生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的現(xiàn)狀與前景分析

李保謙，牛振華，張百良

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州，450002）

　　摘　要：隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，能源的消耗也隨之增加，能源短缺已經(jīng)嚴(yán)重影響了世界經(jīng)濟(jì)乃至人類的發(fā)展，發(fā)展新能源已經(jīng)迫在眉睫。生物質(zhì)成型燃料作為生物質(zhì)能源的一種，具有原料來(lái)源廣泛、可以再生、比煤炭清潔等優(yōu)點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)目前的利用率較低，但是最近幾年成型燃料技術(shù)得到了快速發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)和配套設(shè)備已基本解決，國(guó)家政策對(duì)可再生能源的循環(huán)利用提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。在未來(lái)幾年里，生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)和利用將會(huì)在國(guó)內(nèi)廣大農(nóng)村和城鎮(zhèn)迅速展開(kāi)，應(yīng)用前景十分廣闊。

　　1生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　1.1能源短缺與過(guò)分依賴礦物燃料帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染

　　隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，礦物能源的消耗量逐年增加，2001年我國(guó)CO2排放量達(dá)到30億t，占全球排放量的13%，居世界第二位。我國(guó)環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。

　　1.2生物質(zhì)資源豐富，目前利用率很低，浪費(fèi)嚴(yán)重

　　我國(guó)生物質(zhì)（秸稈、林木殘余物等）有機(jī)物資源總量達(dá)9億多噸[1]。生物質(zhì)能源具有清潔、可以再生、含S很低、CO2零排放、分布廣的特點(diǎn)。由于生物質(zhì)成型燃料設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性較低、加工成本偏高。目前對(duì)生物質(zhì)的利用率仍然很低，荒燒現(xiàn)象屢禁不止，浪費(fèi)嚴(yán)重。

　　1.3國(guó)外生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的研究現(xiàn)狀

　　美國(guó)秸稈利用主要是打捆技術(shù)，用途不是作燃料，而是飼料或其他工業(yè)的原料。歐洲國(guó)家主要把生物質(zhì)用作燃料和發(fā)電，替代油和煤，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、規(guī)?；?。日本、美國(guó)及歐洲一些國(guó)家生物質(zhì)成型燃料的燃燒設(shè)備已經(jīng)定型，且已產(chǎn)業(yè)化，在加熱、供暖、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域已普遍推廣應(yīng)用[2]。

　　目前國(guó)外生物質(zhì)成型方式有4種，即環(huán)模和平模式、螺旋擠壓、機(jī)械活塞及液壓活塞式。螺旋擠壓成型研制最早，在印度、泰國(guó)、馬來(lái)西亞等東南亞國(guó)家和我國(guó)一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。

　　1.4國(guó)內(nèi)生物質(zhì)成型燃料技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　中國(guó)從20世紀(jì)80年代引進(jìn)螺旋式生物質(zhì)成型機(jī)。1990年以后，陜西武功、河南鞏義、湖南農(nóng)村能源辦等單位先后研制和生產(chǎn)了幾種不同規(guī)格的生物質(zhì)成型機(jī)和碳化機(jī)組。20世紀(jì)90年代，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)機(jī)能源動(dòng)力所分別研究出PB－I型機(jī)械沖壓式、HPB系列液壓驅(qū)動(dòng)式和CYJ機(jī)械沖壓式成型機(jī)。21世紀(jì)以來(lái)，生物質(zhì)顆粒成型技術(shù)發(fā)展日趨成熟。江蘇正昌公司、吉林省華光所、河南省科學(xué)院能源所、河南德潤(rùn)等國(guó)內(nèi)幾十家企業(yè)在顆粒飼料機(jī)的基礎(chǔ)上先后研究出了多種類型的環(huán)模、平模顆粒成型機(jī)。同時(shí)開(kāi)發(fā)了配套的生物質(zhì)專用鍋爐和生活用爐。

　　2生物質(zhì)成型燃料的關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1原料收集是制約成型燃料技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸（收、運(yùn)、儲(chǔ)）

　　中國(guó)生物質(zhì)原料在收集方面與國(guó)外不同。管理制度不同、地塊小而分散，收集機(jī)械化水平低，打捆和定向收集沒(méi)有提到日程，收集是難點(diǎn)。沒(méi)有充足的原料，生物質(zhì)成型燃料技術(shù)就不可能迅速發(fā)展。原料的收集是制約成型燃料技術(shù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

　　2.2生物質(zhì)原料自身的多樣性及復(fù)雜性

　　生物質(zhì)原料的種類繁多，其木質(zhì)素、纖維素、果膠質(zhì)等成分含量有較大差別。生物質(zhì)原料的力傳導(dǎo)性很差，反彈性很強(qiáng)，被壓縮成型的條件也有很大差異。生物質(zhì)原料由低密度壓縮成高密度的原料喂料問(wèn)題，原料的含水量隨原料種類、地域、季節(jié)及氣候不同變化問(wèn)題，所以原料水分問(wèn)題成為制約熱壓成型的一大難題。

