摘要：概述了國(guó)內(nèi)外
生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)及設(shè)備的研究現(xiàn)狀。討論了生物質(zhì)固體成型燃料的成型機(jī)理和影響因素，主要概括了幾種成型工藝及設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)。最后指出我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料存在的問(wèn)題和今后的發(fā)展趨勢(shì)。
關(guān)鍵詞：生物質(zhì)；固體成型燃料；成型工藝；成型設(shè)備
近年來(lái)全球經(jīng)濟(jì)快速、持續(xù)發(fā)展，各國(guó)對(duì)能源的需求與日俱增，導(dǎo)致現(xiàn)有的化石能源迅速消耗，已逐漸面臨枯竭，能源危機(jī)日益凸顯。據(jù)報(bào)道，全世界的石油、天然氣按其儲(chǔ)量和需求量推算，只能夠維持到21世紀(jì)中葉，而煤炭也只能夠開采200年左右，并且使用化石能源造成嚴(yán)重的污染。因此從保護(hù)人類生態(tài)環(huán)境和自然資源的角度出發(fā)，尋求一種新的安全、清潔、可持續(xù)發(fā)展的能源體系迫在眉睫。
生物質(zhì)能源是一種可再生、環(huán)境友好型的清潔能源，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Γ诟鲊?guó)的能源結(jié)構(gòu)中占有重要的地位。副。其中，生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)是生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化與利用的主要發(fā)展方向之一。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，生物質(zhì)固化成型以后其燃燒性能平均提高20%，燃燒時(shí)的溫室氣體排放量?jī)H為煤炭的1/9，NOx和SOX的排放量分別為煤炭的1/5和1/10。生物質(zhì)固體成型燃料具有原料豐富、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。成型燃料的熱效率高，燃燒性能好，便于貯運(yùn)，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，適合大規(guī)模使用，可用于農(nóng)村家庭炊事、取暖用能需求，可為城鎮(zhèn)社區(qū)供熱提供清潔燃料，還可用于蔬菜、瓜果溫室大棚和園林花卉暖房的保溫取暖用能以及工業(yè)鍋爐和電廠的燃料，是替代煤炭的理想燃料。近些年我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)量和需求量都在急劇增加，2009年總產(chǎn)量約76.6萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)到2015年將達(dá)到2000萬(wàn)噸。我國(guó)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，生物質(zhì)資源非常豐富，農(nóng)作物秸稈的年產(chǎn)量超過(guò)7億噸，折合成標(biāo)準(zhǔn)煤約為3.5億噸。此外，林木業(yè)生物質(zhì)資源約13億噸，為生物質(zhì)固體成型燃料的發(fā)展提供了保證。綜合開發(fā)和利用生物質(zhì)固體成型燃料具有可觀的經(jīng)濟(jì)前景和顯著的社會(huì)效益。因此本文作者對(duì)生物質(zhì)固體成型燃料的研究現(xiàn)狀、成型工藝及成型設(shè)備進(jìn)行了總結(jié)，并分析了生物質(zhì)固體成型燃料未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。
1、生物質(zhì)固體成型燃料研究現(xiàn)狀
生物質(zhì)固體成型燃料是將木材加工剩余物、農(nóng)作物秸稈等生物質(zhì)原料粉碎到一定的粒度，在50~200MPa和150~300℃，或不加熱或不加黏結(jié)劑的條件下，壓縮成棒狀、塊狀、粒狀等具有一定密實(shí)度的成型物。近年來(lái)，生物質(zhì)固體燃料作為極具競(jìng)爭(zhēng)力的燃料發(fā)展十分迅速。
1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
國(guó)外對(duì)生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)的研究起步較早，美國(guó)于20世紀(jì)30年代就開始研究林木生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)，并研制了螺旋壓縮機(jī)。日本在1948年首次申報(bào)了關(guān)于利用木屑為原料生產(chǎn)棒狀成型燃料的專利，并且于50年代研究出獨(dú)特的致密成型燃料技術(shù)體系。70年代后期出現(xiàn)世界能源危機(jī)，西歐許多國(guó)家也開始重視生物質(zhì)成型技術(shù)的研究，并研發(fā)了沖壓式成型機(jī)、顆粒成型機(jī)及其配套的燃燒設(shè)備。生物質(zhì)成型燃料燃燒設(shè)備在美國(guó)、日本及歐洲一些國(guó)家已經(jīng)比較成熟，形成了產(chǎn)業(yè)化，在供暖、加熱、干燥、發(fā)電等領(lǐng)域已普遍使用。2005年，世界生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)量已超過(guò)了420萬(wàn)噸，其中歐洲地區(qū)產(chǎn)量達(dá)300多萬(wàn)噸，到2008年總產(chǎn)量達(dá)1160萬(wàn)噸，歐洲地區(qū)達(dá)740萬(wàn)噸。
