生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)研究進展及應用效益分析

李平，蔡鳴，陳正明，崔晉波

（重慶市農(nóng)業(yè)科學院，重慶401329）

　　摘要：闡述了生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對當前生物質(zhì)成型燃料技術(shù)工藝、設(shè)備研究進展和生物質(zhì)固化成型燃料應用狀況進行了總結(jié)，并分析了我國生物質(zhì)成型燃料應用的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。

　　對化石能源的過度依賴，造成了2個日益突出的問題：一是環(huán)境污染日益嚴重；二是現(xiàn)存的化石燃料儲量日趨減少。2009年的哥本哈根國際氣候會議上提出了“減少碳足跡”的倡議，我國承諾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比例達到15%左右。世界各國廣泛關(guān)注研發(fā)新能源，生物質(zhì)固體成型燃料應運而生。

　　1生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)，是將各種生物質(zhì)資源包括鋸末、秸稈、稻殼等農(nóng)林廢棄物通過加壓、加熱，由原來的松散的原料壓縮成具有一定形狀和密度的成型燃料棒的技術(shù)。目前，許多國家開展了生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)的研究，通過把松散的、低熱值的物質(zhì)壓縮成一定形狀和密度的壓縮塊（Bri-quette）或壓縮粒（Pellet），來達到高效利用生物質(zhì)潛在熱能的目的。

　　1.1國外生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)現(xiàn)狀 國外生物質(zhì)成型燃料開發(fā)工作始于20世紀30年代。美國于30年代就開始研究壓縮成型技術(shù)，并研制了螺旋壓縮機。在溫度80～350℃和壓力100MPa的條件下，能把木屑和刨花壓縮成固體成型燃料。1978年，美國太陽能公司投資1.2億美元，建造了一座日產(chǎn)300t的肥料壓縮塊工廠。50年代，日本研制成功沖壓成型機；80年代開始，對生物質(zhì)壓縮成型燃料的機理進行了探討，使成型燃料更為實用化，顆粒成型技術(shù)獲得突破，螺桿擠壓成型技術(shù)普遍應用，東南亞國家發(fā)展迅速；90年代前，主要用于民用炊事、采暖；1995年以后，瑞典、丹麥、奧地利等國大力推進產(chǎn)業(yè)化，民用鍋爐、工業(yè)鍋爐、一些國家的生物質(zhì)成型燃料設(shè)備已經(jīng)定型。并且，奧地利、瑞典等國家的小型熱電廠已經(jīng)開始應用成型燃料，并開始向國外出售技術(shù)和設(shè)備。目前，美國、荷蘭、瑞典的生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)都實現(xiàn)了工廠化或產(chǎn)業(yè)化，原料從收集、干燥、粉碎、包裝、銷售環(huán)節(jié)全部實現(xiàn)了生產(chǎn)線生產(chǎn)。并且，日本、美國及歐洲已經(jīng)出臺成型燃料生產(chǎn)標準。

　　1.2我國生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)現(xiàn)狀 我國生物質(zhì)固體成型燃料的研究起步較晚，始于20世紀80年代，1990年以后，機械螺桿式、活塞式成型技術(shù)得到發(fā)展，90年代期間，河南農(nóng)業(yè)大學研制成功HPB系列液壓驅(qū)動柱塞成型機（大棒性）。北京市大興區(qū)利用研制開發(fā)的適宜于農(nóng)作物秸稈的HM-485型環(huán)模式成型機，建成了年產(chǎn)2萬t的生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線，并投產(chǎn)運行，該成型機生產(chǎn)率達1.5t/h，關(guān)鍵部件壽命達400h以上，截至2009年12月，已累計生產(chǎn)和銷售秸稈固體成型燃料1.23萬t。目前，河南、江蘇、北京、吉林、湖北、山東、黑龍江、遼寧等省市建成年產(chǎn)萬噸以上成型燃料廠10余處，年產(chǎn)達170萬t。

　　2生物質(zhì)成型燃料工藝研究進展

　　根據(jù)不同的工藝特征，原料壓縮成型工藝分類不同：在是否添加粘結(jié)劑上可分為加粘結(jié)劑和不加粘結(jié)劑的成型工藝；在原料加溫方式上可分為常溫成型、熱壓成型和炭化成型；在原料是否預處理上分為干壓成型與濕壓成型。就目前而言，使用比較廣泛的壓縮成型工藝為炭化成型、冷壓（濕壓）成型和熱壓成型。

