生物質固化成型燃料生產現狀與發展對策

吳再興，陳玉和，包永潔，陳章敏，李 能

（國家林業局竹子研究開發中心，浙江 杭州 310012）

生物質固化成型燃料生產現狀與發展對策

吳再興，陳玉和，包永潔，陳章敏，李 能

（國家林業局竹子研究開發中心，浙江 杭州 310012）

介紹了國內外生物質固化成型燃料的生產現狀，從生產設備、原料、工藝、市場、應用技術與設備5個方面分析了生物質固化成型燃料生產與進一步發展存在的問題，并提出了相應的對策。

固化成型燃料；挑戰；對策

生物質固化成型燃料，也稱為固體成型燃料，是將作物秸稈、稻殼、木屑等農林廢棄物粉碎后，送入成型器械中，在外力作用下，壓縮成需要的形狀以作為燃料直接燃燒，也可進一步加工，形成生物炭[1]；或者將農林廢棄物炭化后再膠合成型燃料，形狀有塊狀、棒狀或顆粒狀（木質顆粒燃料）等[2]。生物質廢棄對環境會造成污染，利用生物質既能解決污染，又能產生一定的經濟收益[3]；同時，生物質燃料替代煤炭等不可再生燃料，有利于保護環境[1]，減少碳排放。但原始狀態的生物質不容易利用[4]，傳統低效的生物質燃燒產生的有害煙霧造成室內空氣污染，對健康形成威脅[5]。固化成型后有利于燃料的儲存、運輸[1,6]、處理及加工[4]，與傳統的直接燃燒相比，固化成型燃料能提高能源利用率57% ~ 79%[1]，燃燒排放的污染物低于煤，是一種高效、潔凈的可再生能源[1]，與燃煤發電相比，生物質固化成型燃料發電可減少溫室氣體排放70% ~ 94%[7]；與天然氣相比，木質顆粒燃料供暖能減少26.6%的碳排放[8]；環境效益顯著。竹材、木材等木質產品加工的剩余物和產品廢棄后也可用于生物質固化成型燃料的生產，既解決廢棄物的污染，又能降低生物質固化燃料的原料成本，達成竹木材料的全面利用和全生命周期利用。

1 現狀與發展目標

在國外，固化成型燃料技術已基本成熟，如丹麥、德國、比利時、美國、日本等國家已實現了工廠化生產，其產品主要用于取暖爐、鍋爐發電等。2010年全球生產木質顆粒燃料1 430萬t，消耗1 350萬t，主要用于住宅供暖、區域供熱和混燃鍋爐用；歐盟是木質顆粒燃料的最大市場，北美以出口為主，但美國國內木質顆粒燃料消耗也很大，預計在不遠的將來，東亞將成為木質顆粒燃料的第二大市場[9]。到2020年，根據歐盟的生物質能占20%的目標（2008年的水平為8.4%，木質顆粒燃料占0.2%），考慮到林業提供原材料的能力，木質顆粒燃料的需求將增加2 500萬t，占總能源消費的0.6%[10]。目前，我國研究和開發出的生物質固化成型機也已應用于生產，生產的致密成型燃料，已應用于取暖和小型鍋爐。但是直到2008年，2億農戶中仍有近50%依靠燃燒薪柴和農業廢棄物取暖和炊事——這是對環境和健康真實而嚴重的威脅，2003年中國排放的溫室氣體20%來自農業，廢棄的生物質對環境也產生了危害；傳統低效的生物質燃燒產生的有害煙霧造成室內空氣污染，對健康形成威脅[5]。根據農業部制定的《農業生物質能產業發展規劃（2007－2015年）》以及中央政府發布的能源和生物質2020年總體發展目標，秸稈固體成型燃料2010年目標為100萬t[11]，2015年2 000萬t，2020年5 000萬t[12]。

