0、引言
生物質(zhì)能作為自然界的第4大能源，資源分布廣，開發(fā)潛力大，環(huán)境影響小。發(fā)展生物質(zhì)能源是全球緩解能源危機(jī)、減少溫室氣體排放、解決生態(tài)環(huán)境問題和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源豐富，每年約有7×108t的農(nóng)作物秸稈，另外還有大量的林業(yè)采伐和林木制品加工廠產(chǎn)生的廢棄物，如枝丫、小徑木、板片和木屑等，總量近1×108。生物質(zhì)致密成型技術(shù)生產(chǎn)固體燃料是把農(nóng)林廢棄物加工再利用、解決生物質(zhì)資源浪費(fèi)和污染問題的一種重要技術(shù)手段，是除生物質(zhì)氣化和液化之外的又一種生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換方式。但由于原料、工藝和設(shè)備等諸多方面的原因。生物質(zhì)成型燃料的生產(chǎn)和利用仍然存在著問題。本文就生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)及其應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行分析研究，以探索更好地開發(fā)生物質(zhì)能源的途徑。
1、國內(nèi)外生物質(zhì)成型燃料技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
1.1國外發(fā)展現(xiàn)狀
國外發(fā)達(dá)國家對生物質(zhì)成型燃料技術(shù)都十分重視，并投入了大量的資金與技術(shù)力量研究和開發(fā)生物質(zhì)致密成型設(shè)備。早在20世紀(jì)30年代，美國就開始研究壓縮固體成型燃料技術(shù)，并研制了螺旋式擠壓成型機(jī)，在加熱溫度為110~350℃、壓力10MPa的條件下。能把木屑和刨花壓縮成固體成型燃料。20世紀(jì)70年代初。美國研究開發(fā)了環(huán)模擠壓式顆粒成型機(jī)，并在國內(nèi)大量生產(chǎn)。瑞士、瑞典、西歐等發(fā)達(dá)國家都先后開發(fā)研究了沖壓式成型機(jī)、輥模擠壓式顆粒成型機(jī)。20世紀(jì)50年代。日本從國外引進(jìn)技術(shù)后進(jìn)行了改進(jìn)。研究應(yīng)用了螺旋式擠壓成型機(jī)，之后又相繼產(chǎn)生了以油壓、水壓為動力的活塞式生物質(zhì)壓縮成型設(shè)備。從20世紀(jì)80年代開始，日本對生物質(zhì)壓縮成型燃料技術(shù)進(jìn)行了探討，對壓縮過程中的動力消耗、壓模的結(jié)構(gòu)與尺寸、壓縮燃料的含水率、壓縮時的溫度和壓力及原料的顆粒大小等進(jìn)行了實驗研究，進(jìn)一步改進(jìn)了生物質(zhì)壓縮成型技術(shù)。使之更趨于實用化。泰國、印度、菲律賓等國從20世紀(jì)80年代開始也先后研制成了填加粘結(jié)劑的生物質(zhì)致密成型機(jī)，富通新能源生產(chǎn)銷售
顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)等生物質(zhì)燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國從20世紀(jì)80年代起開始致力于生物質(zhì)致密成型技術(shù)的研究。湖南省衡陽市糧食機(jī)械廠于1985年研制了第一臺ZT - 63型生物質(zhì)壓縮成型機(jī)。江蘇省連云港東海糧食機(jī)械廠于1986年引進(jìn)了一臺0BM- 88棒狀燃料成型機(jī)。1993年前后，我國從國外引進(jìn)了近20條生物質(zhì)壓縮成型生產(chǎn)線，基本上都采用螺旋擠壓式，以鋸木屑為原料。生產(chǎn)碳化燃料。中國林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所于1998年研制成功了生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)。該機(jī)由旋風(fēng)干燥裝置、木質(zhì)素加熱軟化裝置和顆粒成型裝置3大部分組成，生產(chǎn)率為120~240kg/h能耗為120 8~241_7kW·h／t。
從2002年起在國產(chǎn)飼料顆粒機(jī)的基礎(chǔ)上結(jié)合瑞典生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)技術(shù)研制而成了生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)。2004年。清華大學(xué)和北京惠眾實科技有限公司開發(fā)的H ghzones生物質(zhì)固化成型技術(shù)，利用壓輥擠壓原理實現(xiàn)了生物質(zhì)就地及時壓縮。2006年。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)李保謙、張百良和夏祖璋等研制了HPB-Ⅳ型液壓驅(qū)動活塞式成型機(jī)，合肥天炎綠色能源開發(fā)有限公司研制了TYK- II秸稈成型機(jī)。河南省科學(xué)院能源研究所何曉峰等研制了一種在常溫下生產(chǎn)顆粒燃料的環(huán)模顆粒成型機(jī)，變頻電機(jī)驅(qū)動螺旋供料裝置為擠壓裝置供料，通過調(diào)整供電的頻率可實現(xiàn)原料供應(yīng)量的調(diào)整，顆粒燃料的生產(chǎn)效率可達(dá)到300～500kg/h。
2、生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)與應(yīng)用中存在的問題
2.1原料難以持續(xù)供應(yīng)
生物質(zhì)原料主要包括木質(zhì)材料和非木質(zhì)材料f如竹材和農(nóng)業(yè)剩余物等1，其應(yīng)用包括用于能源領(lǐng)域生產(chǎn)致密成型燃料供居民采暖和生物質(zhì)電廠發(fā)電、用于人造板行業(yè)生產(chǎn)木質(zhì)或非木質(zhì)人造板、用于造紙行業(yè)生產(chǎn)低端紙制品和紙箱包裝材料等及用于養(yǎng)殖行業(yè)生產(chǎn)飼料等。
各類生物質(zhì)利用都需要大量的可持續(xù)供應(yīng)的原料，因而不可避免地存在著對生物質(zhì)原材料的競爭。隨著保護(hù)性耕作技術(shù)的發(fā)展，秸稈留茬覆蓋還田己成為一些糧食主產(chǎn)區(qū)f同時也是秸稈主產(chǎn)區(qū)）的通用生產(chǎn)方式，可用于生產(chǎn)成型燃料的生物質(zhì)原料供應(yīng)十分緊張。
另一方面，從成品價格比較，1t人造板售價3 000元左右。而1喊型燃料售價僅600～800元，因此原料持有者就可能更傾向于將原料出售給收購價格較高者。生物質(zhì)電廠投資一般在幾億元，一旦上馬為收回成本或達(dá)到預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益，必然不惜財力搶購原材料，從而使成型燃料原料價格進(jìn)一步攀升。當(dāng)原料成本超過一定界限，即使享受國家補(bǔ)貼。成型燃料生產(chǎn)和所供應(yīng)的生物質(zhì)電廠也會虧損。
