生物質壓縮成型技術及經濟分析

文 劉洋 遼寧工程技術大學機械工程學院

我國農村秸稈資源非常豐富，長期以來農村一直使用薪材和秸稈作為主要生活用能。目前生物質能仍占農村能源消費量的很大比重，但絕大部分是未經處理的直接燃燒，一般熱利用率僅為10%～15%，資源浪費嚴重，而且造成土壤有機質含量減少（燃燒而沒回收），肥力減弱。同時直接燃燒釋放大量污染物危害健康，污染環境。

農村現存有大量的可用生物質能，主要包括秸稈、稻殼、樹枝、樹葉、木屑及木材加工邊角料等。這些廢棄物松散、分布范圍廣，收集、運輸和儲藏難度非常大，不利于集中大規模的用于利用。但我們可以在一定范圍內實行小工廠加工，避免大規模的利用帶來的收集、運輸困難，生物質壓縮成型技術經過多年的發展，已經趨于成熟，小規模生產可以在現有的條件下實現，且有較好的前景。

1 生物質壓縮成型技術

生物質燃料是生物質資源的重要組成部分，在可再生能源中占有非常重要的地位，其特點是種類多、數量大、分布廣、具有可再生性等。但生物質燃料是以散拋型、低密度的能源形式存在的，所以資源分散、能量密度低、儲運不方便，這些缺點嚴重地制約了生物質燃料的大規模應用，不利于集中大規模發電等的應用。

1.1 生物質壓縮成型技術原理

生物質成型燃料是將各種分散的、沒有一定形狀的秸稈經干燥、粉碎到一定粒度后，在一定的溫度、濕度和壓力條件下，擠壓成規則的、較大密度的棒狀、塊狀、球狀或顆粒狀的固體材料。壓縮成形的這些固體材料密度可達1.1～1.4t/m3，體積比壓縮前縮小6～8倍，能源密度相當于中等質量的煙煤，燃燒過程中，爐膛溫度高、火力持久，燃燒特性得到明顯改善。

生物質成型原料主要是一些纖維素類原料，纖維素類生物質包含纖維素、半纖維素、木質素(占植物體成分2/3以上)。 純纖維素程白色，密度1.5～1.56g/cm3，比熱0.32～0.33kJ/kg·K；半纖維素，穿插于纖維素和木質素之間，結構復雜，酸性、加熱條件下能發生水解，產物為單糖；木質素，是一類以苯基丙烷為骨架，具有網狀結構的無定形高分子化合物，不同植物木質素含量、組成不盡相同。木質素不易溶于水及任何有機溶劑，非晶體，沒有熔點，70～110℃左右軟化，黏合力增加，此外200～300 ℃時軟化程度加劇，施加一定壓力，無需黏結劑，即可得到與擠壓模具形狀一致的成型燃料。

1.2 生物質壓縮成型的工藝類型

根據主要工藝特征的差別，生物質壓縮工藝可劃分為濕壓成型、熱壓成型、炭化成型三種基本類型。

（1）濕壓成型

濕壓成型是將原料在常溫下浸飽數日，使其濕潤皺裂并部分降解,然后利用高壓將其水分擠出,壓縮成燃料塊。濕壓成型燃料塊密度較低，設備簡單，易操作，但部件磨損較快，烘干費用高，且多數產品燃燒性能較差。

（2）熱壓成型

熱壓成型是目前普遍采用的生物質壓縮成型工藝。其工藝過程一般可分為原料粉碎、干燥混合、擠壓成型和冷卻包裝等幾個環節。由于原料的種類、粒度、含水率等因素對成型工藝過程有一定的影響，所以具體的生產工藝流程以及成型機結構和原理也有一定的差別,但是擠壓成型作業在各種成型方式中都是關鍵。

熱壓成型機械主要有螺旋擠壓成型機、機械（液壓）驅動活塞式成型機。

（3）炭化成型

炭化成型有兩種情況：一種是指先用成型機將物料壓縮成燃料棒，再用炭化爐將燃料棒炭化成木炭的過程。這種工藝沒有將物料壓縮成型與炭化過程結合起來，兩者相對獨立。第二種情況則是將壓縮成型和熱解炭化有機結合，采用柱塞式壓縮成型機壓縮，柱塞將物料沿著壓縮套筒推人熱解筒內。通過間接加熱方式由電熱爐向熱解筒提供熱量，物料在套筒設定的溫度內被炭化，得到所需的相應產物。一般都需加入一定的黏結劑，若不使用黏結劑，成型燃料容易破損、開裂。后期不易貯存。

1.3 生物質壓縮成型機械

目前世界各地研制生產的生物質壓縮成型機械設備按照機械作用原理可以分為三類，即螺旋擠壓成型、活塞壓縮成型和模壓成型。

（1）螺旋擠壓式成型機

螺旋擠壓式成型機開發應用最早，當前應用最為普遍。其主要原理：成型原料依靠重力落入螺旋壓縮成型機械中，錐形螺桿在其他動力機械的帶動下，推動成型原料進入橫截面積漸漸變小的壓縮成型筒內，成型物料在錐形螺桿和壓縮成型筒的作用下，內壓應力越來越大，在壓縮成型筒的頂端達到最大內壓應力而成型，再經過一段應力松弛段，被推出螺旋擠壓成型機械，成為成型物料。

