后，國際上對生物質(zhì)能的廣泛利用重新得到了認(rèn)識和發(fā)展。中國是一個農(nóng)業(yè)大國，8億多人口生活在農(nóng)村，一方面是生物質(zhì)資源的及其豐富，資源總量達(dá)6.5億t標(biāo)準(zhǔn)煤以上[2]，農(nóng)村生活用能還處在依賴低品位利用的生物質(zhì)能源。另一方面是農(nóng)村能源的普遍短缺，尤其是優(yōu)質(zhì)能源，能源供求矛盾十分突出，每年約有2億多t的生物質(zhì)秸稈被廢棄或荒燒，造成了嚴(yán)重的空氣污染和霧霾，極大地影響了社會、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)和人們的生活，成為各級政府關(guān)切的一個嚴(yán)重社會問題[3]。 　　生物質(zhì)成型燃料技術(shù)可將結(jié)構(gòu)疏松的生物質(zhì)秸稈成型后作為高品位的能源加以有效利用，是解決能源短缺問題的支柱能源之一，它可以再生，排放物中含S很低，CO2零排放，遍布農(nóng)村，便于規(guī)?；占唾A存，實現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用既能緩解農(nóng)村優(yōu)質(zhì)能源短缺問題，又是減少生物質(zhì)秸稈荒燒、改善空氣環(huán)境質(zhì)量的有效途徑。 　　2生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 　　2.1國外生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 　　歐洲一些國家把秸稈加工技術(shù)主要用在了燃料和發(fā)電上，目的是作為油和煤的替代燃料。秸稈加工設(shè)備、鍋爐、熱風(fēng)爐、發(fā)電設(shè)備等都已產(chǎn)業(yè)化，同時還把秸稈出口到中東一些國家。而美國是將秸稈作為重要的工業(yè)原料或飼料加工和出口，加工出的產(chǎn)品大多不是燃料，加工過程實現(xiàn)了全程機(jī)械化或工廠化，秸稈在田間的收集方式主要是“秸稈打捆”技術(shù)。 　　國際上生物質(zhì)成型的主要方式有4種，即環(huán)模和平模式顆粒成型、螺旋擠壓式成型和活塞沖壓式成型。螺旋擠壓式成型機(jī)是最早研制生產(chǎn)的生物質(zhì)熱壓成型機(jī)，有比利時BMD、美國Spodance、奧地利pini&kay、日本等生產(chǎn)螺旋擠壓式成型機(jī)，但螺旋桿的磨損修復(fù)周期僅60h左右。這類成型機(jī)以其運行平穩(wěn)、生產(chǎn)連續(xù)、所產(chǎn)成型棒易燃（由于其空心結(jié)構(gòu)以及表面的炭化層）等特性，在成型機(jī)市場中尤其是在印度、泰國、馬來西亞等東南亞國家和中國一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。 　　日本從20世紀(jì)30年代就開始研究機(jī)械活塞沖壓式成型技術(shù)處理木材廢棄物，1983年又從美國引進(jìn)了顆粒成型燃料生產(chǎn)技術(shù)。西歐一些國家在20世紀(jì)70年代已有了活塞沖壓式成型機(jī)和顆粒成型機(jī)。活塞沖壓式成型機(jī)改變了成型部件與原料的作用方式，大幅度提高了成型部件的使用壽命，顯著降低了單位產(chǎn)品能耗。根據(jù)驅(qū)動力來源不同，該類成型機(jī)可分為機(jī)械活塞沖壓式和液壓活塞沖壓式成型機(jī)[4]。生產(chǎn)機(jī)械活塞沖壓式成型機(jī)的有瑞典Bogma、丹麥Dester、德國Drupp、瑞士Pawert等，這類產(chǎn)品最大問題是一次性投入大，每臺最少需10萬歐元以上，且曲軸偏磨問題很難解決。生產(chǎn)液壓沖壓式成型機(jī)的有英國Comafer、美國FBN、荷蘭RSN等，設(shè)備生產(chǎn)率較低，一般為為65～100kg/h。 　　2.2中國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 　　生物質(zhì)成型燃料技術(shù)在中國之所以得到應(yīng)用和發(fā)展，是因為成型后的燃料產(chǎn)品具有一定的形狀和密度，密度可達(dá)0.8～1.3t/m3，能量密度與中質(zhì)煤相當(dāng)，燃燒特性明顯改善，火力持久、黑煙少、爐膛溫度高，且貯存、運輸、使用方便，干凈衛(wèi)生，可代替礦物能源用于工業(yè)生產(chǎn)和生活領(lǐng)域[4]。因此，作為生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的重要手段和方法，在中國越來越受到政府的重視。 　　