生物質(zhì)固化成型設(shè)備的最新研究進(jìn)展

郝永俊1，2，張曙光2，王剛2，劉彥博2，張秀璋2

（1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津300072；2.天津泰達(dá)環(huán)保有限公司，天津300350）

　　摘要：闡述了生物質(zhì)固化成型工藝的研究現(xiàn)狀及影響因素，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)成型設(shè)備的技術(shù)性能進(jìn)行了分析和比較，對(duì)應(yīng)用狀況進(jìn)行了總結(jié)和評(píng)述，對(duì)制約其利用的方面提出了初步的解決方案；并討論了我國(guó)生物質(zhì)成型技術(shù)的發(fā)展前景。

　　2009年的哥本哈根國(guó)際氣候會(huì)議上提出了“減少碳足跡”的倡議，我國(guó)承諾2020年單位生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年下降40%~45%、非化石能源占一次能源消費(fèi)比例達(dá)到15%左右，而2009年這一比例僅為7.44%。2009年我國(guó)能源消費(fèi)總量約為31億t標(biāo)準(zhǔn)煤，其中水電、核電、風(fēng)電等非化石能源消費(fèi)量約為2.3億t標(biāo)準(zhǔn)煤，約占能源消費(fèi)總量的7％，而作為僅次于煤炭、石油和天然氣的世界第4大能源的生物質(zhì)能的利用卻不足1%。

　　隨著《可再生能源法》和相關(guān)可再生能源電價(jià)補(bǔ)貼政策的出臺(tái)和實(shí)施，我國(guó)生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)全面加速的發(fā)展態(tài)勢(shì)。截至2009年底，國(guó)內(nèi)有生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)廠260余家，生產(chǎn)能力約76.6萬(wàn)t/a，秸稈直燃發(fā)電總裝機(jī)容量為265萬(wàn)kW。但是生物質(zhì)直接燃燒效率不高，熱效率僅為10％~30％，而生物質(zhì)壓制成型燃料的燃燒效率可達(dá)90%。但我國(guó)生物質(zhì)固體成型的研究起步較晚，投入較少，成型設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性較低，制約了我國(guó)生物質(zhì)能源的發(fā)展。

　　1生物質(zhì)固化成型技術(shù)

　　1.1生物質(zhì)固化成型國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　國(guó)外生物質(zhì)成型燃料開(kāi)發(fā)工作始于20世紀(jì)30年代，目前，日本、美國(guó)及歐洲一些國(guó)家的生物質(zhì)成型燃料設(shè)備已經(jīng)定型。我國(guó)生物質(zhì)固體成型的研究起步較晚，始于20世紀(jì)80年代。近年來(lái)加大了這方面的投入，水平也有了很大提高。研制開(kāi)發(fā)的適宜于農(nóng)作物秸稈的HM-485型環(huán)模式成型機(jī)，生產(chǎn)率達(dá)1.5t/h，關(guān)鍵部件壽命達(dá)400h以上，已達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。利用該技術(shù)工藝和設(shè)備已在北京市大興區(qū)建成了年產(chǎn)2萬(wàn)t的生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線并投產(chǎn)運(yùn)行，截至2009年12月，已累計(jì)生產(chǎn)和銷售秸稈固體成型燃料1.23萬(wàn)t。

　　1.2生物質(zhì)固化成型的影響因素

　　影響生物質(zhì)燃料固化成型的因素主要有生物原料、成型壓力、成型溫度、成型方式［1］、成型過(guò)程的滯留時(shí)間［2］、黏結(jié)劑等。黏結(jié)劑使生物質(zhì)更易成型，也可以使成型塊維持致密的結(jié)構(gòu)和既定的形狀。目前常用的黏結(jié)劑有石英砂、粉煤灰、淀粉、廢紙漿等。針對(duì)現(xiàn)在的添加劑或者價(jià)格太高或者可能造成污染，可以利用處理污水得到的污泥作為秸稈壓制中的黏結(jié)劑［3-4］，因?yàn)樗俏⑸锿ㄟ^(guò)胞外多聚物黏結(jié)而成的絮狀物，而胞外多聚物的主要成分為糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等，它可增強(qiáng)物料顆粒之間的相互黏結(jié)性，既有效地利用了污泥，又達(dá)到了以廢治廢的目的。

　　2生物質(zhì)固化成型工藝

　　2.1生物質(zhì)固化成型的工藝分類

　　根據(jù)主要工藝特征的差別，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)生物質(zhì)固化燃料的工藝大致可劃分為冷壓（濕壓）成型、熱壓成型和炭化成型3種主要形式。

　　不管是冷壓成型還是熱壓成型，在實(shí)際生產(chǎn)中都發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)成型耗能主要分布在粉碎和成型2個(gè)環(huán)節(jié)上，以1臺(tái)處理能力為2t/h的成型設(shè)備為例，配置相應(yīng)的電力成型設(shè)備，按成型固體計(jì)算，平均耗電達(dá)1.5kW·h/kg。若借鑒制繩的絞制機(jī)械裝置，固化制取繩狀秸稈束，則相同產(chǎn)量的鉸制秸稈成型設(shè)備的電力配置是粉碎固化秸稈固體成型設(shè)備的1/4［5］，以達(dá)到低能耗固化儲(chǔ)運(yùn)的目的。

