中國生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)和產(chǎn)業(yè)

趙立欣，孟海波，姚宗路，田宜水

(農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125)

1 前言

當(dāng)今，全球氣候變化形勢十分嚴(yán)峻，已成為世界發(fā)展面臨的共同難題[1]。2009年12月，中國政府在哥本哈根氣候大會(huì)上自愿做出減排承諾:到2020年，在2005年的基礎(chǔ)上削減碳排放40% ～45%。發(fā)展包括生物質(zhì)能在內(nèi)的可再生能源已成為我國當(dāng)前刻不容緩的任務(wù)，不僅有利于優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，緩解能源緊張的局面;而且減少溫室氣體排放，有助于國家完成自愿減排的國際義務(wù)[2，3]。

生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)，即在一定溫度和壓力作用下，利用木質(zhì)素充當(dāng)粘合劑將松散的秸稈、樹枝和木屑等農(nóng)林生物質(zhì)壓縮成棒狀、塊狀或顆粒狀等成型燃料。壓縮后的成型燃料體積縮小6～8倍，能源密度相當(dāng)于中質(zhì)煙煤，提高了運(yùn)輸和貯存能力;燃燒特性明顯得到了改善，提高了利用效率，是生物質(zhì)能開發(fā)利用技術(shù)的主要發(fā)展方向之一[4]。生物質(zhì)成型燃料不僅可以為家庭提供炊事、取暖用能，也可以作為工業(yè)鍋爐和電廠的燃料，替代煤、天然氣、燃料油等化石能源，近年來越來越受到人們的廣泛關(guān)注[5]。

我國農(nóng)作物秸稈數(shù)量大、種類多、分布廣，每年秸稈理論資源量約為8.20億 t[6]。近年來，秸稈出現(xiàn)了地區(qū)性、季節(jié)性、結(jié)構(gòu)性過剩，大量秸稈資源未被利用，浪費(fèi)較嚴(yán)重。加快推進(jìn)秸稈固體成型燃料的利用，實(shí)現(xiàn)秸稈資源化、商品化，變廢為寶，化害為利，對(duì)于提高農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力，促進(jìn)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)健康發(fā)展，增加農(nóng)民收入，減少污染，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)具有十分重要的意義。另外，廣大農(nóng)村生活燃料仍以秸稈和薪柴為主，秸稈經(jīng)固化后變成優(yōu)質(zhì)的清潔能源，可以提高農(nóng)民的用能品位，改善居室環(huán)境，提高生活水平，有利于促進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)。

擬通過綜述國內(nèi)外生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，評(píng)價(jià)不同的成型技術(shù)以及燃燒技術(shù)，介紹了標(biāo)準(zhǔn)制定情況，最后指出技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的主要問題，并指出了下一步發(fā)展方向。

2 國內(nèi)外產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外

目前，歐盟主要以木質(zhì)生物質(zhì)為原料生產(chǎn)顆粒燃料，其成型燃料技術(shù)及設(shè)備的研發(fā)已經(jīng)趨于成熟，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系也比較完善，形成了從原料收集、儲(chǔ)藏、預(yù)處理到成型燃料生產(chǎn)、配送和應(yīng)用的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)模式。2009年，歐盟生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)量達(dá) 452.85萬 t，消費(fèi)量為496.68萬t，現(xiàn)有顆粒燃料生產(chǎn)廠847家，生產(chǎn)能力約714.2萬t[7]。其中，瑞典生物質(zhì)顆粒燃料的產(chǎn)量約157.6萬 t，消費(fèi)量約191.8萬 t，位居世界首位。生產(chǎn)的顆粒燃料除通過專門運(yùn)輸工具定點(diǎn)供應(yīng)發(fā)電和供熱企業(yè)外，還以袋裝的方式在市場上銷售，已經(jīng)成為許多家庭首選的生活用燃料。2008年，瑞典約有12萬戶使用顆粒燃料鍋爐，2萬用戶使用顆粒燃燒爐，另外，還有4000個(gè)中型鍋爐使用顆粒燃料[8]。生物質(zhì)固體成型燃料也成為全球貿(mào)易的對(duì)象，如加拿大等林業(yè)資源豐富的國家具有非常大的生產(chǎn)潛力，而瑞典、丹麥則是重要的消費(fèi)國[9～11]。

