生物質(zhì)燃料成型技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀研究

李彥軍

摘 要：生物質(zhì)燃料成型技術(shù)是綜合利用生物質(zhì)能源的重要方向之一，其技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)分析的關(guān)鍵。本文綜述了我國生物質(zhì)燃料成型設(shè)備類型和成型機(jī)理。發(fā)現(xiàn)目前我國生物質(zhì)固化成型技術(shù)主要存在技術(shù)水平落后、成型工藝復(fù)雜、市場(chǎng)化水平低，企業(yè)處于核心設(shè)備技術(shù)缺失時(shí)期，缺乏核心競(jìng)爭力。最后，對(duì)我國生物質(zhì)燃料成型技術(shù)發(fā)展提出了對(duì)策和建議，希望為更好地促進(jìn)我國生物質(zhì)固化成型技術(shù)的健康發(fā)展提供借鑒。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì);燃料;成型技術(shù)

21世紀(jì)以來，隨著全世界工業(yè)化水平的不斷提高，不可再生能源的消費(fèi)總量不斷攀升，消耗速率加快，以至于生態(tài)環(huán)境不斷惡化。化石能源日益減少不僅讓各國意識(shí)到能源短缺的危機(jī)，化石能源消耗帶來的環(huán)境污染、國際矛盾、全球氣候變化等一系列問題也讓各國付出了不同程度的代價(jià)。因此，尋求可再生的清潔能源成為全球各個(gè)國家急需解決的問題。

隨著能源短缺、環(huán)境污染等問題的日益突出，生物質(zhì)能源作為一種儲(chǔ)存總量大、原料可再生、開發(fā)利用成本較低、對(duì)環(huán)境污染程度低的新型能源受到更多的關(guān)注。生物質(zhì)成型燃料充分燃燒產(chǎn)生的熱值與同密度中質(zhì)煤相當(dāng)，燃燒過程產(chǎn)生的排放物不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，可作為煤等化石燃料的替代燃料。生物質(zhì)成型顆粒是指經(jīng)過干燥、粉碎等預(yù)處理的生物質(zhì)原料在特定的設(shè)備中被加工成形狀固定、密度較高的顆粒，成型顆粒不僅可作為燃料，也可作為發(fā)電、加工活性炭、生物質(zhì)液化燃料等生物質(zhì)加工技術(shù)的原料。近年來，相關(guān)學(xué)者對(duì)生物質(zhì)燃料成型技術(shù)的研究主要集中在不同處理技術(shù)對(duì)生物質(zhì)材料性能的影響、成型方法或設(shè)備的改進(jìn)兩個(gè)方面。目前，我國秸稈資源綜合利用仍存在利用結(jié)構(gòu)不合理、成效不明顯、產(chǎn)業(yè)配套不到位、規(guī)模化程度不到位等問題。因此，合理利用秸稈資源對(duì)于減緩化石能源的消耗、降低燃料燃燒導(dǎo)致的環(huán)境污染、改善農(nóng)產(chǎn)品剩余物的處理方法具有重要的研究意義。

1 生物質(zhì)成型設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

生物質(zhì)成型技術(shù)成本低、應(yīng)用廣泛。生物質(zhì)成型技術(shù)是指利用成型設(shè)備將粉碎后的秸稈加工成密度滿足要求的、具有規(guī)則形狀的燃料產(chǎn)品的技術(shù)。目前，生物質(zhì)成型技術(shù)主要有螺旋擠壓成型技術(shù)、活塞沖壓成型技術(shù)和壓輥式成型技術(shù)。 應(yīng)用三種成型技術(shù)制造的成型設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。螺旋擠壓成型機(jī)、活塞沖壓成型機(jī)由于生產(chǎn)效率低、關(guān)鍵部件壽命低等原因市場(chǎng)應(yīng)用逐漸減少。壓輥式成型機(jī)相較于其他成型機(jī)具有生產(chǎn)率高，工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的機(jī)型。

通過國內(nèi)的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)不斷對(duì)生物質(zhì)成型技術(shù)進(jìn)行研發(fā)和改進(jìn)，生物質(zhì)成型技術(shù)的發(fā)展水平顯著提高、成型機(jī)的應(yīng)用范圍更加廣泛，但在實(shí)際生產(chǎn)中成型設(shè)備仍然存在產(chǎn)量較低、設(shè)備能耗高、關(guān)鍵零部件壽命低等問題。目前，市場(chǎng)上普遍使用臥式環(huán)模成型機(jī)，但其在成型過程中環(huán)模容易產(chǎn)生磨損失效現(xiàn)象，環(huán)模磨損失效后，環(huán)模壓制出的成型顆粒質(zhì)量會(huì)下降。與立式環(huán)模成型機(jī)相比，臥式環(huán)模成型機(jī)成型過程中模孔受力均勻，成型時(shí)物料不僅受到壓力，還受到較大的剪切力，成型效率更高。因此，在大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量生物質(zhì)燃料時(shí)使用臥式環(huán)模成型機(jī)更具有優(yōu)勢(shì)，與此同時(shí)，失效的環(huán)模需要進(jìn)行整體更換，這種維修方式會(huì)使成本增加。所以，如何提高環(huán)模壽命、降低磨損是提高成型機(jī)效率的關(guān)鍵問題。