　　意大利研發(fā)出的ETS新型木質(zhì)顆粒制粒生產(chǎn)系統(tǒng)是一種常溫成型技術(shù)，對(duì)原料的濕度適應(yīng)性強(qiáng)，濕度為10%～35%，所以大部分原料不需要干燥即可直接用于制粒；成粒時(shí)機(jī)器的升溫只有10～15℃，壓制出的顆粒溫度一般只有55～60℃，所以無(wú)須冷卻即可直接進(jìn)行包裝，這樣就可以省掉干燥和冷卻2道工序，ETS系統(tǒng)在整個(gè)制粒過(guò)程的單位能耗為25～60kW·h/t，而傳統(tǒng)工藝的單位能耗為80～180kW·h/t，單位能耗減少60%～70%，且機(jī)器磨損也大大減小，總成本降低很多。

　　2.2生物質(zhì)固化成型常用設(shè)備

　　按成型加壓的方法不同來(lái)區(qū)分，技術(shù)較為成熟、應(yīng)用較多的成型燃料加工技術(shù)有輥模擠壓式、活塞沖壓式、螺旋擠壓式等。輥模擠壓式成型機(jī)采用的是冷壓成型工藝，活塞沖壓式、螺旋擠壓式成型機(jī)采用的是熱壓成型工藝。

　　2.2.1螺旋擠壓成型設(shè)備

　　螺旋擠壓成型機(jī)是開(kāi)發(fā)最早，當(dāng)前應(yīng)用最為普遍的設(shè)備，它利用螺桿擠壓生物質(zhì)，靠外部加熱。螺旋擠壓成型機(jī)工作時(shí)要求溫度在150~300℃，原料含水率8%~12%，原料粒度小于40mm。螺旋擠壓機(jī)的生產(chǎn)能力多在100~200kg/h，單位能耗為70~120kW·h/t，產(chǎn)品成型密度一般在1100~1400kg/m3，產(chǎn)品規(guī)格為50~70mm的棒狀。

　　螺旋擠壓成型機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)行平穩(wěn)，連續(xù)成型，成型品質(zhì)量好，成型壓力可通過(guò)調(diào)整螺桿的進(jìn)套尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)：①單位產(chǎn)品能耗高，一般2t秸稈才能生產(chǎn)出1t壓塊成品；②產(chǎn)品成本較高，以當(dāng)前設(shè)備生產(chǎn)的成本價(jià)格計(jì)算，固定成本在280元/t以上。

　　螺旋擠壓成型機(jī)使用時(shí)成型部件磨損嚴(yán)重，尤其是螺桿，耐熱材料使用時(shí)間不超過(guò)80h，新的造價(jià)高達(dá)1000元/個(gè)，這嚴(yán)重阻礙了螺旋擠壓成型機(jī)的規(guī)?；l(fā)展，可將整體螺桿分拆為螺桿頭和螺桿主體2部分，通過(guò)更換螺桿頭來(lái)達(dá)到降低生產(chǎn)磨損的目的［6］，不但更換更方便，而且可以節(jié)省設(shè)備更新成本。

　　2.2.2活塞沖壓成型設(shè)備

　　活塞沖壓成型設(shè)備按驅(qū)動(dòng)動(dòng)力可以分為2類，機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)?；钊麤_壓成型機(jī)工作時(shí)允許物料水分高達(dá)20％左右，單位能耗在80~140kW·h/t，使用壽命在200h以上，產(chǎn)品是密度介于0.8~1.1g/cm3的塊狀或條棒狀。

　　活塞沖壓成型設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)：明顯改善了成型部件磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，成型密度較大，原料不需要加熱烘干，產(chǎn)品成本較低。缺點(diǎn)：產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定，機(jī)器運(yùn)行穩(wěn)定性差，噪音較大，潤(rùn)滑油污染嚴(yán)重，成型模腔容易磨損，一般使用100h就要修1次，含SiO2少的生物質(zhì)材料可維持300h，生產(chǎn)率比螺桿式高，不過(guò)還是偏低，僅為300kg/h，而且其造價(jià)高達(dá)10萬(wàn)元/臺(tái)。

　　2.2.3輥模擠壓成型設(shè)備

　　輥模擠壓成型機(jī)一般不需要外部加熱，依靠物料擠壓成型時(shí)所產(chǎn)生的摩擦熱，即可使物料軟化和黏合。輥模擠壓成型機(jī)主要生產(chǎn)顆粒成型燃料，成型時(shí)要求含水率在10％~40％，以當(dāng)前設(shè)備生產(chǎn)的成本價(jià)格計(jì)算，固定成本約150~200元/t［7］。

