生物質(zhì)能源存在著分散性和能量密度較低的缺點，其規(guī)模利用和高效利用存在困難，因此經(jīng)濟(jì)效益較差，這也是生物質(zhì)能源目前尚未成為商品能源的主要原因之一。農(nóng)林剩余物也存在同樣的問題，其熱值及熱效率較低，體積較大，不易運(yùn)輸，直接燃燒的熱效率僅為10%～30%，因此作為高效潔凈燃料必須將其加工成型。
1、農(nóng)林剩余物壓縮利用技術(shù)研究現(xiàn)狀
生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)是將各類松散的生物質(zhì)原料在加熱或不加熱的狀態(tài)下用機(jī)械加壓的方法，使原來松散的原料壓縮成具有一定形狀和強(qiáng)度、密度較大的成型燃料。
生物質(zhì)原料中含有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、樹脂和蠟等物質(zhì)。在常溫下木質(zhì)素的主要部分不溶于有機(jī)溶劑，屬于非晶體，沒有熔點，有軟化點，當(dāng)溫度為70～110℃時軟化，具有粘性。當(dāng)溫度達(dá)到200～300℃時成熔融狀，粘性高，此時加以一定的壓力使植物質(zhì)各部分粘結(jié)在模具內(nèi)成型。生物質(zhì)原料可在不用粘結(jié)劑的條件下熱壓成型．是因為有木質(zhì)素的存在。
1.1成型工藝
生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)發(fā)展至今，已開發(fā)出多種成型工藝和成型顆粒機(jī)械（比如秸稈顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)等）。根據(jù)工藝特征，可分為：濕壓成型、熱壓成型和炭化成型。
1.1.1濕壓成型工藝
有一定腐化程度的纖維類原料，其纖維較為柔軟、濕潤皺裂并部分降解，易于壓縮成型。利用簡單的模具，將降解后的農(nóng)林剩余物中的水分?jǐn)D壓出來，即可形成低密度的壓縮成型燃料塊。研究表明，該工藝得到的生物質(zhì)成型燃料，在25%的含水率下的平均熱值約為23kj/kg，該類燃料被稱為“綠色炭”或“綠色燃料”。低廉的成本與簡單的工藝使其在市場上具有一定的競爭力。但這一工藝存在嚴(yán)重的不足，烘干費(fèi)用高，成型件磨損較快，成品強(qiáng)度較低，易松散，多數(shù)產(chǎn)品燃燒性能較差。
1.1.2熱壓成型工藝
熱壓成型是目前使用最普遍的生物質(zhì)壓縮成型工藝。其工藝流程為：原料粉碎干燥混合（原料預(yù)熱）熱壓成型 冷卻包裝。熱壓成型工藝根據(jù)流程的不同細(xì)分為非預(yù)熱熱壓成型工藝和預(yù)熱熱壓成型工藝兩類。原料的種類、含水率、粒度、成型溫度、成型壓力、成型方式、成型模具的形狀和尺寸及生產(chǎn)規(guī)模等因素都會對成型過程和產(chǎn)品的性能產(chǎn)生一定的影響。而擠壓成型是其中影響最大的一環(huán)，也是整個工藝中最為關(guān)鍵的步驟。
1.1.3炭化成型工藝
根據(jù)工藝流程不同，炭化成型工藝分為兩類：一類是先成型后炭化，其工藝流程為：原料→粉碎干燥→成型→炭化 冷卻包裝；另一類是先炭化后成型，其工藝流程為：原料→粉碎除雜→炭化→混合膠黏劑成品干燥、包裝。先炭化后成型時由于原料的纖維結(jié)構(gòu)在炭化過程中受到破壞，纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等受熱裂解轉(zhuǎn)換成炭并釋放出揮發(fā)分，其中包括可凝性和不可凝性兩種組分，因而原料更易擠壓成型，成型部件的機(jī)械磨損和擠壓加工過程中的功率消耗明顯降低。炭化后的原料在擠壓成型后強(qiáng)度較差，容易破碎，一般要通過加入一定量的粘結(jié)劑來增加其強(qiáng)度，改善其在儲存、運(yùn)輸和使用中的穩(wěn)定性與密實度。此外還可通過提高成型壓力的方法來保證成型塊的儲存和使用性能，但這將提高生產(chǎn)成本。從成型燃料的熱值、環(huán)保性及總造價方面考慮，目前較多地應(yīng)用熱壓成型工藝。
2、成型設(shè)備的研究現(xiàn)狀
