生物質燃料固化成型技術研究進展

王明友 宋衛東 吳今姬 王教領 王培雨 李尚昆

摘要

目前我國生物質顆粒燃料成型技術相對滯后，存在設備能耗高、使用壽命短等問題。在此介紹了國內外生物質顆粒燃料成型機的發展現狀，并提出了我國生物質顆粒燃料成型機的發展方向，對提升我國顆粒燃料成型的技術水平具有重要意義。

關鍵詞 生物質；顆粒燃料；成型技術；研究進展

中圖分類號 S216.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）26-09099-02

Research Progress of Biomass Fuel Forming Device

WANG Ming-you， SONG Wei-dong et al

（Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization of Ministry of Agriculture， Nanjing， Jiangsu 210014）

Abstract At present， the technology of biomass fuel molding technique is relatively lagging in China； it brings several negative influences， such as high energy consumption， short service of the equipment. The current situation of the biomass pellet fuel molding device at home abroad was introduced， the development direction in China was put forward， which is significant for enhancing the level of pellet fuel molding technology in China.

Key words Biomass； Pellet fuel； Molding technique； Research progress

近幾年，隨著社會經濟的迅猛發展，傳統的化石能源不僅日益衰減，且造成嚴重的環境污染，致使世界范圍內許多國家霧霾天氣頻繁發生，因此尋找一種清潔、可循環的再生能源已成為全球各個國家的共識，其生產技術與裝備水平也已成為當前發展的熱門。

生物質作為太陽能經光合作用合成的有機物，其轉化后的能源可循環使用，具有可再生性和環境友好性的雙重屬性，其推廣和利用將對能源結構的改善和能源需求的短缺發揮其必要的作用^[1]。近年來生物質能越發受到重視，其消耗量已躍居全球第4位，僅次于石油、煤炭和天然氣^[2]，并有逐年增加的趨勢。我國具有豐富的生物質能源，據統計，每年農作物秸稈總量約有4.33億t，占農業廢棄產量的60%，但由于其分散且面廣，收集運輸成本高，這將導致農作物秸稈能源利用仍停留在直燃狀態，嚴重制約了農作物秸稈的燃料利用^[3]。直燃狀態不僅污染嚴重，且燃燒能量不能集中，大大降低生物質的燃燒效率。筆者在對生物質燃料特性敘述的基礎上，分析了生物質燃料固化成型技術的國內外研究發展現狀，最后提出了適合我國生物質顆粒燃料成型機的發展方向，重點就成型機的技術與裝備發展進行了詳細介紹。

1 生物質成型燃料特性

生物質燃料成型技術是指秸稈等生物質原料在專用成型設備中，按照一定溫度和壓力作用下，利用物料間以及物料與模輥間的相互摩擦，及生物質中木質素的黏結作用，將松散的秸稈等生物質壓縮成顆粒或棒狀的成型燃料。成型后的生物質燃料用于替代現有煤炭進行燃燒，降低有害氣體的排放，大大改善大氣環境。因其生物質成型燃料燃燒排放出的CO₂與光合作用吸收的CO₂基本達到平衡，實現燃料后CO₂零排放，且成型后的生物質密度增大將近10倍，體積大大降低，燃燒時揮發少、黑煙少^[4]。由此可見，生物質成型后可作為工業鍋爐、住宅區供暖、居民用炊事、取暖的燃料^[5]。

生物質固化成型燃料有顆粒狀和棒狀兩大類。其中顆粒燃料成型因其具有設備壽命長、燃料燃燒效率高等優勢，得到推廣應用^[6]；棒狀燃料因其成型復雜、且燃燒不徹底而出現衰落的現象。同時，按成型機加壓的方法來區分，成型機有輥模擠壓式、活塞沖壓式、螺旋擠壓式等，其中應用最為廣泛、產量最大的為模輥擠壓式^[7]。

2 國內外生物質燃料成型技術的發展現狀

2.1 國外的發展現狀

國外對生物質成型技術與設備進行了長時間的研究。具體可以分為3個階段，第1階段為20世紀30～50年代，主要為成型機原始模型的研究、優化、試驗示范及機型的創新；第2階段為20世紀70～90年代，隨著化石能源對環境影響的日益加劇，這一階段的重點是對生物質固化成型機進行推廣應用，同時對不同成型設備進行對比試驗；第3階段為20世紀90年代后期至今，主要為生物質成型設備的規模化利用，其成型設備已經成熟，并達到了不同成型設備的最優化途徑利用。