　　與螺旋擠壓式和活塞沖壓式成型技術(shù)相比較，模輥式成型技術(shù)工藝實(shí)現(xiàn)了自然含水率生物質(zhì)不用任何添加劑常溫下壓縮成型，生產(chǎn)率較高，具備了規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的條件；但還是存在產(chǎn)品的耐濕性較差，遇水容易松散，設(shè)備的能耗較高，模具磨損較為嚴(yán)重的問(wèn)題。

　　國(guó)外模輥式成型機(jī)設(shè)備自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)技術(shù)大部分已經(jīng)成熟。瑞士的Buhlwelwe公司、英國(guó)的UMTAndritzGroup公司、丹麥的Sprout-Matador公司以及瑞典的PowerChippersAB公司等多采用模輥式成型技術(shù)生產(chǎn)生物質(zhì)固體成型機(jī)，關(guān)鍵部件壽命達(dá)到1000h以上，生產(chǎn)率達(dá)到2t/h以上，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；蜕唐坊a(chǎn)。

　　3適合我國(guó)國(guó)情的生物質(zhì)成型設(shè)備

　　目前，雖然我國(guó)上馬了很多生物質(zhì)電廠，但由于生產(chǎn)成本太高，生物質(zhì)電廠需要國(guó)家大量的補(bǔ)貼以維持運(yùn)營(yíng)。收運(yùn)體系中秸稈存在的問(wèn)題，使發(fā)電廠的運(yùn)營(yíng)成本大大增加，如果能改變秸稈的形態(tài)，既可降運(yùn)輸成本，也便于存放，既節(jié)約了土地和廠房，也使發(fā)電廠的成本下降。所以我國(guó)需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用、易操作的設(shè)備，使用費(fèi)用低。就我國(guó)的國(guó)情而言，需要的設(shè)備應(yīng)以中小型為主，自動(dòng)化程度不必太高，便于搬運(yùn)，方便農(nóng)民自行操作使用，便于在田間就地使用［8-9］。

　　但現(xiàn)在成型機(jī)多以木屑等林業(yè)剩余物為主要原料，且設(shè)備價(jià)格高，并不適合我國(guó)以秸稈為原料的國(guó)情。目前市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)出了秸稈成型機(jī)如秸稈壓塊機(jī)，對(duì)莖稈類生物質(zhì)進(jìn)行壓塊，塊體密度為0.6～1.0g/cm3，滿足了商品化的要求。

　　為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，目前開(kāi)發(fā)出了生物質(zhì)常溫固化成型技術(shù)（＜40℃）（簡(jiǎn)稱CZSN技術(shù)），即在常溫下把粉碎后的生物質(zhì)材料壓縮成熱值達(dá)11913~18810kJ/kg的高密度成型燃料，由于生產(chǎn)過(guò)程中不需要加熱，所以能耗比同類產(chǎn)品降低50％，成型設(shè)備體積減少70％，綜合生產(chǎn)成本降低60％以上。并且CZSN成型設(shè)備只用一臺(tái)機(jī)器，可大可小，移動(dòng)與操作非常簡(jiǎn)便，可在農(nóng)村建立各種規(guī)模的加工廠，還可與聯(lián)合收割機(jī)配套使用，直接將原料壓縮成固體顆粒。

　　北京慧眾實(shí)科技有限公司研制開(kāi)發(fā)了車載式生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)（簡(jiǎn)稱Highzones技術(shù)），實(shí)現(xiàn)了生物質(zhì)常溫壓縮成型設(shè)備的小型化和移動(dòng)化，同時(shí)若與聯(lián)合收割機(jī)配套，可以實(shí)現(xiàn)能源與糧食一起收獲。它利用生物質(zhì)材料中纖維素分子團(tuán)在剪切力的作用下錯(cuò)位、變形、延展成薄片，較小的壓力下即可重新組合成型的原理。該技術(shù)既可解決松散狀生物質(zhì)能應(yīng)用的收集半徑問(wèn)題，又大大降低了壓縮成型燃料的綜合成本，解決生物質(zhì)能大規(guī)模應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性問(wèn)題。

　　4生物質(zhì)固化成型設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)

　　生物質(zhì)成型燃料加工裝備的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下方面：①理想的加工耗能量；②適當(dāng)?shù)年P(guān)鍵部件的使用壽命；③良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成等。

　　綜合來(lái)看，我國(guó)生物質(zhì)固化成型技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向主要有：①大力發(fā)展便于在生物質(zhì)原料產(chǎn)地推廣使用的成型設(shè)備［10］，消除生物質(zhì)燃料規(guī)模化應(yīng)用中存在的收、運(yùn)、儲(chǔ)存成本高這一“瓶頸”；②加大生物質(zhì)致密成型設(shè)備的基礎(chǔ)研究，改變成型方式，盡可能以常溫固化成型技術(shù)為主，解決關(guān)鍵部件的材料失效問(wèn)題，減少成型時(shí)的能量損耗，增加成型模具的使用壽命，降低成本。

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