還有部分生物質(zhì)電廠立項時以秸稈為主要原料，實際建成生產(chǎn)時，由于秸稈供應(yīng)不足，成型燃料燃燒性能差。不得不大量使用木材作為成型的原材料。但我國木材資源供需矛盾日益突出，預(yù)計2010年我國木材年消耗量達(dá)2 5 x lO5m3。折合l.5×lOs t而現(xiàn)有森林資源可供給量僅為1.5×l08m3,供需缺口達(dá)6×107×l08m3，可用于成型燃料生產(chǎn)和生物質(zhì)發(fā)電的木材供應(yīng)將十分緊張。
舉例如下：按照生物質(zhì)發(fā)電業(yè)內(nèi)通行的標(biāo)準(zhǔn)。半徑50km內(nèi)才允許建一個生物質(zhì)發(fā)電廠，而如果生物質(zhì)電廠過于密集，則會導(dǎo)致生物質(zhì)發(fā)電廠“無米下鍋”。據(jù)南方周末報報道，截至2010年。江蘇省原來生物質(zhì)發(fā)電廠一共批了28家，布點過于密集導(dǎo)致原料價格攀升。以稻殼為例。其價格最高峰達(dá)到460元／t由于燃料缺少，大多時間很多電廠都只能減負(fù)荷運(yùn)行或虧損運(yùn)行。2010年即將投產(chǎn)的涿鹿華達(dá)生物熱電項目裝機(jī)容量為2×25kW，年消耗各種秸稈3×105 t而河北涿鹿縣秸稈總量才6 8x l05，不僅要供應(yīng)生物質(zhì)電廠，還要供應(yīng)造紙廠、飼料加工等企業(yè)，加之秸稈不可能百分之百地收集f如小麥的手工收割系數(shù)為0.85～0.9，因此進(jìn)一步加大生物質(zhì)電廠生產(chǎn)規(guī)模的可能性就很小。
2.2各類原材料特性不同，成型差異大
研究表明，不同種類農(nóng)作物秸稈化學(xué)成分不同，見表1所示。化學(xué)成分對秸稈的致密成型工藝和成型燃料的性能有影響。相對于木材而言，秸稈的灰分含量高，如闊葉材灰分低于1.5%。而農(nóng)作物秸稈的灰分一般多在2%以上，稻秸的灰分高達(dá)14%，成型過程中易造成粉塵污染，增加除塵系統(tǒng)的能耗。農(nóng)作物秸稈灰分中的主要成分SD2含量多的在65%以上（如麥秸、稻秸等），灰分中的SO2在植物纖維中形成了非極性的表層結(jié)構(gòu)，影響膠黏劑吸附和氫鍵的形成，不利于其自身膠合固化成型。蓖麻稈的灰分含量在2.4%，因此與稻秸相比。在成型和燃燒是兩者必然呈現(xiàn)不同性能。有機(jī)溶劑抽提物含量高，1%NaOH下玉米稈的抽提物高達(dá)45.362%。這表明其富含蠟狀物與硅，不易膠接，降低結(jié)合強(qiáng)度。秸稈中聚戊糖含量多在20%以上。聚戊糖使秸稈在成型過程中易出現(xiàn)粘附成型壓輥和環(huán)模或螺旋進(jìn)料器的現(xiàn)象，增加能耗，降低成型機(jī)使用壽命。闊葉材的木素和纖維素含量較高，可分別高達(dá)33.09%和64.10%，而一般秸稈的木素和纖維素含量都低于木材。自身強(qiáng)度也比較低，因此需要提高原料的粉碎程度以增大比表面積。促進(jìn)纖維形成多維面交接，增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度。棉稈、麻稈等農(nóng)作物剩余物秸稈原料的表皮纖素含量較高，如蓖麻稈的綜纖維素為75.48%，但其纖維較長，韌性大，采用普通的粉碎機(jī)不易切斷。