　　2.3成型燃料設(shè)備工作環(huán)境的惡劣性

　　生物質(zhì)原料在收集過(guò)程中攜帶的許多粉塵、泥土砂粒，不僅會(huì)加劇成型部件的磨損，還會(huì)造成成型設(shè)備潤(rùn)滑系統(tǒng)的污染，影響設(shè)備的使用壽命和穩(wěn)定運(yùn)行。所以提高成型部件的使用壽命是成型技術(shù)的又一難題。

　　2.4成型燃料燃燒過(guò)程中的結(jié)渣與玷污傾向

　　生物質(zhì)原料中含有較多的鉀、鈣、鐵、硅、鋁等成分，在高溫下極易燃燒沉灰，易于在傳熱壁面形成結(jié)渣和沉積，直接影響熱量的傳導(dǎo)和爐具的熱利用率。

　　2.5成型燃料燃燒過(guò)程中低溫條件下的焦油析出問(wèn)題

　　間斷燃燒是農(nóng)村生活用能的主要特點(diǎn)，生物質(zhì)爐具的封火性能要好，并且由于封火后爐內(nèi)溫度降低，高揮發(fā)分含量的秸稈會(huì)有大量焦油析出，在短期內(nèi)使煙囪、爐口等部位堵塞。

　　3生物質(zhì)成型燃料成型工藝與設(shè)備

　　3.1生物質(zhì)秸稈成型燃料循環(huán)利用技術(shù)

　?。?）工藝流程

　　生物質(zhì)原料的收集→干燥→粉碎→成型→燃燒（如圖1所示）。

　?。?）流程設(shè)備

　　流程所用設(shè)備包括收集設(shè)備、烘干設(shè)備、粉碎設(shè)備、成型設(shè)備、生物質(zhì)專用燃燒爐、各種生活用爐及燃燒器。其中成型機(jī)是關(guān)鍵設(shè)備，根據(jù)成型方式的不同，生物質(zhì)成型機(jī)可分為螺旋擠壓成型、模壓（平模及環(huán)模）成型、活塞沖壓（機(jī)械及液壓）成型和壓塊成型等。

　　3.2HPB系列生物質(zhì)秸稈液壓成型機(jī)

　　河南農(nóng)業(yè)大學(xué)1998年開(kāi)始研制液壓活塞式HPB系列成型機(jī)及專用燃燒爐；2000年得到國(guó)家科技部的資金轉(zhuǎn)化支持；2001年向企業(yè)轉(zhuǎn)讓了技術(shù)；2003年河南省財(cái)政廳進(jìn)行了試點(diǎn)示范；2004年后在國(guó)內(nèi)北京、新疆、吉林、遼寧、江蘇、山東、鄭州農(nóng)業(yè)高技術(shù)園區(qū)等地進(jìn)行了推廣應(yīng)用，對(duì)成型燃料在小型鍋爐、溫室塑料大棚供熱、農(nóng)戶生活用爐等方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究[3-4]。試驗(yàn)結(jié)果證明，秸稈成型燃料是一種燃燒特性優(yōu)于普通燃煤、價(jià)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。中央7套“科技苑”和“每日農(nóng)經(jīng)”欄目及國(guó)內(nèi)部分報(bào)刊先后進(jìn)行了專題報(bào)導(dǎo)。目前技術(shù)已轉(zhuǎn)讓給4家企業(yè)，共開(kāi)發(fā)了5代HPB系列生物質(zhì)秸稈液壓成型機(jī)，第5代產(chǎn)品市場(chǎng)運(yùn)行良好。

　　3.3生物質(zhì)成型燃料特征及用途

　　原料豐富，農(nóng)林廢棄物、各類作物秸稈等；纖維素含量高，70%左右；S含量大大低于煤；燃料密度大，0.8～1.3，便于貯存和運(yùn)輸；產(chǎn)品形狀規(guī)格多，顆粒、棒、塊狀等，利用范圍廣；熱值與中質(zhì)煤相當(dāng)，燃燒速度比煤快11%以上，燃燒充分、黑煙少、灰分低、環(huán)保衛(wèi)生，可高品位利用；可形成產(chǎn)業(yè)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)環(huán)保效益明顯。

　　可取代煤作為生物質(zhì)專用燃爐、鍋爐、壁爐、茶水爐、發(fā)電爐及農(nóng)村生活用爐的燃料，能有效地解決農(nóng)村荒燒秸稈、緩解部分地區(qū)能源短缺問(wèn)題，保護(hù)大氣環(huán)境，具有良好的產(chǎn)業(yè)前景。

