1、前言
人們對能源和環境的日益關注促進了全球生物質能的發展。將當地生產的生物質原料用作能源將減小對化石燃料的依賴，減少碳排放，改善環境和促進社會的發展。增加生物質的使用已經成為中國國家和地方政府能源策略中的一個主要目標。各地生物質資源以及將生物質轉化成能源的方法各不相同。廣西壯族自治區用木薯稈作為原料產熱、發電及生產生物質顆粒／塊，直接燃燒是能源轉化的主要方法。
在廣西壯族自治區，大約22萬hm2的邊際土地和農田已經被用來種植木薯，占當前全國木薯總產量的60%，因此木薯稈資源豐富。木薯塊根產量較大，被用于生產淀粉和乙醇。武鳴縣的初步預測表明，莖稈生物質的產量可以高達約7.5 t／hm2（干重）。現在，只有10%～15%的莖稈被保存下來用于下一季的繁殖，少量的莖稈被農戶粉碎后還田，一部分木薯渣被開發成飼料、作為食用菌栽培基質或作為刨花板加工原料，而絕大多數可被用于直接燃燒的原料則被丟棄。
傳統的供熱電聯產模式已經被全世界使用。然而，只有當熱負荷大的時候，它才能達到高能效。高能效不僅能促進高效益，還能促進可持續發展的能源應用以及保護環境。由于廣西壯族自治區的亞熱帶氣候和非常短的寒冷季節，其用于取暖的熱負荷是非常有限的。
將生物質升級為
顆粒燃料并作為固體燃料生產熱電被工業化國家證明是一條應用生物質能源的最適宜的技術。中國政府制定了在2020年以前每年生產5 000萬t顆粒燃料的目標。與原始生物質不同，顆粒燃料是一種高致密的燃料，單位體積內含有較高的能量，不僅能夠在普通鍋爐和爐灶中使用，也適用于具有非常優良燃燒性能的自動化燃燒裝置（家用或企業規模的設備）。顆粒或塊型燃料經過顆粒機或者秸稈壓塊機壓制而成是具有高密度的干燥產品，這使得其在經濟上能夠實現遠距離運輸和交易。本研究的主要目標為考察以木薯稈為原料的熱電及顆粒燃料聯產的可行性。該概念包含從木薯稈原料的可獲得性到建立經典的熱電聯產工廠并整合顆粒燃料生產的模式，涉及了全部產業鏈。
2、木薯稈資源狀況
2.1木薯稈收獲指數
對廣西木薯塊根產量（濕重）進行的調查表明，地上部分莖稈／塊根變異較大，為0. 34～0.75(見表1)，均值為0. 49。在木薯稈資源評估中可以0.49作為收獲指數。
2.2木薯稈資源估計
對三個縣的樣本的分析表明，在收獲期，地上莖稈的含水量平均為75,3%。
根據廣西統計年鑒E612009年的統計數據，木薯種植面積大約為221 200 hm2。木薯塊根的總產量約為471萬t（鮮重），相應地，木薯莖稈地上部干重總計570 051 t（見表2）。
農民需要保留1/3的地上莖稈用于木薯下一季的繁殖。因此，用于生物質燃料的地上莖稈資源可獲得量為：570 051x 2/3=380034 t干重，或約等于廣西每年產出1793 GW．h的電量。
2.3木薯渣資源
目前，大部分木薯塊根被用于生產淀粉或酒精。提取淀粉或酒精后剩下的富含纖維的殘渣經處理后也可用作生物質燃料。這種殘渣是一種非常好的可用于造粒或生產粉末的材料。平均算來，塊根中纖維的含量為12%，水分的含量為60%。因而，廣西壯族自治區的塊根殘渣總量（干重）約為226 080 t（見表3），或相當于每年1128 CW“電量。
木薯稈和木薯渣資源可用作能源開發的數量是606 114t；未來5年，如果該資源的產業化開發能進一步帶動木薯種植面積增長10%，不考慮木薯育種及主推品種對收獲指數的影響，可用作能源開發的資源將是666 725t；如果種植面積能增加20%，則資源總量將為727 337t。
3、木薯莖稈能源利用
3.1木薯稈燃料性狀
總的來說，木薯稈是一種很有前景的直燃燃料。盡管它的平均熱值略微低于軟木燃料（見表4），但與瑞典的能源作物葫草( RCC)相當。灰熔點與在春季收獲的RCG相當，但高于作物殘余物（如中國吉林省的玉米秸稈）。高灰熔點意味著燃燒結渣風險低。木薯稈灰分的平均含量低于RCG和玉米秸稈，這一點對進一步利用也是有利的。