縱觀中國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展過程，主要有下列特征： 　?。?）雖然經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程，由于多種因素的影響至今仍然落后。中國從20世紀(jì)80年代才開始引進(jìn)螺旋式生物質(zhì)成型機(jī)，至今已有30多年的歷史。近些年來，中國加大了在生物質(zhì)能源領(lǐng)域的投資力度，取得了顯著成效，但多數(shù)生物質(zhì)成型燃料技術(shù)企業(yè)仍處于工程化研究的初級階段，距離技術(shù)推廣的產(chǎn)業(yè)化目標(biāo)仍然相差甚遠(yuǎn)。 　?。?）生物質(zhì)成型燃料技術(shù)初期發(fā)展速度慢，后期發(fā)展速度快。在20世紀(jì)末的20年，生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展雖然沒有大的突破，但在多家高等院校、研究院所、企業(yè)的示范作用下，吸引了上百家企業(yè)加入了這個行業(yè)，為生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。近幾年，生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的應(yīng)用和燃料的生產(chǎn)已初步形成了一定的規(guī)模。從2009年生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)能力不足50萬噸/年，每年以翻番的速度遞增，到2013年，生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)能力已超過400萬噸/年，生物質(zhì)成型燃料設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)近700家，生物質(zhì)成型燃料主要用作農(nóng)村居民炊事取暖、工業(yè)鍋爐等。 　?。?）生物質(zhì)成型燃料設(shè)備的生產(chǎn)企業(yè)多，種類、型號繁雜，發(fā)展初期模仿的多，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的少。生物質(zhì)成型燃料設(shè)備主要有螺旋式、環(huán)模式、平模式、機(jī)械（液壓）沖壓式和對輥式；生產(chǎn)的燃料產(chǎn)品有塊狀、棒狀、顆粒狀等；有的研究單位和企業(yè)根本沒有掌握關(guān)鍵技術(shù)，就盲目進(jìn)行低水平擴(kuò)張或低端競爭，不利于行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展；有的企業(yè)直接利用顆粒飼料機(jī)改造出了多種類型的環(huán)模式、平模式生物質(zhì)顆粒成型機(jī)，其生產(chǎn)率低、單位產(chǎn)品能耗高、易損件的使用壽命短，技術(shù)性能參差不齊，基本無法推廣。 　?。?）生物質(zhì)成型燃料行業(yè)的興起促進(jìn)了生物質(zhì)爐具的快速發(fā)展，且生物質(zhì)成型燃料燃燒技術(shù)比成型技術(shù)成熟。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)從秸稈燃燒特性試驗入手，研究出了“雙室燃燒、分級供氣”理論，用創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計方法主動消除“結(jié)渣和沉積”現(xiàn)象，只需在8000h后檢查表面清理即可。經(jīng)鍋爐燃燒應(yīng)用表明，生物質(zhì)成型燃料是一種燃燒特性優(yōu)于普通燃煤、價格低于煤、燃燒尾氣污染成分少于煤的可再生優(yōu)質(zhì)燃料[5-6]。 　?。?）國家農(nóng)業(yè)部、國家能源局等部委先后立項制定生物質(zhì)成型燃料技術(shù)與設(shè)備方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范了生物質(zhì)成型燃料技術(shù)行業(yè)市場。2010年9月農(nóng)業(yè)部頒布實施了生物質(zhì)固體成型燃料術(shù)語、生物質(zhì)固體成型燃料和成型設(shè)備技術(shù)條件、生物質(zhì)固體成型燃料和成型設(shè)備試驗方法等多項生物質(zhì)成型燃料技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)。