2.2 國內(nèi)

近年來，國家高度重視秸稈能源化利用工作，相繼出臺(tái)了一系列政策法規(guī)，鼓勵(lì)和支持相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。財(cái)政部出臺(tái)了《秸稈能源化利用補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，擬采取綜合性補(bǔ)助方式，支持從事秸稈成型燃料、秸稈氣化、秸稈干餾等秸稈能源化生產(chǎn)的企業(yè)收集秸稈、生產(chǎn)秸稈能源產(chǎn)品并向市場推廣。我國生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)得到明顯的進(jìn)展，生產(chǎn)和應(yīng)用已初步形成了一定的規(guī)模。截至2009年底，國內(nèi)有生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)廠260余處，生產(chǎn)能力約 76.6 萬 t/a。[12]，主要用于農(nóng)村居民炊事取暖用能、工業(yè)鍋爐和發(fā)電廠的燃料等。相當(dāng)于替代38.3萬tce，減少溫室氣體排放83萬t/a，為農(nóng)民增收節(jié)支2.3億元，社會(huì)、生態(tài)和環(huán)境效益顯著。

3 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 固體成型技術(shù)

生物質(zhì)固體成型技術(shù)主要分為壓模輥壓式成型機(jī)、活塞式成型機(jī)和螺旋擠壓式成型機(jī)等幾種形式[5]。其中，壓模輥壓式成型機(jī)分為環(huán)模壓輥成型機(jī)和平模壓輥成型機(jī)等。活塞沖壓式成型機(jī)按驅(qū)動(dòng)動(dòng)力不同可分為機(jī)械活塞式成型機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)兩種類型。各類固體成型技術(shù)綜合比較見表1。

表1 各類固體成型技術(shù)綜合比較一覽表[5] Table 1 Comparison of various types densified technology[5]

國外模輥式成型機(jī)設(shè)備制造比較規(guī)范[13]，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)技術(shù)大部分已經(jīng)成熟，瑞士Buhler Inc.公司、英國的UMT Andritz Group公司、丹麥的Sprout－Matador公司以及瑞典的 Sweden Power Chippers AB公司等多采用模輥式成型技術(shù)，生產(chǎn)生物質(zhì)固體成型燃料成型機(jī)，關(guān)鍵部件壽命達(dá)到1000 h以上，生產(chǎn)率達(dá)到2 t/h以上，并達(dá)到規(guī)模化和商品化。但這些成型機(jī)以木屑等林業(yè)剩余物為主要原料，且設(shè)備價(jià)格高，并不適合我國以秸稈為原料的國情。

與螺旋擠壓式和活塞沖壓式成型技術(shù)比較而言，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、粘結(jié)劑的常溫壓縮成型，生產(chǎn)率較高，具備了規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展條件，是產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重點(diǎn)[14，15]。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院研發(fā)了適宜于農(nóng)作物秸稈的HM－485型環(huán)模式成型機(jī)，生產(chǎn)率達(dá)到1.5 t/h，關(guān)鍵部件壽命達(dá)到400 h以上，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t的生物質(zhì)固體成型燃料生產(chǎn)線并投產(chǎn)運(yùn)行[16]。吉林輝南宏日新能源公司初步建立了林木收集、顆粒燃料加工、鍋爐配套、供熱服務(wù)相銜接的木質(zhì)成型燃料供熱運(yùn)營商業(yè)模式，2008年起在長春開展供熱運(yùn)營示范，總供熱面積8萬m2[20]。

3.2 燃燒技術(shù)

針對(duì)生物質(zhì)固體成型燃料的種類、熱值、灰分含量、顆粒尺寸和加熱系統(tǒng)，各國也分別開發(fā)了不同的采暖爐和熱水鍋爐，而且可以應(yīng)用配套的自動(dòng)上料系統(tǒng)。國外具有代表性的燃燒器生產(chǎn)廠商有Ulma AB、Janfire AB、Pelltech LTD 等，其產(chǎn)品主要以 φ6～8 mm的木質(zhì)顆粒為燃料，輸出功率在12～80 kW，平均燃燒效率大于85%[17～19]。這些燃燒器及鍋爐主要采用木質(zhì)顆粒作為燃料，木質(zhì)顆粒具有熱值高、灰分低、灰熔點(diǎn)較高、燃燒后不易結(jié)渣等優(yōu)點(diǎn)，因此國外燃燒設(shè)備在設(shè)計(jì)方面沒有專門的破渣、清灰機(jī)構(gòu)，多采用人工清灰，間隔在1～2周。生物質(zhì)顆粒燃燒器的形式較多，分類方式也有多種。根據(jù)喂料方式的不同，顆粒燃燒器主要可以分為3種類型:上進(jìn)料式、底部進(jìn)料式和水平進(jìn)料式，見圖1。