1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)生物質(zhì)固體成型技術(shù)的開發(fā)研究工作起步較晚。20世紀(jì)80年代，湖南省衡陽(yáng)市糧食機(jī)械廠研制了第一臺(tái)ZT-3型生物質(zhì)壓縮成型機(jī)，隨后江蘇省連云港東海糧食機(jī)械廠研制了OBM-88型棒狀燃料成型機(jī)。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所與東海糧食機(jī)械廠合作，于1990年完成了國(guó)家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目——木質(zhì)棒狀成型機(jī)的開發(fā)研究，建立了年產(chǎn)1000t的棒狀成型燃料生產(chǎn)線。“八五”期間，中國(guó)農(nóng)機(jī)院能源動(dòng)力研究所、遼寧省能源研究所、中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所、中國(guó)農(nóng)業(yè)工程研究設(shè)計(jì)院，對(duì)生物質(zhì)沖壓式和擠壓式壓塊技術(shù)及裝置、燒炭技術(shù)及裝置、多功能燃燒爐技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)，解決了林木生物質(zhì)壓縮成型的關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)在該領(lǐng)域的研究和開發(fā)水平上了一個(gè)新臺(tái)階。20世紀(jì)90年代中后期，湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國(guó)農(nóng)機(jī)院能源動(dòng)力研究所分別研究出PB-1型、CYJ-35型機(jī)械沖壓式成型機(jī)；河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出HPB-1型液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)；中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研制了內(nèi)壓環(huán)模顆粒成型機(jī)。21世紀(jì)初，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研究出液壓驅(qū)動(dòng)雙頭活塞式秸稈成型機(jī)。中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研究了生物質(zhì)成型燃料深加工制備成型炭生產(chǎn)過(guò)程中熱解溫度對(duì)氣一固產(chǎn)物性能的影響，研究表明：分別以木屑、玉米秸稈、稻殼為原料，就氣體產(chǎn)物而言，熱解氣體熱值在200～450℃溫度范圍內(nèi)，在450℃左右時(shí)氣體熱值達(dá)到最大值，然后有所下降。就固體產(chǎn)品而言，隨著最終精煉溫度的提高，成型炭產(chǎn)品的揮發(fā)分含量遞減，而固定碳含量及產(chǎn)品熱值遞增，但700℃以后其增加幅度變小。其中以木屑為原料制成的成型炭產(chǎn)品熱值最高，品質(zhì)最好。
2、生物質(zhì)固化成型工藝
2.1生物質(zhì)固化成型機(jī)理
生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成。木質(zhì)素是具有芳香族特性的結(jié)構(gòu)單體，由苯基丙烷單元構(gòu)成的三維空間聚合物，屬非晶體，沒(méi)有熔點(diǎn)但有軟化點(diǎn)。在70～110℃時(shí)軟化，具有一定的黏性，在200~ 300℃時(shí)成熔融狀，黏性增加，此時(shí)施加一定的壓力，可使其與纖維素、半纖維素等緊密粘接并與相鄰顆粒互相膠接，冷卻后即可固化成型。
2.2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質(zhì)原料的種類、原料含水率、原料粒度、成型壓力、成型溫度、成型方式、黏結(jié)劑等。生物質(zhì)原料在壓縮成型過(guò)程中，粒子發(fā)生變形后以相互嚙合的形式結(jié)合，而粒子層之間以相互貼合的形式結(jié)合。一般來(lái)說(shuō)纖維植物秸稈和小顆粒的原料容易被壓縮，而木材和較大顆粒的原料難以被壓縮[22]。但是對(duì)于不同工藝，不同設(shè)備，成型條件也各不相同。姜洋等研究發(fā)現(xiàn)，在常溫下原料中纖維素的含量決定了成型的難易程度，纖維素含量越高，成型越容易，同時(shí)原料的粒徑和含水率分別在1-5mm和12%-18%時(shí)，壓縮后成型燃料的密度最大。周春梅等以玉米秸稈和小麥秸稈為原料，對(duì)生物質(zhì)秸稈的不同成型工藝進(jìn)行了系統(tǒng)的成型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，最適宜的原料水分含量為10%～15%，在相同的成型壓力下，原料粒度越小成型后的燃料密度越大，強(qiáng)度越高，成型效果越好，在冷壓成型條件下，滿足成型指標(biāo)所需成型壓力為2MPa，加入8%玉米淀粉時(shí)成型壓力降到1MPa。熱成型溫度為110℃時(shí)，只需要0.5MPa。
2.3生物質(zhì)固化成型工藝類型
生物質(zhì)壓縮成型工藝有多種分類方式，可以根據(jù)原料在壓縮成型工藝時(shí)是否添加粘結(jié)劑分為：加粘結(jié)劑和不加粘結(jié)劑的成型工藝。根據(jù)壓縮壓力的大小分為：高壓壓縮(>100MPa)；采用加熱的中等壓力壓縮(5~100 MPa)；添加黏結(jié)劑的低壓壓縮(<5MPa)。從廣義上將生物質(zhì)壓縮成型工藝分為濕壓成型、熱壓成型、炭化成型3種主要形式。