20世紀30年代，美國就開始研究固化成型燃料技術，并研制了螺旋式成型機。90年代，美國就在25個州興建了樹皮成型燃料加工廠，每天生產成型燃料超過300 t。然而，生物質成型設備當以歐洲國家發展最快與最先進。瑞典是應用生物質成型燃料最好的國家之一，年生產生物質成型燃料超過200萬t，人均消耗生物質已超過160 kg/a，并率先頒布了生物質顆粒燃料的國家標準SS187120及生物質壓塊燃料的標準SS187121，其他歐洲國家也隨后提出了各自的標準^[8]。在亞洲，1948年日本申報了利用木屑為原料、采用螺旋擠壓方法生產棒狀成型燃料的第1個專利，并在隨后研制成棒狀成型燃料的燃燒設備。1983年從美國引進顆粒成型燃燒技術，并發展成為了日本壓縮成型的工業體系。泰國、印度、菲律賓、馬拉西亞^[9]等國家也從20世紀80年代開始先后研制成了加粘結劑和不加粘結劑的生物質固化成型機。

目前，國外生物質成型技術大部分已經成熟，并已進入生產應用階段，且在生產技術與成型燃料方面已達到規模化與商品化，并已由采暖等生活用能為主轉向發電等生產用能。但仍然存在著生產設備能耗高、價格高的現象。

2.2 國內的發展現狀

我國生物質成型技術起步較晚，總體來看，當前我國的生物質燃料成型技術與裝備在設備的可靠性、技術的先進性、應用的實用性方面上還很不足，距歐美等發達國家還有一定的差距。尤其是在成型機中的模輥材料方面尤為突出，主要表現在模輥耐磨性低、壽命時間短、能耗高等方面。隨著國家對生物質利用的重視及近年來科研經費投入的增加，生物質成型技術與設備取得顯著進步。

我國生物質成型技術與設備的研究起始于20世紀80年代，當時為引進日本及臺灣地區的螺旋擠壓機型為主的成套設備進行消化吸收。90年代后先后研制和生產了幾種不同規格的生物質成型機，主要以沖壓式成型機與螺旋式成型機為主。2000年前后，隨著化石能源價格的攀升與環境污染日益加劇的雙重影響，國家開始了對可再生能源開發的重視，尤其是生物質能的綜合開發利用技術與設備的研究。棒狀、顆粒狀、方塊狀等的生物質燃料開始出現，并從常規的燃燒利用方式轉變為生物質發電、取暖、機制木炭生產等方面應用。據相關資料統計，當前全國投入使用的生物質成型機機組約為1 000臺套，年生產生物質成型燃料20萬t左右，僅相當于瑞典生物質成型燃料的10%。

綜上所述，雖然我國生物質成型技術與設備已取得了一定的發展，但還存在著成型電耗大、磨損嚴重、工藝不完善、設備不配套等缺點。在規模化和市場化方面較差，推廣應用速度緩慢等現象。

3 生物質成型燃料加工技術與裝備發展趨勢

隨著經濟發展與環境保護間的問題突出，人們愈加感覺到石化能源在枯竭的同時對環境造成的污染也日益加劇，在對可持續發展、保護環境和循環經濟的追求中，世界開始將目光聚焦到了可再生能源與材料，“生物質經濟”已經浮出水面。由于生物質本身具有的清潔、無污染、可再生等特性，是替代能源的首選之一。以生物能源和化工產品生產為主的生物質產業正在興起，引起了世界各國政府和科學家的關注。因此，以降低生產成本為目的，尋求技術上的創新、突破，成為生物質成型燃料領域最大的難題。降低顆粒燃料的噸料能耗、降低設備的使用成本，也成為目前所追求的最大目標。

在生物質燃料成型技術與裝備研究方面，國內外發展總的趨勢是生產裝備系列化和標準化，成型燃料商品化和市場化；國內主要在生產裝備可靠性、耐磨性等方面上取得突破，并降低成型燃料生產能耗與設備生產成本。

3.1 生物質成型燃料加工技術與裝備應向系列化與標準化發展

當前，生物質成型技術與裝備已取得了一定的發展，并在成型技術與裝備方面出現了百花齊放的現象。因此，需要對不同成型方式的成型機進行重點應用領域的示范，得到不同成型方式下的最優成型工藝技術與裝備。在此基礎上，進行不同成型技術與裝備的系列化開發應用，并通過制定相應的標準規范成型裝備，在有條件的地方規范成型工藝，使其成型燃料達到標準的規范化，便于我國生物質成型燃料市場的有序化競爭，最終實現生物質成型技術與裝備的系列化與標準化發展。

3.2 生物質成型燃料應向商品化與市場化發展

隨著生物質燃料利用領域的不斷延伸，生物質成型燃料應盡快實現其具有的商品屬性，通過市場化的運作方式達到生物質能的高效轉化，實現調整能源結構、減少溫室氣體排放、保護環境等功能。開發利用生物質能，特別是把它們轉化為高品位的能源，因地制宜，多能互補，對我國社會、經濟和生態環境協調發展具有重要意義，為推動我國農作物秸稈資源化利用、商品化生產提供技術和裝備支撐。

參考文獻

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