圖1 燃燒器的三種進(jìn)料形式[20] Fig.1 Three feeding forms of the burner[20]

我國生物質(zhì)固體成型燃料配套燃燒設(shè)備的研發(fā)也取得一定的進(jìn)展，開發(fā)了秸稈固體成型燃料炊事爐、炊事取暖兩用爐、工業(yè)鍋爐等專用爐具[21]。北京萬發(fā)爐業(yè)中心研發(fā)的燃用秸稈類顆粒燃料的暖風(fēng)壁爐、水暖爐、炊事爐等一系列爐具，吉林華光生態(tài)工程技術(shù)研究所研發(fā)的暖風(fēng)壁爐和炊事采暖兩用爐等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)較早地進(jìn)行了生物質(zhì)燃料的流化床燃燒技術(shù)研究，并先后與無錫鍋爐廠、杭州鍋爐廠合作開發(fā)了不同規(guī)模、不同爐型的生物質(zhì)燃燒鍋爐。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制出雙層爐排生物質(zhì)成型燃料鍋爐，浙江大學(xué)研制出燃用生物質(zhì)秸稈顆粒燃料的雙膽反燒鍋爐等。國內(nèi)也引進(jìn)一些以生物質(zhì)顆粒為燃料的燃燒器，但這些燃燒器的燃料適應(yīng)范圍很窄，只適用于木質(zhì)顆粒，改燃秸稈類顆粒時(shí)易出現(xiàn)結(jié)渣、堿金屬及氯腐蝕、設(shè)備內(nèi)飛灰嚴(yán)重等問題，而且這些燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗高、價(jià)格昂貴，不適合我國國情，因此沒有得到大面積推廣。

生物質(zhì)顆粒燃料尺寸較為單一、均勻，因此可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)料連續(xù)燃燒，燃燒效率通常能達(dá)到86%以上。通過與不同用途的設(shè)備(如鍋爐、壁爐、熱風(fēng)爐等)配套使用，燃燒器可以應(yīng)用到取暖、炊事、干燥等各個(gè)領(lǐng)域，將是未來發(fā)展的方向。

4 標(biāo)準(zhǔn)體系

在標(biāo)準(zhǔn)方面，歐盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN)委托瑞典標(biāo)準(zhǔn)所(Swedish Standards Institute)組建歐盟固體生物質(zhì)燃料標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(CEN/TC 335)，已發(fā)布了30個(gè)技術(shù)規(guī)范，分為術(shù)語，規(guī)格、分類和質(zhì)量保證，取樣和樣品準(zhǔn)備，物理(或機(jī)械)試驗(yàn)，化學(xué)試驗(yàn)等5個(gè)方面[22，23]。美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)于1985年成立了E48生物技術(shù)委員會(huì)，下設(shè)E48.05生物轉(zhuǎn)化子委員會(huì)，共制訂了9項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，主要適用于生物質(zhì)水分、灰分、揮發(fā)分、元素分析、堆積密度等特性的測定[24]。

我國已制定《生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)條件》(NY/T 1878－2010)、《生物質(zhì)固體成型燃料采樣方法》(NY/T 1879－2010)、《生物質(zhì)固體成型燃料樣品制備方法》(NY/T 1880－2010)、《生物質(zhì)固體成型燃料試驗(yàn)方法》(NY/T 1881－2010)、《生物質(zhì)固體成型燃料成型設(shè)備技術(shù)條件》(NY/T 1882－2010)、《生物質(zhì)固體成型燃料成型設(shè)備試驗(yàn)方法》(NY/T 1883－2010)等13項(xiàng)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并于2010年5月20日以農(nóng)業(yè)部公告第1390號(hào)發(fā)布，這標(biāo)志著我國生物質(zhì)固體成型燃料標(biāo)準(zhǔn)體系初步形成。