2. 3.1 濕壓成型濕壓成型技術(shù)是在常溫下，通過(guò)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，該成型技術(shù)對(duì)原料的含水率要求不高，利用水對(duì)纖維素的潤(rùn)漲作用，使其加壓成型得到了很明顯的改善。濕壓成型有環(huán)模成型、平模成型、對(duì)輥成型、刮板成型等多種機(jī)具類型，但是目前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用并不廣泛。
2.3.2熱壓成型熱壓成型技術(shù)是在較高的溫度下使木質(zhì)素軟化，起粘結(jié)劑的作用，在一定的壓力作用下將粉碎的生物質(zhì)材料擠壓成型。熱壓成型工藝中采用的成型設(shè)備主要有螺旋擠壓成型機(jī)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)等，熱壓成型是目前普遍采用的生物質(zhì)壓縮成型工藝。
2.3.3炭化成型炭化成型是將生物質(zhì)原料進(jìn)行炭化或者是部分炭化，再加入一定量的粘結(jié)劑擠壓成一定形狀和尺寸的木炭棒。炭化成型有2種常見的情況：一種是先用成型機(jī)將原料壓縮成型，然后用炭化爐將成型后的燃料棒炭化；另一種是先將原料炭化后再成型。表1是3種成型工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照。
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成型工藝 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
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濕壓成型 |
（1）原料含水率要求不高，適用廣；
（2）工藝環(huán)節(jié)簡(jiǎn)單、能耗低 |
（1）產(chǎn)品密度較低，燃燒性能差；
（2）成型時(shí)壓力高，成型部件磨損較快 |
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熱壓成型 |
（1）產(chǎn)品密度高；
（2）產(chǎn)品性能好，燃燒效率高；
（3）成型過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)、連續(xù)型好； |
（1）原料含水率要求高，控制在8%到12%；
（2）生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象；
（3）工藝環(huán)節(jié)復(fù)雜，成本較高。 |
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碳化成型 |
（1）能耗低
（2）對(duì)成型部件磨損小 |
（1）成品定形能力差；
（2）工藝環(huán)節(jié)復(fù)雜，成品燃燒性能差； |
3、生物質(zhì)固化成型設(shè)備
目前，生物質(zhì)固體成型燃料的成型設(shè)備主要有螺旋擠壓式成型機(jī)、活塞沖壓式成型機(jī)和壓輥式成型機(jī)3種形式。其中，螺旋擠壓式成型機(jī)和活塞沖壓式采用的是熱壓成型工藝，而壓輥式成型機(jī)采用的是冷壓成型工藝，壓輥式成型機(jī)又分環(huán)模成型機(jī)和平模成型機(jī)。
3.1螺旋擠壓式成型設(shè)備
螺旋擠壓成型的機(jī)理是生物質(zhì)原料被送到螺旋壓縮成型機(jī)械中，在動(dòng)力機(jī)械的帶動(dòng)下錐形螺桿推動(dòng)原料進(jìn)入壓縮成型筒內(nèi)，錐形螺桿和壓縮成型筒擠壓物料使內(nèi)壓應(yīng)力越來(lái)越大，在壓縮成型筒的頂端達(dá)到最大內(nèi)壓應(yīng)力而成型，再經(jīng)過(guò)一段應(yīng)力松弛段，被推出螺旋壓縮成型機(jī)械，成為成型物料。螺旋擠壓成型設(shè)備在目前市場(chǎng)上應(yīng)用最為普遍。
3.2活塞沖壓式成型設(shè)備
活塞沖壓式成型機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同又分為機(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)。液壓沖壓式成型機(jī)對(duì)原料的含水率要求較為寬松，常用于生產(chǎn)實(shí)心的燃料塊或燃料棒，密度在800—1100 kg/m3之間，燃料塊比較容易松散，但在壓縮過(guò)程中一般不需要加熱，從而減小了成型部件的損耗。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的活塞沖壓式成型機(jī)，用于生產(chǎn)直徑約為100mm、密度為1000。1200kg/m3的棒狀燃料，經(jīng)過(guò)10年的試驗(yàn)研究，已改進(jìn)4代機(jī)型。
3.3壓輥式成型設(shè)備