國外對生物質(zhì)（包括農(nóng)林剩余物）壓縮成型技術(shù)的研究較早，在20世紀(jì)30年代美國就開始研究生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)，成功研制出螺旋擠壓成型設(shè)備。20世紀(jì)50年代至80年代日本在引進(jìn)壓縮成型技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，研制成功棒狀燃料成型技術(shù)與顆粒成型燃料成型技術(shù)及相應(yīng)燃燒設(shè)備，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展成日本壓縮成型燃料工業(yè)體系。早在1984年，日本的生物質(zhì)壓縮成型燃料生產(chǎn)廠家達(dá)到172家之多，生產(chǎn)總量達(dá)2.6×105t。芬蘭、比利時、法國、德國、意大利等國在20世紀(jì)70年代后期，鑒于世界能源危機(jī)和石油價格上漲，開始重視壓縮成型燃料技術(shù)的研究。20世紀(jì)80年代，亞洲的泰國、印度、菲律賓等國也都先后開始研究并研制了加粘結(jié)劑的生物質(zhì)壓縮成型顆粒機(jī)。
我國生物質(zhì)壓縮技術(shù)始于“七五”計劃期間，現(xiàn)己達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模。由于各國產(chǎn)業(yè)情況不同，國外的技術(shù)與設(shè)備并不完全適合我國的產(chǎn)業(yè)需求。在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實際情況改進(jìn)和研制適合我國使用的成型技術(shù)和設(shè)備，目前已研制成功并投入生產(chǎn)的主要成型設(shè)備有：螺旋擠壓式成型顆粒機(jī)、活塞沖壓式成型顆粒機(jī)和壓輥式顆粒成型顆粒機(jī)三種。
2.1螺旋擠壓式成型顆粒機(jī)
螺旋擠壓式成型顆粒機(jī)利用螺桿擠壓生物質(zhì)，靠外部加熱，維持成型溫度為150～300℃，使木質(zhì)素、纖維素等軟化，將生物質(zhì)擠壓成棒狀。成型燃料形狀通常為直徑50～60mm或80-90mm的空心燃料棒，成型燃料的長度可根據(jù)使用要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。
螺旋擠壓機(jī)通常存在擠壓頭易磨損的問題。湯輝、高宇明等針對這一問題，對螺旋擠壓機(jī)進(jìn)行了重新設(shè)計，螺旋軸及葉片采用耐高溫、耐磨材質(zhì)的沉淀硬化不銹鋼，并從結(jié)構(gòu)上考慮了檢修方便、更換容易，提高了螺旋擠壓機(jī)的生產(chǎn)效率。
螺旋擠壓機(jī)的螺旋軸容易出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，嚴(yán)重影響擠壓機(jī)的連續(xù)生產(chǎn)性能。嚴(yán)永林通過對生物質(zhì)固化成型技術(shù)的成型原理和工藝過程的分析，提出在飛輪和螺旋軸之間增加齒輪減速機(jī)構(gòu)，這一措施可使螺旋軸在相同功率條件下獲得更大的扭矩，從而避免卡死。
中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所研制成功了螺旋擠壓式棒狀燃料成型顆粒機(jī)。西北農(nóng)林科技大學(xué)研制出了JX7.5、JX11和SZJ80A_種植物燃料成型顆粒機(jī)。
欒明奕、王文、李清泉將遠(yuǎn)紅外加熱技術(shù)應(yīng)用到生物質(zhì)成型燃料擠壓成型顆粒機(jī)上，并采用雙螺桿設(shè)計，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位。
2.2活塞沖壓式成型顆粒機(jī)
活塞沖壓式成型顆粒機(jī)按驅(qū)動動力的不同分為兩類：一類是用發(fā)動機(jī)或電動機(jī)通過機(jī)械傳動驅(qū)動成型顆粒機(jī)的，即機(jī)械驅(qū)動活塞式成型顆粒機(jī)，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動沖桿做高速往返運(yùn)動，產(chǎn)生沖壓力將生物質(zhì)壓縮成型；另一類是用液壓機(jī)械驅(qū)動的，即液壓驅(qū)動活塞式成型顆粒機(jī)。這類成型顆粒機(jī)通常不用電加熱，成型物密度稍低，容易松散。