2 生物質(zhì)燃料成型機(jī)理研究現(xiàn)狀

農(nóng)林剩余物等生物質(zhì)原料在模具中受到擠壓，原料之間擠壓粘結(jié)形成致密的圓柱狀燃料。許多研究基于成型機(jī)理對(duì)生物質(zhì)在擠壓成型過程中的狀態(tài)變化進(jìn)行了分析和現(xiàn)象解釋，對(duì)成型機(jī)理進(jìn)行研究，可以更好地優(yōu)化成型設(shè)備的結(jié)構(gòu)和加工工藝，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少零部件磨損。

國內(nèi)外對(duì)生物質(zhì)成型機(jī)理的研究主要集中在以下方面：一是生物質(zhì)成型過程中分子之間結(jié)合方式以及粘結(jié)機(jī)理;二是通過試驗(yàn)分析含水率、膠黏劑、木質(zhì)素含量等因素對(duì)顆粒之間結(jié)合效果的影響。

國外Rumpf，Kaliyan總結(jié)了生物質(zhì)成型顆粒的分子之間存在多種結(jié)合方式：一是分子間由于互相存在吸引力而粘結(jié)在一起;二是分子之間相互交叉融合形成“固體橋”結(jié)構(gòu)，“固體橋”使分子之間結(jié)合在一起;三是生物質(zhì)纖維之間形成折疊互鎖。燃料成型過程中主要考慮兩個(gè)影響因素：生物質(zhì)粉狀原料形成生物質(zhì)顆粒的能力和成型過程提高生物質(zhì)顆粒密度的能力。認(rèn)為木質(zhì)素含量對(duì)顆粒內(nèi)部結(jié)合有較大影響，木質(zhì)素含量在臨界值以下時(shí)，含量越高，顆粒分子間作用力越強(qiáng)，內(nèi)部結(jié)合好，溫度高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度，成型顆粒的物理特性越好。研究發(fā)現(xiàn)粉碎后的生物質(zhì)原料在受到一定的溫度和壓力后，物料內(nèi)部木質(zhì)素、蛋白質(zhì)等成分具有塑性，這些組分由于具有塑性會(huì)填補(bǔ)顆粒之間的間隙并使顆粒之間相互聯(lián)結(jié)形成比較穩(wěn)定的整體。

在國內(nèi)，李澤亞通過分析總結(jié)得出結(jié)論，由于生物質(zhì)含水率低，缺少非自由基膠黏劑的黏結(jié)，不加膠黏劑成型難度較大。所以秸稈粒子之間的作用、膠黏劑與自由基都對(duì)生物質(zhì)成型燃料的黏結(jié)機(jī)理有較大影響。郝蓉等通過研究以水稻秸稈為原料制備的生物質(zhì)固體燃料的孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)得出結(jié)論，可利用合適的膠黏劑達(dá)到降低或消除負(fù)電勢(shì)的效果，對(duì)燃料的成型效果有很大影響。因此，選擇合適的膠黏劑可提高生物質(zhì)成型燃料的整體性能。

3 生物質(zhì)成型技術(shù)發(fā)展建議

3.1 推動(dòng)成物質(zhì)成型設(shè)備轉(zhuǎn)型升級(jí)

生物質(zhì)成型設(shè)備具有工作環(huán)境復(fù)雜多變、使用工作負(fù)荷大、配置需求多樣化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件數(shù)量多等特點(diǎn)，存在設(shè)計(jì)對(duì)象多變、設(shè)計(jì)過程復(fù)雜、研發(fā)與制造過程協(xié)同不夠、智能化程度低、市場(chǎng)響應(yīng)不及時(shí)等問題。為了推動(dòng)生物質(zhì)成型設(shè)備轉(zhuǎn)型升級(jí)，必須要首先明確產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求，制定創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法應(yīng)用策略，并快速高效地完成產(chǎn)品需求描述到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)的過渡。

3.2 成型工藝優(yōu)化及原料適應(yīng)性提升

生物質(zhì)成型燃料是以農(nóng)林廢棄物為主要原料，經(jīng)切割-去除雜質(zhì)-精粉碎-篩選-混合-調(diào)質(zhì)-擠壓成型-干燥-冷卻-質(zhì)檢-包裝等工藝過程，最后制成生物質(zhì)成型燃料，成型燃料具有熱值高、燃燒充分、有害物質(zhì)少等特點(diǎn)。但生物質(zhì)成型工藝復(fù)雜、原料適應(yīng)性差，不同成型設(shè)備對(duì)生物質(zhì)粉碎物粒度和含水率（一般6% -30%）要求不一致，與原料處理范圍不同會(huì)導(dǎo)致成型率低、增大能耗等問題。因此，簡化成型工藝、原料通用性、可調(diào)成型磨具是今后生物質(zhì)成型設(shè)備考慮的關(guān)鍵因素。