5 存在的主要問題

5.1 國家引導(dǎo)投入不足

我國秸稈年產(chǎn)量8.2億t，可用于成型的秸稈量約2億t，目前實(shí)際用于成型的秸稈量不足80萬t，總量明顯偏低，迫切需要國家財(cái)政給予資金引導(dǎo)和扶持，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，但目前國家在這方面投入還不足。

5.2 缺乏綜合性的研發(fā)與轉(zhuǎn)化平臺(tái)

目前，國內(nèi)從事生物質(zhì)固體成型燃料研究的機(jī)構(gòu)多是一些大專院校為了科研與教學(xué)的需要而成立的，研究力量相對(duì)薄弱而又分散，普遍存在著重復(fù)研究和資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，還沒有形成一個(gè)集研發(fā)與中試為一體的工程技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，難以集中力量對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)和中試轉(zhuǎn)化。

5.3 核心技術(shù)還不完善

包括農(nóng)作物秸稈的收集、儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)體系不完善，機(jī)械化水平低;成型設(shè)備機(jī)組可靠性能較差，模具磨損嚴(yán)重;設(shè)備能耗過高;設(shè)備系統(tǒng)配合協(xié)調(diào)能力差;成型設(shè)備的原料適應(yīng)能力差;秸稈的堿金屬元素含量高，使用時(shí)結(jié)渣現(xiàn)象嚴(yán)重，不僅降低了燃燒效率，而且還降低了燃燒設(shè)備的性能和使用壽命[25～27];沒有建立科學(xué)完善的服務(wù)管理體系等。

6 對(duì)策與建議

生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)是生物質(zhì)開發(fā)利用主要方向之一。國外生物質(zhì)能固體成型燃料技術(shù)及設(shè)備已經(jīng)趨于成熟，形成了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的成熟技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)模式。我國已形成了良好的政策法規(guī)環(huán)境，生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)已趨于成熟。但還存在一定的問題。特提出如下建議。

6.1 加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)

重點(diǎn)支持一些科研單位，組建國家級(jí)生物質(zhì)固體成型燃料實(shí)驗(yàn)室，開展關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研發(fā)和推廣，攻克機(jī)組運(yùn)行可靠性、易損件使用壽命、維修方便性、降低能耗等問題，努力降低造價(jià)，使成型機(jī)和爐具以及成型燃料盡快進(jìn)入商業(yè)化階段;逐步完善現(xiàn)有技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備生產(chǎn)規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化，形成完善的設(shè)備生產(chǎn)、產(chǎn)品配送體系，在生產(chǎn)實(shí)踐中提高并考驗(yàn)生物質(zhì)固體成型技術(shù)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，有效降低生物質(zhì)固體成型燃料的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的科技支撐。

6.2 完善政策措施

對(duì)購置成型燃料專用爐具和使用成型燃料的農(nóng)戶給予財(cái)政補(bǔ)貼，引導(dǎo)和鼓勵(lì)農(nóng)民使用秸稈成型燃料。

6.3 開展試點(diǎn)示范

我國幅員遼闊，各地區(qū)氣候特點(diǎn)、資源稟賦和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異很大。生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)及運(yùn)行模式需要在不同地區(qū)進(jìn)行技術(shù)適用性、工程應(yīng)用模式以及綜合配套技術(shù)的完善。建議在全國的典型地區(qū)對(duì)不同原料、不同用途、不同運(yùn)行模式的秸稈固體成型燃料技術(shù)進(jìn)行試點(diǎn)，驗(yàn)證工藝和設(shè)備的可靠性、可行性及適用性，為下一步大面積推廣提供技術(shù)支持和管理經(jīng)驗(yàn)。

7 結(jié)語

我國《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》提出，力爭到2020年秸稈固體成型燃料年利用量達(dá)到5000萬t。農(nóng)業(yè)部《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》也提出，到2015年，秸稈固化成型燃料年利用量達(dá)到2000萬t左右，未來發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｍㄟ^發(fā)展生物質(zhì)固體成型燃料產(chǎn)業(yè)，有利于保障國家能源安全，增加農(nóng)民收入，改善農(nóng)民生活條件，為減少溫室氣體排放作出貢獻(xiàn)。

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