　　4生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展前景

　　（1）生物質(zhì)秸稈從田間收集→干燥→粉碎→成型→燃燒所需設(shè)備必須配套，才能在農(nóng)村、城鎮(zhèn)推廣應(yīng)用[5]。收集環(huán)節(jié)是瓶頸，必須配套發(fā)展生物質(zhì)秸稈收集設(shè)備。

　?。?）生物質(zhì)秸稈資源量大充足，覆蓋面廣，價(jià)格低，可以再生。農(nóng)藝專家已提出秸稈應(yīng)適量還田，不能連年全部還田，飼料化處理量有限，多數(shù)地區(qū)都采取了禁燒秸稈措施，為成型燃料技術(shù)的發(fā)展提供了原料保證。

　?。?）我國(guó)城市燃煤污染嚴(yán)重，大中城市已取締2t以下燃煤鍋爐，急于尋求清潔的替代能源，改燃天然氣或電，成本較高，而天然氣、石油短缺，大量依賴進(jìn)口，已影響國(guó)家能源安全[6-7]。這給生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了“機(jī)遇”。

　?。?）據(jù)預(yù)測(cè)，地下石油、天然氣及煤的貯量，按目前的利用速度只夠用60年左右。按FAO2000年的最新報(bào)道，到2050年前后，生物質(zhì)發(fā)電及高品位能源利用要占40%?？梢?jiàn)，生物質(zhì)成型后作燃料，是未來(lái)國(guó)際可再生能源的發(fā)展方向。

　?。?）國(guó)家已制定了生物質(zhì)能源中長(zhǎng)期發(fā)展目標(biāo)：在生物質(zhì)成型燃料的利用方面由目前的不足50萬(wàn)噸/年，提高到2020年的2000萬(wàn)噸/年。這給生物質(zhì)成型燃料技術(shù)的應(yīng)用找到了“市場(chǎng)”。

　?。?）國(guó)家先后出臺(tái)了很多生物質(zhì)能源利用的相關(guān)法律法規(guī)，一些地區(qū)已把生物質(zhì)成型燃料設(shè)備列入了農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼目錄。《可再生能源法》2006年1月1日已正式實(shí)施。2009年農(nóng)業(yè)部將頒布實(shí)施生物質(zhì)成型燃料與成型設(shè)備技術(shù)條件、試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)。生物質(zhì)成型設(shè)備和成型燃料的加工和生產(chǎn)將更加規(guī)范。

　?。?）生物質(zhì)成型燃料燃燒后的灰塵及排放指標(biāo)比煤低，可實(shí)現(xiàn)CO2、SO2降排，減少溫室效應(yīng)，有效地保護(hù)生態(tài)環(huán)境。生物質(zhì)成型燃料進(jìn)入規(guī)模化生產(chǎn)后，不僅環(huán)保效益明顯，而且還可安排農(nóng)民就業(yè)，增加收入，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

　?。?）從成型設(shè)備分析，成型燃料設(shè)備操作簡(jiǎn)單，使用方便，適合農(nóng)村使用。粉碎機(jī)、成型機(jī)的加工工藝并不復(fù)雜，液壓式成型機(jī)易損件的使用壽命已達(dá)1000h以上，粉碎與成型單位產(chǎn)品能耗可降至60kWh/t。生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)放在農(nóng)村，成型燃料爐的使用可設(shè)在中、小城鎮(zhèn)或農(nóng)村，這樣秸稈從粉碎、成型到燃燒即可形成產(chǎn)業(yè)化。

　?。?）生物質(zhì)專用燃燒爐及鍋爐已基本成熟。設(shè)計(jì)的小型生物質(zhì)燃燒爐（生活和取暖）已在農(nóng)村應(yīng)用，燃燒效果好，封火時(shí)間達(dá)12～24h。

　?。?0）通過(guò)前幾年的試點(diǎn)示范，已取得了生物質(zhì)成型燃料規(guī)?；a(chǎn)的一些經(jīng)驗(yàn)，探索了多種規(guī)模化生產(chǎn)示范模式和管理模式。生物質(zhì)成型燃料設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性及主要性能指標(biāo)都有較大提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]宋中界，牛振華，連萌等.液壓式生物質(zhì)成型機(jī)的試驗(yàn)研究[J].糧油加工，2008,10:133-135.

[2]李保謙.秸稈成型燃料技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)推廣與安全，2006，9:10-12

[3]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(bào)，2005，39(1)：111-115.

[4]李保謙，張百良，夏祖璋.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(bào)，1997，31(2):112-117.

[5]李保謙.秸稈致密化成型燃料設(shè)備產(chǎn)業(yè)化技術(shù)分析[J].中國(guó)科技成果，2006，21:21-23.

[6]吳岐山，趙一錦.技術(shù)經(jīng)濟(jì)學(xué)[M].成都：四川大學(xué)出版社.1986.

[7]張百良.農(nóng)村能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)與管理[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社.1995.

作者：李保謙教授，博士生導(dǎo)師，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州市文化路95號(hào)，E-mail：nj280@163.com