2 主要問題與對策

2.1 生產設備方面

一是易損部件磨損快，維修費用高。對于螺旋擠壓成型機，由于螺桿與物料始終處于高速摩擦狀態，導致壓縮區（高溫、高壓）螺紋的磨損非常嚴重，目前國內外的工藝技術條件尚不能從根本上解決螺桿磨損問題，螺桿的平均修復期僅為60 h左右[13]。對于活塞式沖壓成型機，套筒與推進器在200 ~ 340℃高溫和700 ~ 1 000 kg/cm2高壓下處于干磨擦狀態，工作環境很差，使套筒和推進器磨損嚴重，其使用壽命問題成了成型機的技術關鍵問題，甚至成了影響這個行業發展的主要問題[14]。對于環模成型機，國內外的同類設備平均修復周期約1 000 h，維修費用（取決于環模直徑）為1萬 ~ 4萬元[13]。二是可靠性差，能耗高[13]。設備工作可靠性差，能耗較高。螺旋擠壓成型機擠壓時物料中的水分受熱急劇蒸發，容易產生“放炮”現象。采用壓輥式成型機生產生物質燃料時，不僅成型設備消耗能量，而且工藝流程中其他環節（如粉碎，輸送等）的電機驅動都消耗大量的電能。用SKR-25型秸稈顆粒成型機進行試驗時指出，其最低能耗為102.33 kWh/m3，仍需要技術改進和完善更新。三是工藝輔助設備不配套，連續運行能力低[13]。烘干、粉碎設備等都是各企業自行設計加工，其烘干設備無法較好控制原料的含水率，從而影響燃料成型。粉碎機工作條件惡劣，原料夾雜其他硬質雜質，如鐵屑、沙粒等，使設備運行不穩定，輸送過程易堵塞，故障率高，維修頻繁，影響連續生產。

一定時期內，設備開發和改進尤其是關健部件的耐磨性改進是生物質固化成型的關鍵，應用硬質合金及其它新材料、新工藝制造關鍵部件和易損件，提高壽命，降低維修成本，提高穩定性，加強配套設備的研發，提高生產的可靠性和穩定性。2010年農業部發布《NY/T 1882-2010生物質固體成型燃料成型設備技術條件》，將有力推動我國生物質固化成型設備的技術進步。

2.2 原料方面

原料種類，包括原料組成如木素含量[15]、樹皮含量[16]、種類、貯存時間[17]、干燥條件[17]等都成型工藝和固化成型燃料性能有影響。不同原料的生物質含有不同的木質素及纖維素，即其微觀組成不同，則可壓縮性不同，成型后制品的殘余內應力也不同，故開裂程度不同[18]。原料的種類不但影響成型質量，如成型塊的密度、強度、熱值等，而且影響成型機的產量及動力消耗[8,19]。原料的含水率、儲存時間[20]、顆粒度也都對生產工藝和成本都有很大影響。

我國可利用的生物質主體是農作物秸稈，但收獲農作物秸稈的季節性強，時間短，生產企業很難在短時間內把各家各戶的秸稈收集起來用于正常生產[2]，如果生產規模擴大，則面臨這原料短缺或采購、物流[9]成本不斷攀升的局面。

原料供應對生物質固化成型燃料的發展影響很大[9]，根據各地的原料分布情況，要適當控制生產規模，同時應考慮當地的勞動力成本和運輸成本，保證原料能以合理價格穩定供應。

2.3 工藝方面

影響生物質固化成型物理力學性能以及燃燒等性能的因素眾多，如溫度、壓力、放氣時間等均對固化成型顆粒燃料的破碎強度和密度有顯著影響[21]，粘合劑[22]、蒸汽處理[20]、SO2催化蒸汽預處理[23]等對燃料強度、耐久性等都有顯著影響，經濟、環保、高性能的新工藝開發將是工藝發展的一個重要方向。

工藝與生產設備密切相關。一方面，現有的設備種類繁多，有關研究所用的設備之間差異也很大，研究用設備與生產設備也存在較大差異，使得研究結果往往不具有可比性和可應用性，因此，生物質固化燃料技術從從研究室到工廠還有一段路要走；另一方面，現有的工藝壓力很高，所以設備磨損大，可靠性較低，能耗較高，如能改進現有的冷壓縮成型工藝，開發出低壓常溫成型工藝，則對生物質固化燃料的發展具有強大的促進作用。

改進現有的冷壓縮成型工藝，開發出低壓常溫成型工藝，降低對設備的要求，降低生產成本。成型工藝應向少加熱或不加熱、低壓發展，工藝選擇要綜合考慮技術、經濟和環保因素如果添加膠粘劑尤其是燃燒后無有害物質產生的膠粘劑如某些無機膠粘劑和天然有機物質能降低壓力而且經濟上更合理，應予以采用。另外，原材料應進行適當預處理，可以借鑒無膠膠合的研究成果，從而降低成型壓力，減少設備磨損和動力消耗。