壓輥式成型機(jī)主要用于生產(chǎn)顆粒狀成型燃料，其基本工作部件主要由壓輥和壓模組成，根據(jù)壓模的形狀不同又可分為：平模成型機(jī)和環(huán)模成型機(jī)。壓輥可以繞自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，壓輥的外周加工有齒或槽，使壓緊原料而不致打滑。壓模上加工有成型孔，物料進(jìn)入壓輥和壓模之間，在壓輥的作用下被壓人成型孔內(nèi)，成型為圓柱形或棱柱形，最后切段成顆粒狀成型燃料。壓輥式成型機(jī)生產(chǎn)時(shí)依靠物料擠壓時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱即可使物料軟化具有一定的粘合作用，一般不需要額外加熱，若原料中木質(zhì)素含量較低，黏合力較小可適量添加少許粘結(jié)劑。該設(shè)備對(duì)原料含水率要求較為寬松，一般在10%~40%之間，顆粒成型燃料的密度在1000一1400kg/m3之間。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院在北京市大興區(qū)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(jī)，建成了年產(chǎn)2萬(wàn)噸的生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線，并投產(chǎn)運(yùn)行，該成型機(jī)生產(chǎn)率達(dá)1.5t/h，關(guān)鍵部件壽命達(dá)400h以上。
3種成型設(shè)備優(yōu)缺點(diǎn)的對(duì)比見表3。
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設(shè)備 |
優(yōu)點(diǎn) |
缺點(diǎn) |
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螺旋擠壓式成型設(shè)備 |
（1）運(yùn)行穩(wěn)定、生產(chǎn)連續(xù)；
（2）成品密度高、質(zhì)量好、可碳化、易燃燒；
（3）結(jié)果簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少。 |
（1）能耗高，生產(chǎn)率低；
（2）螺旋桿易損件壽命短；
（3）對(duì)原料含水率要求；
（4）設(shè)備配套性能差。 |
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活塞沖壓式成型設(shè)備 |
（1）成品密度較高；
（2）對(duì)原料含水率要求不高。 |
（1）生產(chǎn)率不高；
（2）產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定；
（3）產(chǎn)品不適宜碳化；
（4）成型套筒易磨損。 |
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壓輥式成型設(shè)備 |
（1）生產(chǎn)率高；
（2）不需要外部加熱；
（3）對(duì)原料含水率要求不高。 |
（1）成型模具及壓輥易磨損，壽命短，材料要求高；
（2）對(duì)原料的適應(yīng)性較差。 |
4、生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)的問(wèn)題分析及發(fā)展趨勢(shì)
我國(guó)生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)經(jīng)過(guò)近年的快速發(fā)展已經(jīng)取得了顯著的成就，但是與國(guó)外先進(jìn)的成型技術(shù)相比還有一定的差距，主要表現(xiàn)在對(duì)原料要求高、生產(chǎn)率低、成型能耗高、主要部件工作壽命短、機(jī)器故障率高、成本偏高以及成型燃料深加工技術(shù)欠缺等方面。導(dǎo)致這些問(wèn)題的主要原因有兩個(gè)：一是長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)可再生能源缺乏明確的發(fā)展目標(biāo)，技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，資金投人較少；二是設(shè)備制造能力和技術(shù)研發(fā)能力相對(duì)薄弱，技術(shù)和設(shè)備較多依靠進(jìn)口，同時(shí)對(duì)可再生能源資源評(píng)價(jià)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品檢測(cè)、認(rèn)證體系還不夠完善，沒(méi)有形成支撐可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)服務(wù)體系。綜合來(lái)看，我國(guó)生物質(zhì)固體成型技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)主要是大力發(fā)展便于在生物質(zhì)原料產(chǎn)地推廣使用的成型設(shè)備，消除生物質(zhì)燃料規(guī)模化應(yīng)用中原料收集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存成本高這一“瓶頸”。同時(shí)增加成型設(shè)備的基礎(chǔ)研究，盡可能以常溫固化成型技術(shù)為主，解決關(guān)鍵部件的材料磨損過(guò)快問(wèn)題，降低成型時(shí)能量損耗，增加成型模具的使用壽命，降低成本。。
5、結(jié)語(yǔ)
目前，我國(guó)生物質(zhì)成型燃料開發(fā)利用正處于快速發(fā)展階段，相關(guān)企業(yè)和科研單位研發(fā)的技術(shù)與設(shè)備為生產(chǎn)規(guī)模化奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)國(guó)家在“十二五”期間也必然將加大對(duì)生物質(zhì)固體成型燃料的新能源開發(fā)利用力度，同時(shí)從資金、技術(shù)、電價(jià)、稅收等方面制定一系列扶持政策，降低生物質(zhì)成型燃料的研發(fā)和生產(chǎn)成本，推進(jìn)生物質(zhì)成型燃料產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
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