中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制了CYJ-35型沖壓式成型顆粒機(jī)，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了PB-I型沖壓式成型顆粒機(jī)等。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)1999年對HPB-I型生物質(zhì)成型顆粒機(jī)進(jìn)行了應(yīng)用研究，研制出往復(fù)式活塞雙向擠壓成型顆粒機(jī)構(gòu)。該成型顆粒機(jī)由于采用了雙向擠壓技術(shù)，顯著提高了易損件的使用壽命，同時大大降低了單位產(chǎn)品能耗，提高了生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益明顯，推廣前景廣闊。
2.3壓輥式成型顆粒機(jī)
壓輥式成型顆粒機(jī)主要用于生產(chǎn)顆粒狀成型燃料，成型顆粒機(jī)的基本部件由壓輥和壓模組成，其中壓輥可以繞軸轉(zhuǎn)動，壓輥的外周加工有齒或槽，用于壓緊原料而不致打滑。壓模有圓盤形或圓環(huán)形兩種。原料進(jìn)入壓輥和壓模之間，在壓輥的作用下被壓入成型孔內(nèi)。用壓輥式成型顆粒機(jī)生產(chǎn)顆粒成型燃料一般不需要外部加熱，可根據(jù)原料狀況添加少量粘結(jié)劑，對原料的含水率要求較寬，一般在10%～40%均能很好成型。
黑龍江省畜牧機(jī)械化研究所于曉波等對9KL-380型秸稈飼料壓塊機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)的試驗研究，通過分析不同壓輥直徑以及原料含水率對成型塊質(zhì)量及生產(chǎn)率的影響，進(jìn)而確定設(shè)備的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)與物料的最佳成型水分范圍。
清華大學(xué)清潔能源研究與教育中心以車戰(zhàn)斌為主的研究小組，在2004年通過對生物質(zhì)原料纖維結(jié)構(gòu)的研究和分析，研制出了常溫成型顆粒燃料生產(chǎn)設(shè)備。該設(shè)備可將自然干燥含水率狀態(tài)下細(xì)小顆粒或纖維狀原料壓制成顆粒燃料。由于原料只需自然干燥，大大降低了能耗與生產(chǎn)成本，其生產(chǎn)的顆粒成型燃料強(qiáng)度、熱值均大于國外同類產(chǎn)品，具有良好的推廣前景。
針對成型設(shè)備存在的各種問題，我國學(xué)者做了大量試驗研究，改進(jìn)了設(shè)備的關(guān)鍵部件，綜合各類型設(shè)備的優(yōu)點，相互借鑒，解決了生產(chǎn)中存在的突出問題。但生產(chǎn)率低的問題仍未得到有效解決，同時與生物質(zhì)成型燃料相配套的專用燃燒設(shè)備仍需改進(jìn)，整個產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)仍需進(jìn)一步完善。在原料、設(shè)備、市場等各方面的推動下，壓縮成型技術(shù)將得到長足的發(fā)展。
3、結(jié)論
農(nóng)林剩余物作為生物質(zhì)能源的重要組成部分，已在逐漸替代化石能源。壓縮成型技術(shù)是實現(xiàn)其高效利用的重要途徑。本文從工藝、成型設(shè)備和燃燒設(shè)備三方面介紹了該技術(shù)的應(yīng)用情況和研究進(jìn)展。我國在此領(lǐng)域起步較晚，與國際先進(jìn)水平還存在一定差距。在政府相關(guān)政策支持下，通過引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，加速農(nóng)林剩余物致密轉(zhuǎn)化的科研攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，農(nóng)林剩余物將成為化石能源的有效替代。
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