這類成型機運行平穩、生產連續好，主要問題一個是成型部件，尤其是螺桿磨損嚴重，使用壽命短；另一個問題是單位產品能耗高。為了解決螺桿首端承磨面磨損嚴重這一問題，現在大多采用噴焊鎢鉆合金，焊條堆焊或碳化鎢，或是采用局部滲硼處理和振動堆焊等方法對螺桿成型部位進行強化處理。

（2）活塞壓縮成型機

其產品是壓縮塊，成型是靠活塞的往復運動實現的。

按驅動動力可以分為兩類：一類是機械驅動活塞式成型機；另一類是液壓驅動活塞式成型機。較錐形螺桿干摩擦損耗，活塞壓縮成型技術磨損較小。根據推動活塞的裝置不同，活塞壓縮成型技術又分為飛輪活塞壓縮和液壓活塞壓縮兩種。飛輪活塞壓縮依靠存儲于飛輪中的轉動動能壓縮成型原料，但其設備龐大，震動強烈而且噪音劇烈，推廣和應用都有一定困難。液壓活塞壓縮裝置則避免了飛輪活塞壓縮設備的上述缺點，但是由于生物質壓縮成型時，物料表觀密度增加很多，因此液壓機械行程很大，導致液壓活塞壓縮裝置生產率不高。

（3）模壓成型機

目前使用的模壓成型機主要有平模顆粒機和環模顆粒機兩種，都是根據飼料顆粒成型機改造而來的。

環模顆粒機產量大、耗電少，這是平模顆粒機無法比擬的。而平模顆粒機由于轉速低等原因，使得其產量小于環模顆粒機，同時由于其轉速低壓力大，因此壓制的顆粒密度很大。而對于木屑、秸稈等難成型的粗纖維，則正需要很大的壓力。環模顆粒機由于其結構限制，壓力不可調，壓制這些物料時就會超出壓力負荷，導致模具壓輪軸承磨損或壞掉。而平模顆粒機結構簡便，壓力可調，產量穩定，顆粒密度大，并且模具正反面都可以使用。同時，平模壓輪直徑的大小不受模具直徑限制，可以加大內裝軸空間，選用大號軸承增強壓輪的承受能力，既提高了壓輪的壓制力又延長了使用壽命。

表1 生物質成型燃料工業分析

模壓成型機主要生產顆粒狀成型燃料，不用電加熱。主要用于木屑加工或造紙廠秸稈碎屑的加工。

2 生物質壓縮成型技術的可行性

經過多年的研究與試驗，國內部分成型設備及其配套產品已逐漸發展成熟，生物質成型燃料在我國一些地區已開始進行批量生產，并形成研究、生產和開發的良好勢頭，生物質燃料壓縮成型技術的應用逐步完善。

2.1 生物質成型燃料分析

經測定某廠生物質壓縮成型機械生產生物質燃料的工業分析如表1。

從表1可看出，生物質燃料的熱值比較高，其灰分含量低且成分單一，揮發分高，易燃，易燃盡，燃燒時間較長；含硫量少，清潔，可作為煤的很好替代物，在農村供暖時成為主要的燃料。

2.2 生物質壓縮成型技術應用經濟性分析

根據河北省張家口市某村(221戶)的實際調查情況進行經濟分析。此地區的主要種植作物為玉米，為密集種植，一般每畝地種植玉米3000～3500株，保守估計可產干玉米秸稈及玉米芯750kg/畝，家庭的平均種植面積在10畝左右。因此，有大量的秸稈和玉米芯可供應生物質壓縮成型。同時本地區人們習慣在每年11月左右入冬時節買煤，作為生活爐供暖用，供暖時間為140天左右。經調查，用煤量為每戶平均為2t左右，且近幾年隨人們生活水平的提高，改用水暖氣供暖，每戶的用煤量有所增加，但近些年煤炭價格一直上漲，燃用的煤炭質量卻不斷下降，居民需要一種可以替代的燃料。

生物質壓縮成型燃料具有燃料揮發分高，水分含量較少（可控），灰分少，較為耐燃，根據熱值考慮如果家庭使用生物質壓縮成型燃料，則每戶每年燃料燃用量約4t，考慮與煤的混合燃燒，則燃料用量大概是3t左右，某村的生物質成型燃料總需求量約600t。

因此，結合本村及周邊村莊的實際情況，選用2臺秸稈粉碎機，總產量為1.5t/h，總功率為30kW；一套成型機械總生產功率為75kW，生產線總投資為20萬元左右。

由于只進材料的加工，這樣就可以忽略原料的成本費、力費用和廠房費用等。因此，其成本為能耗按60元/h計算，加工利潤為200元/t；設備生產率為1t/h，工作時間150d/a，每天工作時間16h（兩班制）。則年利潤=140元×16h×150d=33.6萬元。

而且，生物質成型燃料項目作為可再生能源項目之一，享受國家免稅政策。因此一年可收回成本，實現凈利潤。

3 結論

生物質壓縮成型燃料主要利用農業秸稈、木材加工和林木修剪等制作，一方面克服了生物質體積大、能量密度低，不易運輸的缺點；另一方面保持了生物質揮發性高、易燃燒、灰分少、排放低，不造成環境污染等優點。同時，生物質燃料燃燒后的灰燼是品位極高的優質有機鉀肥，可回收創利。所以，生物質原料壓縮成型燃料在我國農村、城鎮中實行產業化有著廣闊的發展前景。