2012年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)從國家能源局獲批立項了環(huán)模式塊狀、平模式塊狀和活塞沖壓式棒狀生物質(zhì)燃料成型設(shè)備技術(shù)條件3個標(biāo)準(zhǔn)的制定，預(yù)計2014年5月頒布實施。 　　（6）分體模塊式環(huán)模生物質(zhì)燃料成型技術(shù)是國內(nèi)的最新研究成果，形成了中國特色。常用的環(huán)模結(jié)構(gòu)形式有整體式、套筒式和分體模塊式3種，環(huán)模以套筒和分體模塊方式組合后，套筒和模塊的結(jié)構(gòu)尺寸可以單體設(shè)計，分別加工，產(chǎn)品易于實現(xiàn)“三化”（標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化）。分體模塊式環(huán)模是由若干個模塊組合而成，分體模塊的結(jié)構(gòu)尺寸、加工質(zhì)量和精度直接影響環(huán)模的使用壽命和成型設(shè)備的產(chǎn)量以及燃料產(chǎn)品的質(zhì)量，對用戶的使用成本也有很大影響[7]。 　　3生物質(zhì)成型燃料技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù) 　?。?）單位產(chǎn)品能耗高的問題。能耗隨著成型燃料尺寸的減小而增加，顆粒成型耗能高，棒狀或塊狀成型耗能較低。套筒式平模和環(huán)模、分體模塊式環(huán)模結(jié)構(gòu)的成型設(shè)備，單位產(chǎn)品能耗在28～35kWh/t；活塞沖壓式成型設(shè)備單位產(chǎn)品能耗在40～50kWh/t。目前棒狀或塊狀成型加工過程中的能耗問題已基本解決。 　?。?）成型可靠性低的問題。成型設(shè)備能否連續(xù)運轉(zhuǎn)主要取決于成型機(jī)組的可靠性。有些企業(yè)由于沒有自己的知識產(chǎn)權(quán)，僅憑幾張照片或一段錄像起家就開始步入生物質(zhì)成型燃料技術(shù)行業(yè)，這樣開發(fā)出的成型設(shè)備往往是經(jīng)過無數(shù)次反復(fù)試驗才形成樣機(jī)，在企業(yè)（公司）內(nèi)部技術(shù)人員的精心操作下還勉強(qiáng)運行，到了用戶手中幾乎無法正常運行，用戶極不滿意。這樣的企業(yè)往往是多年不見經(jīng)濟(jì)效益，最終轉(zhuǎn)行。 　?。?）易損件耐磨性問題。生物質(zhì)成型燃料設(shè)備的快速磨損問題是制約產(chǎn)業(yè)化發(fā)展遇到的重要瓶頸問題，不同類型的成型設(shè)備，磨損部位也不相同，選用的材料不同，設(shè)備推廣狀況也不盡相同。螺旋擠壓式成型設(shè)備，其磨損的主要部位為螺旋桿頭部和成型套筒內(nèi)壁。由于螺旋桿與物料始終處于高速摩擦狀態(tài)，螺旋桿螺紋的磨損非常劇烈，尤其以螺旋桿頭部最后一圈螺旋葉片，磨損最為嚴(yán)重；環(huán)模及平模式成型設(shè)備是依靠壓輥與生物質(zhì)之間的高速相對運動從而把生物質(zhì)壓入成型模孔內(nèi)，壓輥外緣與成型?？卓焖倌p情況同樣嚴(yán)重；活塞沖壓式成型設(shè)備的成型套筒是主要磨損部件，通常設(shè)計成錐形筒，錐角的選擇最為關(guān)鍵，由于采用了往復(fù)沖壓成型，在往復(fù)運動速度較低的條件下成型錐筒的磨損速度較慢；對輥式成型設(shè)備中的一對成型輥最耐磨。目前最大的問題仍是成型模具的材料問題，國內(nèi)市場上生物質(zhì)成型設(shè)備使用維修周期一般在300h左右，耐磨性較低，使用壽命短。 　?。?）原料的收集和預(yù)處理問題。由于國內(nèi)地塊面積小且分散，秸稈收集機(jī)械化水平較低，打捆和定向收集沒提到日程，秸稈粉碎還田常作為政府的行政指令。因此目前秸稈收集是難點，有技術(shù)問題，也有社會認(rèn)識的問題，要想把原料收集起來必須從管理和技術(shù)體系上創(chuàng)新，并配以得力的政策和法規(guī)。沒有收集后充足的原料生物質(zhì)成型燃料技術(shù)就不可能迅速發(fā)展，生物質(zhì)原料的收集和預(yù)處理一直是制約成型燃料技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸[4]。 　?。?）生物質(zhì)原料自身的多樣性及復(fù)雜性。一是生物質(zhì)原料的種類繁多，其木質(zhì)素、纖維素、半纖維素、果膠質(zhì)等成分含量有較大差別，受力變形情況也不一樣。