　　2.1炭化成型技術(shù) 炭化是指有機物通過熱解而導致生成含碳量不斷增加的化合物的一個長過程。炭化成型工藝的基本特征是，首先將生物質(zhì)原料炭化或部分炭化，然后再加入一定量的黏結(jié)劑擠壓成型。常見的有2種情況，一種是指先用成型機將物料壓縮成燃料棒，然后用炭化爐將燃料棒炭化成木炭的過程，其工藝流程為原料－粉碎－干燥－成型－炭化－冷卻－包裝。這種工藝沒有將物料壓縮成型與炭化過程結(jié)合起來，兩者相對獨立；另外一種情況是將壓縮成型和熱解炭化有機結(jié)合，使其前后連續(xù)，采用柱塞式壓縮成型機壓縮，柱塞將物料沿著壓縮套筒推入熱解筒內(nèi)，通過間接加熱方式，由電熱爐向熱解筒提供熱量，物料在套筒設(shè)定的溫度內(nèi)被炭化，得到所需的相應產(chǎn)物。

　　炭化成型技術(shù)的優(yōu)點是能耗低，因為原料纖維素結(jié)構(gòu)在炭化過程中受到破壞，高分子組分受熱裂解轉(zhuǎn)換成炭，并放出揮發(fā)分，使成型部件的磨損和能耗都明顯降低。該技術(shù)的缺點是炭化后的原料維持既定形狀的能力較差，儲存、運輸和使用時容易開裂或破碎，必須使用粘結(jié)劑，就需要較高的成型壓力，這將明顯提高成型機的造價。但我國木炭的需求量隨著經(jīng)濟發(fā)展正逐年增加，王文兵等經(jīng)過調(diào)查研究認為，在我國發(fā)展機制木炭具有良好的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。

　　2.2冷壓（濕壓）成型技術(shù) 冷壓（濕壓）成型技術(shù)是在常溫下，通過特殊的擠壓方式，使粉碎的生物質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)互相鑲嵌包裹而形成顆粒。由于該成型技術(shù)對原料的含水率要求不高（前粉料含水率范圍可擴大到6%～25%），所以又稱為“濕壓”成型技術(shù)。該技術(shù)工藝環(huán)節(jié)簡單，只需粉碎和壓縮2個環(huán)節(jié)。與“熱壓”技術(shù)相比，該技術(shù)在原料、設(shè)備、能耗上有較強的優(yōu)勢：原料適用性廣；設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價格低、可移動性強；成型能耗低、成本低。

　　2.3熱壓成型技術(shù)熱壓成型技術(shù)是在170～220℃的高溫及高壓下，使木質(zhì)素中的膠性物質(zhì)釋放出來，起一種粘結(jié)劑的作用，同時通過高壓，將粉碎的生物質(zhì)材料擠壓成625kg/m3的高密度顆粒。熱壓成型技術(shù)的優(yōu)點是極大地降低了生物質(zhì)的儲運成本，提高了燃燒效率。較冷壓成型技術(shù)，其缺點是：①工藝環(huán)節(jié)復雜，由粉碎、干燥、加熱、壓縮、冷卻5個環(huán)節(jié)組成；②對成型前粉料含水率有嚴格要求，必須控制在6%～12%；③成本高，歐洲市場售價為110～150歐元/t，在我國生產(chǎn)時，售價高達1000元/t以上。

　　雖然冷壓成型技術(shù)較熱壓成型技術(shù)能耗相對較低，但總體上講，其能耗仍然較高（平均耗電達1.5kW·h/kg）。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)。該技術(shù)主要具有以下幾個優(yōu)點：①對原料的含水率要求不高（范圍可達10%～35%）；②無需干燥，由于對原料的濕度適應性強，在技術(shù)工藝上可以減少干燥環(huán)節(jié)，即可直接用于制粒；③無需冷卻，成粒時機器的升溫只有10～15℃，壓制出的顆粒溫度一般只有55～60℃，所以無需冷卻即可直接進行包裝；④能耗、成本低，由于省掉干燥和冷卻2道工序，ETS系統(tǒng)在整個制粒過程的單位能耗為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%，且機器磨損也大大減小，總成本降低。

　　3生物質(zhì)固體成型設(shè)備研究進展

　　現(xiàn)已研制開發(fā)的生物質(zhì)成型設(shè)備按成型原理主要有三大類：螺旋擠壓生產(chǎn)棒狀成型設(shè)備；機械和活塞式擠壓制得圓柱塊狀成型設(shè)備；壓輥輾壓顆粒狀成型設(shè)備（包括環(huán)模式和平模式）。輥模擠壓式成型機采用的是冷壓成型工藝，活塞沖壓式、螺旋擠壓式成型機采用的是熱壓成型工藝。