生物質(zhì)原料在壓力作用下，細(xì)小的顆粒互相之間容易發(fā)生緊密充填，成型塊的密度和強(qiáng)度顯著提高，粉碎程度高，有助于提高成型燃料的松弛密度和耐久性。普通的粉碎f物料相對含水率15%~l5%）不能促進(jìn)原料的自身膠合。為保證成型燃料品質(zhì)。對成型壓力、溫度和成型機(jī)對原料的適應(yīng)性提出了較高的要求，造成能源消耗大和成型部件磨損嚴(yán)重等現(xiàn)象。采用熱壓成型雖能使生物質(zhì)的化學(xué)成分轉(zhuǎn)換為粘結(jié)劑，以增強(qiáng)成型物顆粒間的粘結(jié)力，但卻消耗大量能源。另一方面。普通的粉碎對高含水率秸稈（含水率> 30%）效果差，不能做到秸稈的即收割即粉碎。
2.3成型設(shè)備能耗高且磨損快，對原料適應(yīng)性差
現(xiàn)在應(yīng)用較多的成型燃料加工設(shè)備有輥模擠壓式（包括環(huán)模式和平模式）、活塞沖壓式（包括機(jī)械式、液壓式1和螺旋擠壓式等3種機(jī)型。其中，輥模擠壓式成型機(jī)采用的是濕壓（冷壓）成型工藝，活塞沖壓式與螺旋擠壓式成型機(jī)都采用的是熱壓成型工藝。當(dāng)前生物質(zhì)致密燃料成型設(shè)備主要存在如下幾個問題：
1)在成型機(jī)中將纖維和木質(zhì)素軟化必然要求高的能量消耗。例如。對于螺桿擠壓成型機(jī)，粉料在螺旋擠壓成型前先要經(jīng)過電加溫預(yù)熱，擠壓成型過程的噸料電耗一般為100KW/h。
2）滾輪和成型孔磨損很快，費(fèi)用高。國產(chǎn)設(shè)備中螺桿的最高壽命不超過5 00h,距國際先進(jìn)水平的1000h差距很大：活塞式成型機(jī)的成型模腔一般要100h修復(fù)一次：國內(nèi)外的同類環(huán)模式成型設(shè)備平均修復(fù)周期在1000h左右。維修費(fèi)用f取決于環(huán)模直徑）為1萬～4萬元。德國某廠環(huán)模成型機(jī)的環(huán)模每運(yùn)行90d需要維修一次。一臺環(huán)模總成可維修10次，每次耗資4500歐元。
3）成型機(jī)對原料的粒度和含水率要求不盡相同，從6%～35%不等，超出正常范圍就會導(dǎo)致不能成型或能耗增大，從而導(dǎo)致因各地原料不同而配備各種專門設(shè)計的成型設(shè)備。另外，不同的成型設(shè)備適用的原料要求嚴(yán)格：為鋸末、木屑設(shè)計的成型設(shè)備不能處理生物質(zhì)秸稈等；能處理秸稈的成型設(shè)備對稻殼無能為力：處理稻殼的成型設(shè)備卻奈何不得棉花稈等。
2 4成型燃料結(jié)渣嚴(yán)重
秸稈類生物質(zhì)在生長過程中會吸收一定量的金屬元素，這些元素以鹽或氧化物等形式存在于生物質(zhì)機(jī)體內(nèi)，且熔點相對較低，大部分在700~900℃。當(dāng)秸稈類生物質(zhì)固體成型燃料在鍋爐內(nèi)燃燒時。爐內(nèi)溫度遠(yuǎn)高于堿金屬化合物的熔點，導(dǎo)致爐排上的秸稈灰在800～900℃時就開始發(fā)生軟化，溫度過高時灰分會全部或者部分發(fā)生熔化．形成玻璃狀堅硬爐渣。難以清除。另外，煙氣中夾帶著熔化或半溶化的堿金屬硅酸鹽，在接觸到鍋爐內(nèi)壁面時凝結(jié)。不斷積聚，最終產(chǎn)生嚴(yán)重的積灰或結(jié)渣等問題。結(jié)渣現(xiàn)象不僅會影響燃燒設(shè)備的熱性能，而且會危及燃燒設(shè)備的安全性。
2.5不同生物質(zhì)成型燃料燃燒性能差異大
不同種類生物質(zhì)的熱值和工業(yè)成分不同。見表2所示。稻草的低位熱值為1.39×l04kj/kg而雜草的低位熱值為l.6 x l04 kj/kg。相比之下，木材的發(fā)熱量較大，楓木和松木的低位熱值分別為1.89×104 kj/kg和1-90 x l04kJ／k昏熱值的不同致使對應(yīng)的成型燃料在燃料爐中燃燒時性能存在差異，從一種燃料換到另一種燃料燃燒時，所發(fā)出的能量就會存在波動，從而導(dǎo)致供熱或發(fā)電的不均勻性。這種不均勻性必然影響居民取暖或輸電的穩(wěn)定。