二是生物質(zhì)原料力傳導(dǎo)性很差，反彈性很強(qiáng)，被壓縮成型的條件也有很大差異；三是生物質(zhì)原料堆積密度只有0.1～0.15g/cm3，要將其壓縮成密度為1.0～1.3g/cm3，如何提高原料喂入量是一個大難題；最后是生物質(zhì)原料的含水率隨季節(jié)、氣候、地域及秸稈種類不同相差很大，而成型工藝對原料含水率的要求又較嚴(yán)格，所以原料含水率問題成為制約熱壓成型的又一難題[4]。 　　（6）生物質(zhì)成型設(shè)備工作環(huán)境的不穩(wěn)定及多變性。生物質(zhì)原料在收集和存放過程中不可避免的會帶有一些泥土、粉塵和砂粒，這些物質(zhì)的存在一方面加劇了成型部件的快速磨損；另一方面還污染了成型設(shè)備的潤滑系統(tǒng)，影響設(shè)備的使用壽命和穩(wěn)定運行。因此，在生物質(zhì)原料在收集和存放過程中減少泥土、粉塵和砂粒的含量，可以提高成型設(shè)備易損件的使用壽命。 　　（7）與國際上同類研究、同類技術(shù)的差異。與國際上同類研究和技術(shù)綜合比較后，有下列不同點： 　?、僖?guī)?；潭炔煌?。國內(nèi)生物質(zhì)成型燃料設(shè)備的生產(chǎn)主要以單機(jī)為主，生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)多以農(nóng)戶為經(jīng)營單元；國外生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)是以生產(chǎn)線的方式進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)。 　?、诋a(chǎn)業(yè)方向不同。國內(nèi)以秸稈成型燃料為主，用于多種代煤燃爐；國外以木質(zhì)原料為主，用于發(fā)電和家用高檔取暖設(shè)備，成型加工秸稈比木質(zhì)原料技術(shù)難度大。 　　③成型燃料形狀不同。國內(nèi)環(huán)模和平模式機(jī)型多以成型棒狀（直徑30mm左右）或塊狀為主；國外以成型木質(zhì)顆粒（直徑10mm左右）環(huán)模成型機(jī)為主。 　?、苣p后維修方法不同。國內(nèi)環(huán)模和平模式機(jī)型磨損后實行模塊維修或單孔換件維修；國外實行整體更換模盤維修，磨具多為高質(zhì)合金，維修成本高。 　?、莩尚驮O(shè)備價格不同。國外成型燃料設(shè)備整體比國內(nèi)的成型設(shè)備價格高出8～10倍。 　　4生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展方向 　?。?）中國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展必須首先進(jìn)行工程化研究。生物質(zhì)燃料成型技術(shù)的發(fā)展是一項系統(tǒng)工程，“工程化”研究不是整臺樣機(jī)的研究，是在集成多項技術(shù)基礎(chǔ)上的“再創(chuàng)新”，在集成多項技術(shù)構(gòu)成新的設(shè)備系統(tǒng)后必須進(jìn)行工程化試驗，提煉成熟的指標(biāo)，解決新的技術(shù)問題。生物質(zhì)的收集、干燥、粉碎、成型、燃燒所需技術(shù)與設(shè)備必須配套、協(xié)同發(fā)展。 　?。?）中國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展應(yīng)立足于農(nóng)村（場）或城鄉(xiāng)結(jié)合部。中國鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農(nóng)村的秸稈、農(nóng)林廢棄物量大充足，屬可再生資源，價格低廉，是生物質(zhì)成型燃料技術(shù)發(fā)展良好的基礎(chǔ)條件。工程化成型技術(shù)立足于農(nóng)村可減少生物質(zhì)原料和成型燃料產(chǎn)品的收集、貯存、運輸及供應(yīng)問題。 　?。?）中國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展需要國家產(chǎn)業(yè)政策的支持。從國家政策分析，該項技術(shù)符合中國能源、環(huán)保及建設(shè)節(jié)約型社會的要求。生物質(zhì)成型燃料燃燒后的灰塵及其它指標(biāo)的排放均比煤低，可實現(xiàn)CO2、SO2降排，減少溫室效應(yīng)，是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、減少霧霾現(xiàn)象的有效途徑，環(huán)保效益突出。