　　3.1螺旋擠壓式成型設(shè)備 螺旋擠壓成型技術(shù)是生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料常采用的技術(shù)。用于燃料成型的螺旋擠壓機分為錐形螺桿、雙螺桿等大型純壓縮型和小型外部加熱成型3種。西歐和美國一般都采用前2種大型壓塊機，東南亞、中國和日本多采用小型外部加熱成型機。螺旋擠壓式成型機是最早研制開發(fā)的生物質(zhì)熱壓成型機，主要包括驅(qū)動機、傳動部件、進料機構(gòu)、壓縮螺桿、成型套筒和電加熱等幾部分。工作過程是將粉碎后的生物質(zhì)經(jīng)干燥后，從料斗中加入，螺旋推擠進入成型套筒中，并經(jīng)螺桿壓成帶孔的棒狀成品，連續(xù)從成型套筒中擠出。成型溫度一般維持150～300℃，原料的含水率控制在8%～12%，原料粒度＜40mm，螺旋擠壓機的生產(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，成型燃料形狀通常為直徑50～60mm的空心棒。

　　螺旋擠壓成型機的優(yōu)點：運行平穩(wěn)，生產(chǎn)連續(xù)。缺點：①單位產(chǎn)品能耗高，螺旋式成型機主要是靠螺旋桿的轉(zhuǎn)動推進生物質(zhì)逐層成型的，螺旋桿的前段和頭部在整個推擠過程中與生物質(zhì)之間作高速相對運動，增加了單位產(chǎn)品的能耗，一般為100～125kW·h/t；②成型部件壽命短，螺旋桿的端部摩擦使溫度升高，磨損速度加快，其平均壽命僅有60～80h。因此，螺旋式成型機成型生產(chǎn)過程的維修或故障狀態(tài)就比較長，從而降低其運行效率；③產(chǎn)品成本較高，以當前設(shè)備生產(chǎn)的成本價格計算，固定成本在280元/t以上；④原料含水率難以控制，設(shè)備配套性能差、管理自動化程度較低等問題的存在，導致其難以形成規(guī)模效益，不能滿足商業(yè)化利用的需要。圖1為螺旋擠壓成型部件結(jié)構(gòu)示意圖。

　　3.2活塞沖壓式成型設(shè)備 活塞沖壓技術(shù)是采用飛輪或液壓驅(qū)動的間斷式的沖壓方式，生物質(zhì)原料的成型是靠活塞的往復運動實現(xiàn)的。該類成型機可分為機械驅(qū)動活塞式成型機和液壓驅(qū)動活塞式成型機。液壓活塞式秸稈成型設(shè)備的突出特點是增加了進料預壓機構(gòu)，物料先經(jīng)垂直和水平2次預壓，再推進成型套筒內(nèi)擠壓成型。我國河南農(nóng)業(yè)大學先后設(shè)計研制出HPB-I、HPB-11、HPB-IH型液壓活塞式秸稈成型機?；钊麤_壓成型設(shè)備的優(yōu)點：改善了成型部件磨損嚴重的問題，原料不需要加熱烘干，產(chǎn)品成本較低。缺點：①產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定，產(chǎn)品為實心燃料棒或燃料塊，密度稍低，為0.8～1.1g/cm3，容易松散；②機器運行穩(wěn)定性差，噪音較大，潤滑油污染嚴重，成型模腔容易磨損，一般使用100h就要修1次，而且其造價高達10萬元/臺。圖2為活塞沖壓成型部件結(jié)構(gòu)示意圖。

　　3.3壓輥輾壓成型設(shè)備 壓輥式成型技術(shù)是壓輥碾壓過穿孔的表面，將物料壓入模具（小孔）內(nèi)而成型，大多用于生產(chǎn)顆粒狀的成型燃料，一般不需要外部加熱，但需要在原料中加入一定量的黏結(jié)劑。壓輥輾壓設(shè)備分為環(huán)模壓輥式成型機和平模輾壓成型機。環(huán)模壓輥式顆粒成型機是目前使用最為廣泛的壓制機機型，主要有齒輪傳動和皮帶傳動2種方式。與螺旋擠壓式和活塞沖壓式成型技術(shù)相比較，壓輥輾式成型技術(shù)不要求原料含水率，無需加溫和添加劑，生產(chǎn)率較高，可產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。缺點：產(chǎn)品的耐濕性較差，遇水容易松散，設(shè)備的能耗較高，模具磨損較為嚴重。圖3為環(huán)模壓輥式成型部件結(jié)構(gòu)示意圖。