3、解決問題的方案
3.1充分論證。保證原料可持續(xù)供應(yīng)
項目投資人和地方政府要對生物質(zhì)電廠項目進(jìn)行科學(xué)的可行性分析和論證。充分考慮國家政策、當(dāng)?shù)氐纳镔|(zhì)原料數(shù)目、分布、利用途徑、已有企業(yè)類型和經(jīng)濟(jì)效益等。立項規(guī)模要合適，地點選擇要恰當(dāng)，宏觀審批要慎重，有大型人造板廠則不宜批建生物質(zhì)電廠，從而保證原料供應(yīng)充足，并且對可用于成型燃料生產(chǎn)和發(fā)電項目的生物質(zhì)總量、可獲得性、可供應(yīng)量、秸稈等生物質(zhì)原料到廠價格以及秸稈資料的區(qū)域差異等相關(guān)問題形成一套完整的理論體系。項目一旦上馬，要進(jìn)行科學(xué)的管理，保證項目的長久發(fā)展，確保對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)、農(nóng)民生活質(zhì)量及農(nóng)村環(huán)境切實有益。
3.2對原料合理預(yù)處理，優(yōu)化成型工藝
預(yù)處理對于增加原料成型性能、改善成型燃料的物理品質(zhì)和燃燒性能及降低成型機(jī)能耗具有重要影響。改變原料的預(yù)處理方式可以提高不同種類秸稈自身膠合固化成型性能，從而有效改善不同種類秸稈成型性能和顆粒成型燃料結(jié)合強(qiáng)度。在原料預(yù)處理方面，蒸汽爆破預(yù)處理、木質(zhì)纖維材料芐基塑化是新近發(fā)展起來的預(yù)處理方法。在對原料進(jìn)行蒸汽爆破和芐基化處理的基礎(chǔ)上，確定合理的成型工藝。
蒸汽爆破主要是利用高溫高壓水蒸汽處理纖維原料，并通過瞬間泄壓過程實現(xiàn)原料的組分分離和結(jié)構(gòu)變化。處理后天然纖維原料膨松呈煙絲狀。纖維素的孔隙增大。對其進(jìn)行熱性質(zhì)分析表明，蒸汽爆破使植物纖維原料的半纖維素和木質(zhì)素降解為低分子物質(zhì)，并且使纖維疏松，形成多孔性，易于燃燒。經(jīng)此處理的纖維便于成型，從而可提高成型機(jī)對原料的適應(yīng)性。實施時可對不同種類秸稈采用不同含水率、不同溫度、不同壓力進(jìn)行工藝優(yōu)化。得到不同種類秸稈爆破法工藝參數(shù)，提高成型設(shè)備對不同種類原料的適應(yīng)性。
植物纖維材料芐基塑化即通過化學(xué)手段，用其他的官能團(tuán)來部分取代其纖維素、半纖維素或木質(zhì)素上面的羥基，一方面會減少各成分之間的氫鍵，使纖維素及半纖維素等分子間的結(jié)合力大大下降：另一方面這種改性還會破壞纖維素的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，最終使木質(zhì)纖維材料可以在一定溫度下軟化成為熱塑性材料。熱塑性材料在一定溫度下易于成型，且結(jié)合強(qiáng)度提高。實施時可對不同種類原材料（木材、麥秸、玉米秸、棉稈、稻殼等）進(jìn)行一定比例）芐基化預(yù)處理，將芐基化產(chǎn)物與未處理原料混合，之后在成型機(jī)內(nèi)成型，總體提高設(shè)備對原材料的適應(yīng)性。
3.3研發(fā)和改進(jìn)成型設(shè)備