總的來說，木薯稈的燃燒特性與其他已知的燃料有很大區別，尤其是P、K、Ca等元素含量高以及Si含量低。這些特性會使它成為優質燃料，但其燃燒機制不同于其他的生物質燃料。由于N的含量非常高，在燃燒體系中可能需要有降低氮氧化合物的工藝。CI的平均含量不是非常高，但是在少數地區，卻達0.2～0.3，這需要做進一步的處理。
3.2原料堆放
木薯稈堆放一年后，其燃料特性發生變化（見表5）。其中，熱值提高，改善了燃料的熱能性狀，硫和氯含量的減少，有利于降低鍋爐結渣結垢的風險；而灰分略微增加，初始變形溫度降低，會增加結渣結垢的風險，含氮量的增加則會增加尾氣中NO。的排放。總體上說，排除木薯稈受土壤污染的可能后，木薯稈燃料性狀有所改良。木薯稈整株堆垛和扎捆的堆積密度為56～77 kg/m3，而莖稈條(5～20 mm)和粉末(1.25 mm)的堆積密度卻增加到了115 kg／m3和135 kg/m3（見表6）。這些性狀對設計合理的工業鏈和管理生產實踐有參考價值。
3.3木薯稈粉末燃燒特性
就木薯稈用于蒸汽發電和蒸汽干燥制顆粒原料的工業用途而言，木薯稈粉末燃燒被認為是最經濟和最合適的。粉末燃燒工藝的高效性和良好的功率調節可以證明上述觀點。將40 kg的木薯秸稈用
秸稈粉碎機粉碎木薯至粒徑小于1 mm，并使用瑞典北部能源技術中心100 kW的實驗裝置對木薯稈粉末燃燒進行了實驗。表面木薯稈可以作為粉末燃料，廢氣中CO含量很少，表明燃料接近完全燃燒（見表7），相對木材粉末來講，高濃度的NO表明木薯稈氮元素含量很高。底灰的物理性質顯示，在鍋爐中其不會導致機械故障，灰分不是凝結的而是十分松軟，很容易將其移出鍋爐；飛灰所占比例比其他生物質燃料高。粉塵排放高，因此將來要考慮為其加裝清潔裝置（如過濾器）。煙灰是干燥的，可利用現有過濾技術進行解決。燃燒實驗發現，在模擬的蒸汽鍋爐內冷卻部位產生了大量的粉塵沉淀堆積（比木材多4倍），這與木薯稈粉末的化學組成有關，這些堆積物很軟，所以很容易去除。
3.4木薯稈壓制顆粒性狀及燃燒特性
用生產能力為300 kg/h的小型環模壓輥式顆粒造粒機壓制木薯稈顆粒，采用6 mm篩的錘式粉碎機粉碎樣品，通過蒸汽發生器在磨碎的木薯稈中加入少量(2 kg/h)的蒸汽，用8 mm x55 mm的模具壓制，沒有對壓程長度進行優化。木薯稈含水量是顆粒化過程中一個非常重要的參數，將木薯稈含水量調節為10%、12%和14%三個水平。生產出的所有顆粒的耐久性和密度測試都符合歐洲標準，顆粒質量很高（見圖1）。同時也發現，木薯稈的含水量比原產區對顆粒的品質影響更大，表明在顆粒化之前控制木薯稈的含水量是很重要的。
木薯顆粒化消耗的能量比制造其他生物質能顆粒（如木質和葫草）要低，而這是在沒有改變設備的基本設置條件下取得的，如對造粒設備進行優化，將會節省更多的能量。
為了用于住宅或其他小型或中型規模的燃燒設備，用兩種不同的燃燒爐評估了顆粒燃料。第一種燃燒爐是適用于低灰顆粒燃料的Eco Tec 30kW。木薯稈顆粒在其中只能短時間燃燒，不久燃燒器中就裝滿灰分，空氣被隔絕。第二種為生物質技術與化學研究所的專門用于高灰分顆粒燃料的燃燒器。采用兩種戶用顆粒燃燒爐燃燒木薯稈顆粒，達到燃燒爐的最高溫度（1 017～1 256℃）時沒有明顯結渣出現。在兩種燃燒爐中只出現了少量的小顆粒結渣，但是它們易碎，也很容易去除。在試驗中CO和粉塵排放很多。這與木薯稈顆粒太長、壓縮過于密實有關。長且堅硬的顆粒在離開燃燒爐前很難完全燃燒。沒有燃燒的顆粒被推出燃燒爐，在鍋爐底部繼續燃燒，而底部的空氣量不足。提高木薯稈顆粒的燃燒要從木薯稈顆粒的物理性能和燃燒爐方面優化。相對木材燃料講，在廢氣中NO。濃度高是因為木薯稈氮元素含量高。另外，粉塵排放量高可能與木薯稈中K高、P低有關，但是這有待進一步研究論證。
3.5生物質能聯產：電力和顆粒聯產