　　4我國生物質(zhì)固體成型燃料的應用

　　利用固化成型技術(shù)開發(fā)生物質(zhì)能源的前景十分廣闊，不但可緩解能源短缺，改善生態(tài)環(huán)境，還能為其他的生物質(zhì)能綜合利用技術(shù)提供原料供給，符合國際生物質(zhì)能利用發(fā)展總趨勢和我國國情，與其他技術(shù)相比，成本低、易于實施。據(jù)預測，到2050年，生物質(zhì)能用量將占全球燃料直接用量的38%，發(fā)電量占全球總電量的17%。我國己將新能源、可再生能源的開發(fā)利用列入“十一五”規(guī)劃和農(nóng)業(yè)發(fā)展綱要中，國務院批準在農(nóng)業(yè)部設(shè)立農(nóng)業(yè)跨越計劃項目，加速農(nóng)業(yè)科技成果的轉(zhuǎn)化，引導和推動農(nóng)業(yè)科技成果盡快轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實生產(chǎn)力。根據(jù)我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》確定的主要發(fā)展目標，到2020年，全國生物質(zhì)發(fā)電裝機容量達到3000萬kW。

　　成型后的生物質(zhì)成品有如下特點：①與普通薪柴燃料相比，它具有密度高、形狀和性質(zhì)均一的特點，便于運輸、裝卸、儲存。生物質(zhì)原料經(jīng)擠壓成型后，密度可達1.8～1.4t/m3，含水率在20%以下。②熱效率提高、燃燒性能好。生物質(zhì)成型燃料熱值高，熱值可達3400kcal/kg以上，能源密度相當于中質(zhì)褐煤，在專用爐具中燃燒熱效率可達50%以上，而我國農(nóng)村每年消耗的21339Mt柴草，在傳統(tǒng)的舊式爐灶直接燃燒后熱效率只有5%～10%。③與傳統(tǒng)的化石燃料相比是清潔的可再生能源，它使用方便、燃燒完全，含揮發(fā)物高（70%以上），灰分低（一般＜5%），燃燒過程實現(xiàn)“零排放”，即無煙塵、無二氧化硫等有害氣體，不污染環(huán)境。④成型燃料取用方便且損失少，是易于進行商品化生產(chǎn)和銷售的可再生能源。⑤成型飼料經(jīng)過由生變熟、淀粉糊化、消毒滅菌、粗纖維降解等過程，使水溶性糖類增加，粗蛋白含量提高到6%～8%，有機物消化吸收率可提高20%，達到65%以上。⑥用途廣泛，可用于常規(guī)層燃爐排工業(yè)鍋爐、水冷振動爐排鍋爐、流化床鍋爐進行直燃發(fā)電、供熱，也可與垃圾、煤混燒發(fā)電、供熱；還可作為生物質(zhì)氣化、液化利用的原料。生物質(zhì)成型燃料已成為清潔環(huán)保、燃燒效率高、能部分替代煤炭等化石燃料的新型生物質(zhì)燃料。既可作為農(nóng)村居民的炊事和取暖燃料，又可作為發(fā)電、供熱等工業(yè)化燃料。表1是生物質(zhì)成型燃料可達技術(shù)指標。

　　我國成型燃料的應用主要在生活用能和工農(nóng)業(yè)用能2個方面。生活用能主要是取暖和炊事，目前，各種成型燃料的配套爐具都已問世，有炊事爐具、采暖壁爐，也有炊事采暖兩用爐。工農(nóng)業(yè)用能目前主要應用在設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)供熱、利用生物質(zhì)鍋爐對辦公區(qū)域供熱和工業(yè)發(fā)電。我國的生物質(zhì)燃料發(fā)電已經(jīng)具有了一定的規(guī)模，主要集中在南方地區(qū)的許多糖廠利用甘蔗渣發(fā)電。廣東和廣西兩省（區(qū)）共有小型發(fā)電機組300余臺，總裝機容量800MW，云南也有一些甘蔗渣電廠。我國第一批農(nóng)作物秸稈燃燒發(fā)電廠在河北石家莊晉州市和山東菏澤市單縣建設(shè)，裝機容量分別為2×12和2×25MW，發(fā)電量分別為1.2億和1.56億kW·h，年消耗秸稈20萬t。

　　5我國生物質(zhì)固體成型燃料應用的效益分析

　　我國生物質(zhì)固體成型燃料的應用能達到經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益“三效”合一的局面。成型燃料的應用解決了農(nóng)林業(yè)廢棄物數(shù)千噸，減少了亂堆亂放和亂燒現(xiàn)象，且在鍋爐中燃燒時，黑煙少、火力持久、燃燒充分、排放的飛灰少、NOx和SOx都遠比煤低，使農(nóng)村及城市周邊更加清潔；每年生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料20000t，相當于10000t標準煤，減少了由于燃煤對大氣環(huán)境造成的污染；每年消化24000t秸稈，以每噸秸稈150元計，可為當?shù)剞r(nóng)民增收360萬元，同時可吸收農(nóng)民剩余勞動力；并在一定程度上降低煤等化石能源的使用量，減少環(huán)境危害，提高廣大農(nóng)民用能質(zhì)量，減少用能支出，又可推動農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，具有良好的經(jīng)濟社會生態(tài)效益。