研制多種類高含水率物料（濕物料秸稈）一次粉碎技術(shù)與設(shè)備。普通的晾曬處理如遇陰雨天氣。秸稈易霉變甚至腐爛，使秸稈利用價值降低，因而有必要研發(fā)針對不同來源、不同種類的高含水率物料一次粉碎技術(shù)與設(shè)備，實現(xiàn)多種濕秸稈即收割即粉碎，并且提高碎料程度。可采用揉搓裝置、錘片粉碎、篩分裝置等的有機(jī)結(jié)合技術(shù)設(shè)計開發(fā)設(shè)備。將秸稈高度分離，得到介于刨花碎料和熱磨纖維之間的亞纖維。粉碎后的秸稈進(jìn)行再氣干或人工干燥，一方面提高干燥效率。另一方面可預(yù)防或減少秸稈霉變腐爛，為后續(xù)成型工藝做好準(zhǔn)備。
提高成型部件的耐磨性，合理設(shè)計成型部件的材料、尺寸。合理選擇成型因素水平。對成型的關(guān)鍵部件采用先進(jìn)的表面熱處理和涂層及滲層等技術(shù)以提高耐磨性。
研究設(shè)備對原料的適應(yīng)性，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸設(shè)計、制造精度等角度角度出發(fā)。提高其對原料的適應(yīng)性，主要是對含水率的適應(yīng)性。
3.4提高成型燃料的抗結(jié)渣性能
一是進(jìn)一步改善對原料的預(yù)處理，減少秸稈中的金屬元素。試驗表明。使用60~70℃的水對秸稈進(jìn)行洗濾，可脫出秸稈中95%的K和Cl元素。二是在秸稈的收集運(yùn)輸過程中．應(yīng)避免混入含有S02的泥沙，防止K和Na等元素的化合物與SO2發(fā)生反應(yīng)而生成低熔點的共晶體。三是研制和選用合理的抗結(jié)渣添加劑。農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計研究院田宜水等提出了一種生物質(zhì)固體成型燃料抗結(jié)渣添加劑。該添加劑主要由15%~25%的碳酸鎂、20%~30%氧化鋁和45%~65%的碳酸鈣組成，按照不同的生物質(zhì)原料制定不同的配方配比，并按照1%～5%的比例將抗結(jié)渣添加劑添加到不同的生物質(zhì)原料中。四是采用各種措施（如水冷震動爐排等1將鍋爐燃燒溫度控制在900℃以下。對鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計。避免攜帶低熔點顆粒的熱氣體與換熱面接觸等。
3.5提高成型燃料燃燒均勻性
應(yīng)改變不同種類生物質(zhì)原料的成型參數(shù)。以提高其成型燃料的燃燒性能。有研究表明，玉米秸稈成型燃料的燃燒性能隨著相對孔隙率的不同而變化。相對孔隙率大的玉米秸稈成型燃料相對較好燃燒。具有較好的燃燒性能，反之則不好。為此，應(yīng)根據(jù)生物質(zhì)成型燃料的燃燒特性優(yōu)化成型燃料鍋爐運(yùn)行參數(shù)，以提高燃燒效率和熱效率。如上文表2所示，木材比秸稈的熱值高，可嘗試木質(zhì)材料和非木質(zhì)材料混合，如木材一麥稈、木材一稻秸等混合成型燃料、生物質(zhì)原料和煤粉混合成型燃料。從配比、密度等方面提高成型燃料的燃燒均勻性，提高熱值。
4、結(jié)語
開發(fā)和利用生物質(zhì)能是解決環(huán)境污染、能源短缺問題的重要途徑。但生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)和利用過程中在原料的持續(xù)供應(yīng)、原料預(yù)處理、成型工藝、設(shè)備、成型燃料結(jié)渣和燃燒性能等方面仍然存在諸多問題，解決好這些問題是確保生物質(zhì)致密成型和利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，尚有大量的工作需要進(jìn)行。