為了比較傳統的發電方式和生物質能聯產方式，以木薯為原料，設計了年消耗含水量50%的木薯稈40萬t、滿負荷工作時間8 000 h的單一發電、熱電聯產、發電與固體顆粒聯產（見圖2）三種生產模式。
在單一發電模式中，燃料中32%的能量轉化為電能。能量主要損失在冷卻塔冷卻和鍋爐產生的煙氣中（由于原料含水導致熱潛能損失）。而熱電聯產中，用低溫供暖裝置取代了冷卻塔，該裝置使每年發電量減少了16 GW．h，但是每年用于取暖的熱能增加了480 GW．h，年熱能利用效率因此由32%提升到90%，在發電與固體顆粒聯產中，鍋爐所用的干原料含水量大約為10%。這種生產模式的效率可以通過增加一個蒸汽干燥／供熱裝置來得到提高。在此基礎上，還可以外加熱負荷（熱量用戶），其可以是一個淀粉工廠、一個鋸木廠或其他需要中低溫供熱的工廠。每年工廠內電力消耗不超過30 GW．h。對三種模式的年產出進行比較，生物質能聯產模式產出最大（見表8）。
4、經濟效益分析
炎熱的季節使得對熱能的需求降低因而產生“能量過剩”，生物質能聯產的一個關鍵優勢是可以將其加以利用。這些“過剩能源”可以被大量地用于顆粒燃料或壓塊燃料的生產，燃料產品可以散裝或包裝的方式進行銷售，甚至可儲藏后在熱負荷高峰季節使用或用于做飯。以此方式，優化的熱電聯產運營方式和能源生產能夠在全年所有季節進行，達到具有高能量效率和低成本的顆粒燃料生產、發電和集中供熱。經濟效益和投資風險分析以生物質能聯產為例。
經濟效益估算參照瑞典同等工廠數據，電價和顆粒價格的計算參照中國的政策和市場情況。生物質能聯產工藝中的關鍵部分投資預算參考2009年瑞典的價格和消費情況。此外，基于對其他生物質原料價格的分析以及當前木薯稈是廢棄物、實際成本為零而估算，木薯稈的市場價格為250元/t(干物質)；廣西的生物質能源電價=生產價格+政府補貼=0.435 7 +0.25=0.69元／(kW·h)，當地的商品電價格是0. 52元／(kW·h)。發電過程中輔助能總消耗量是輸出電量的10%（在瑞典僅有5%）；基于目前中國顆粒燃料的市場情況和煤炭被顆粒取代的效果，顆粒市場價格設定為800元／t，另加政府補貼，總計900元／t；廣西木薯稈顆粒和當地煤炭的熱值相當，而熱效率高50%—80%．此外還有多種生態效益；每年的維修費用估計占總設備投資的9%（瑞典僅為7%）。建立一個熱電和顆粒聯產( CPP)工廠總投資大概是3.8億人民幣，工廠每年運行8 000 h，發電4 000萬kW·h、生產16.2萬t固體顆粒。總能效超過96%。
對于顆粒燃料的生產，當生產量達到年生產能力的20.9%時就可以盈虧平衡；對于熱電聯產廠，當其產出達到年產量的42.6%時盈虧平衡。工程平均的投資回收期是5—6年。同煤炭一樣，顆粒燃料可以直接用于工業和民用。雖然顆粒市場價格高，但使用顆粒仍有利可圖。在中國工業上用顆粒燃料代替煤炭比較少，每年僅有幾千噸，今后顆粒燃料潛力很大。中國政府也做出規劃，并采取了一些措施，以促進顆粒燃料的發展和利用。其中一個目標就是到2020年時顆粒燃料的年產要達到5 000萬t。隨著一系列的以促進可再生能源發展的積極稅收政策和相關措施的實施，顆粒燃料銷售價格應該會有更多改善。
5、結語
在我國廣西壯族自治區等熱帶、亞熱帶地區種植了大量的木薯以生產淀粉，木薯稈及木薯渣則作為農業的副產物未能很好開發利用。木薯稈及木薯渣用作固體生物質燃料，具有資源豐富、燃燒性狀好、成型顆粒質量高的特點，是很好的生物能源材料。采用生物能聯產的生產模式，可以獲得較好的經濟效益，隨著我國可再生能源產業政策的實施及產業的進一步發展，木薯稈及木薯渣的開發應用將進一步推動廣西壯族自治區等地區能源結構的改善和生活水平的提高。
三門峽富通新能源銷售
顆粒機、
秸稈壓塊機、飼料顆粒機等生物質燃料飼料成型機械設備，同時我們還有大量的生物質顆粒燃料出售。