中國政府應(yīng)調(diào)整扶持政策，支持有創(chuàng)新能力的大型企業(yè)投入這項產(chǎn)業(yè)，鼓勵農(nóng)機(jī)行業(yè)的生產(chǎn)和技術(shù)單位參加收集、貯存、加工成型、燃燒利用等環(huán)節(jié)的生產(chǎn)和創(chuàng)新活動。從規(guī)范市場的角度分析，要求國內(nèi)農(nóng)業(yè)、能源和環(huán)保部門盡快出臺包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)在內(nèi)的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范生物質(zhì)成型燃料技術(shù)、設(shè)備和產(chǎn)銷市場，提高投資者的經(jīng)濟(jì)效益。 　?。?）生物質(zhì)成型燃料的關(guān)鍵技術(shù)還有待于突破。生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)設(shè)備（秸稈收集、粉碎、成型等設(shè)備）的加工工藝并不復(fù)雜，成本較低，操作簡單，使用方便。雖然一些企業(yè)生產(chǎn)的生物質(zhì)成型機(jī)易損件的使用壽命已達(dá)300～500h，粉碎與成型單位產(chǎn)品能耗已降至50kWh/t以下，但與產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；囊笕韵嗖钌踹h(yuǎn)。還需要進(jìn)一步研究解決生物質(zhì)原料的收集、貯存問題；成型機(jī)磨損部位材料的快速磨損、熱處理工藝、運行參數(shù)試驗優(yōu)化等問題，如在環(huán)模、平模式成型機(jī)上改變成型模孔與輥輪之間切線的角度、增加正壓力，模輥間隙可調(diào)，降低輥輪的轉(zhuǎn)速，提高輥輪軸承的密封性，選擇耐磨性好的模輥材料，合適的原料粉碎粒度與含水率等，以提高成型燃料生產(chǎn)系統(tǒng)中的可靠性。 　?。?）中國生物質(zhì)成型燃料技術(shù)行業(yè)的發(fā)展最終是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。據(jù)國際可再生能源組織的預(yù)測，地下石油、天然氣及煤的貯量，按目前的利用速率只夠用60年左右。而秸稈類生物質(zhì)能源屬可再生能源，熱壓成型后作燃料，使其得到高品位的利用，是替代化石能源的理想能源之一。根據(jù)中國能源發(fā)展規(guī)劃，在生物質(zhì)成型燃料的利用方面由目前的不足500萬t/年，到2020年要提高到2000萬t/年。因此，加大生物質(zhì)成型燃料的利用力度，提高生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)能力和技術(shù)水平，實現(xiàn)生物質(zhì)成型燃料的利用目標(biāo)，改善和提高我國農(nóng)業(yè)資源利用效率具有重要意義。因此，生物質(zhì)成型燃料技術(shù)行業(yè)的發(fā)展實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化是中國生物質(zhì)能源利用的根本出路。 　　參考文獻(xiàn) 　　[1]李京京,莊幸.我國新能源和可再生能源及未來發(fā)展趨勢分析[J].中國能源,2001（4）：5-9.[2]張百良主編.農(nóng)村能源工程學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1999. 　　[3]卞有生.生態(tài)農(nóng)業(yè)中廢棄物的處理與再生利用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.[4]李保謙.秸稈成型燃料技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機(jī)推廣與安全,2006（9）：10-12. 　　[5]張百良,樊峰鳴,李保謙,等.生物質(zhì)成型燃料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化前景分析[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2005,39(1)：111-115. 　　[6]李保謙,張百良,夏祖璋,等.PB-Ⅰ型活塞式生物質(zhì)成型機(jī)的研制[J].河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1997,31(2):112-117. 　　[7]張百良著.生物質(zhì)成型燃料技術(shù)與工程化[M].北京：科學(xué)出版社,2012．