2.4 市場方面

我國的生物質固化燃料的市場應用主要有兩個，一個是生物質氣化發電，一個是農戶炊事取暖用。前一個市場面臨的問題是生物質氣化發電如果沒有多聯產技術[24]，僅靠發電尚難以盈利，依靠補貼才得以發展；后一個市場則面臨一個農戶認可的性價比，長期以來，農戶都是直接燃燒秸稈取暖和炊事，要農戶為成型燃料付費還有一段路要走。相比國外對生物質成型燃料市場和經濟性的研究，國內的相關研究還需進一步深化。

加強市場研究，考慮分類分級利用，不同產品聯產，提高經濟效益。分類利用指選擇適合的生物質原料，分級利用則對同一種生物質的不同部位作為不同的產品原料，如將秸稈等生物質營養豐富的葉片等用作飼料，將纖維素含量高的莖稈等用作燃料[25]，木質素含量高的可液化代替苯酚制造其他化學品。另外，要加強市場營銷研究，設計一套各方都能接受的方式開拓生物質固化燃料市場。

2.5 應用技術與設備方面

生物質固化成型燃料的應用技術包括引燃劑[26~27]、抗結渣[28~31]技術等，國內已開展研究，但研究結果受到生物質固化成型燃料性能差異的影響難以大面積應用。應用設備方面，國外先后開發出整體式、組合式生物質供熱鍋爐以及生物質與太陽能聯合供熱系統[32]等，并開展了鍋爐效率優化的研究[33~34]，國內生產以秸稈類顆粒為主的爐具較多，但這類爐具由于結渣等問題，燃燒效率不高，與以木屑顆粒為燃料的爐具相比要耗費更多的人力，并且由于成本高、原料供應等原因，以上爐具還沒有大面積推廣應用[19]。

應用技術的開發和應用設備的研制必須有一個燃料特性基準——如顆粒大小對熱解產物的影響顯著[35]，雖然北京市（2008）、河北省（2010）和農業部（2010）先后發布了生物質固化成型燃料標準，國外也有DIN 51731[36]等標準，但由于發展時間還較短，市場上的生物質固化成型燃料仍然是種類眾多，其規格和特性千差萬別，形狀有顆粒、塊狀、棒狀等，大小在6 ~ 120 mm不等，密度在0.8～1.4 g/cm3，不但其優劣無法用統一方法衡量[13]，而且造成應用技術的研究缺乏一個公共的燃料基準，特別是對生物質固化成型燃料的應用設備如鍋爐、取暖設備的設計、制造、銷售、應用各個環節都造成了困擾。

對挪威的家庭調查[37]表明，沒有選擇木質顆粒燃料取暖系統的家庭的主要原因有兩個：一是安裝成本高，而且房屋需重新改造。我國現有的爐具也是由于價格較高，農戶難以接受。為此，應加強生物質燃料應用技術和應用設備開發，尤其是降低安裝成本和使用成本。

3 展望

中國是世界第二大能源生產國和消費國，隨著中國現代化的推進，工業和生活能源需求必然不斷增加，中國政府也非常重視可再生能源的開發利用，但相對于風能、太陽能、水力資源，生物質能源的價值一定程度上被低估了。發展生物質能源，可帶來三重效益：滿足農村能源需求，保護環境，促進農村發展[5]，實踐證明，固化成型燃料技術不但技術上可行，而且已經具備經濟上的可行性。隨著減碳目標的推進，固化成型燃料技術必將得到更多的應用和更大的發展。

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Current Situation of Densified Biomass Briquette Fuel Production and Prospect

WU Zai-xing，CHEN Yu-he，BAO Yong-jie，CHEN Zhang-min，LI Neng
（China National Bamboo Research Center, Hangzhou 310012, China）

Presentation was made on current production situation of densified biomass briquette fuel at home and abroad from the aspect of production equipment, raw material, technology, market and applied techniques. Countermeasures were proposed for further development in China.

densified biomass briquette fuel; challenges; countermeasures

S789

A

1001-3776（2014）04-0083-05

2014-01-08；

2014-05-20

浙江省科技廳項目（2012F20001）

吳再興（1980－），男，湖北黃岡人，助理研究員，碩士，從事竹材加工利用研究。