生物質(zhì)致密成形技術(shù)，是利用機(jī)械方法將低能量密度的生物質(zhì)壓縮變形成具有高密度的產(chǎn)品，原料經(jīng)擠壓成型后，密度可達(dá)1.1～1.3 g／cm3。與普通的薪柴燃料相比，生物質(zhì)致密塊具有密度高、強(qiáng)度大、便于運(yùn)輸和裝卸、形狀和性質(zhì)均一、燃燒性能好、熱值高、適應(yīng)性強(qiáng)、操作控制方便等特點(diǎn)，可用于鍋爐和煤氣發(fā)生爐，也可用于工業(yè)、家庭和農(nóng)業(yè)園林暖房的取暖。是一種極具競爭力的燃料。
1、生物質(zhì)致密成形技術(shù)研究現(xiàn)狀
1.1 國外研究現(xiàn)狀
1900年日本就開始研究用于替代木材燃料的煤粉壓縮成形塊，隨后許多國家相繼開始對容積大、熱值低的生物質(zhì)材料開展壓編成形的研究。在加世紀(jì)30年代，美國開始研究生物質(zhì)燃料致密成形技術(shù)，并研制了螺旋式成形機(jī)。日本于20世紀(jì)50年代引進(jìn)該項(xiàng)技術(shù)后對其進(jìn)行了改進(jìn)，并發(fā)展成為日本獨(dú)特的工業(yè)體系。20世紀(jì)70年代，由于中東戰(zhàn)爭引發(fā)的能源危機(jī)，西歐許多國家如芬蘭、比利時(shí)、法國、德國、意大利等也開始重視生物質(zhì)致密成形技術(shù)的研究。美國從20世紀(jì)70年代開始，研究開發(fā)了顆粒狀成型燃料技術(shù)，其生產(chǎn)能力為80萬t/a，主要用于家庭取暖用的壁爐和鍋爐。日本開發(fā)生產(chǎn)的棒狀成型燃料，生產(chǎn)能力為25萬t/a左右，它可以進(jìn)一步炭化成定型木炭。在歐洲，瑞典開發(fā)了生物質(zhì)與固體垃圾共成型燃燒技術(shù)，解決了垃圾燃燒有害氣體二惡英超標(biāo)問題。
富通新能源生產(chǎn)銷售顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備。
1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國從20世紀(jì)80年代起開始生物質(zhì)致密成形技術(shù)的研究，特別是近年來，國內(nèi)科研單位加大了研究力度，取得了明顯進(jìn)展。清華大學(xué)清潔能源研究與教育中心研究了生物質(zhì)顆粒燃料冷成型技術(shù)和設(shè)備，并在北京懷柔區(qū)實(shí)施了示范項(xiàng)目。浙江大學(xué)能源清潔利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在生物質(zhì)成型理論、成型燃料燃燒技術(shù)等方面進(jìn)行了研究。農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所與江蘇正昌集團(tuán)、牧羊集團(tuán)等國內(nèi)機(jī)械制造廠商研究生產(chǎn)生物質(zhì)利用設(shè)備，山東大學(xué)、華中科技大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、華北電力大學(xué)等都對生物質(zhì)成型燃料進(jìn)行了研究。中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所從20世紀(jì)80年代開始研發(fā)林業(yè)生物質(zhì)原料和農(nóng)業(yè)廢棄物的成型技術(shù)。東南大學(xué)、中科院廣州能源研究所、湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國農(nóng)機(jī)院等也進(jìn)行了一些研究。湖南省衡陽市糧食機(jī)械廠為處理大量糧食加工谷殼，在1985年根據(jù)國外樣機(jī)試制了第一臺(tái)ZT-63型生物質(zhì)致密成形機(jī)。江蘇省連云港東海糧食機(jī)械廠在1986年引進(jìn)了一臺(tái)OBM-88棒狀燃料成形機(jī)。1994年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，中國農(nóng)機(jī)能源動(dòng)力所分別研究出PB-1型．CYJ-35型機(jī)械沖壓式成形機(jī)。1997年河南農(nóng)業(yè)大學(xué)又研制出HPB-1型液壓驅(qū)動(dòng)柱塞式成形機(jī)。1998年初，東南大學(xué)、國營9305廠等單位研制了“MD-55”型固體燃料成形機(jī)。2007年北京菲美得機(jī)械有限公司生產(chǎn)的環(huán)模擠壓生物質(zhì)致密成形設(shè)備已在山西、遼寧等地農(nóng)村得到應(yīng)用。華北電力大學(xué)與生物質(zhì)發(fā)電企業(yè)龍基電力有限公司合作建立了生物質(zhì)能研發(fā)中心，開展生物質(zhì)固化成形及直燃發(fā)電項(xiàng)目的研究。
2、生物質(zhì)致密成型工藝
生物質(zhì)致密成型工藝可分為常溫成形、熱壓成形和碳化成形等。雖然工藝流程不盡相同，但可大致分為以下過程。
2.1干燥技術(shù)
干燥是利用熱能將生物質(zhì)材料中的水份蒸發(fā)排出，獲得具有較少含水量的固體產(chǎn)品的過程。生物質(zhì)的含水率一般在20%～40%．干燥是必不可少的過程。目前主要有兩種方式，一是自然干燥，二是人工干燥，即采用于燥機(jī)干燥。自然干燥一般無特殊要求，干燥后的含水量一般為8%左右。人工干燥需考慮秸稈的木質(zhì)素軟化及秸稈易燃等問題，干燥溫度一般控制在80℃左右。主要技術(shù)包括流化床干燥、回轉(zhuǎn)圓筒干燥、筒倉型干燥技術(shù)。一般生物質(zhì)宜采用氣流式干燥，以生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙道氣為熱源，物料在干燥管內(nèi)干燥后由旋風(fēng)分離器排出。流化床干燥裝置可以輕易地輸送加工原料，干燥過程中可避免局部原料過熱，對熱敏性產(chǎn)品適應(yīng)性強(qiáng)，比較適用與流動(dòng)性好、顆粒度不大(0.5—10 mm)、密度適中的物料，如稻殼、花生殼以及一些果殼等。
2.2切割技術(shù)
切割技術(shù)主要是改變生物質(zhì)燃料（如秸稈）的幾何尺寸，將其尺寸變小、密度增大、流動(dòng)性增強(qiáng)，使生物質(zhì)秸稈方便利用。
2.3粉碎技術(shù)
對于生物質(zhì)原料，一般要求粉碎粒度小于1mm。目前市場上粉碎機(jī)存在轉(zhuǎn)子平衡差、粉塵濃度高以及噪音大等問題，有待于開發(fā)新產(chǎn)品。
2.4制粒技術(shù)
根據(jù)不同生物質(zhì)原料的特點(diǎn)，目前制粒技術(shù)主要有兩種工藝。第一種，對于不易成粒的原料，在制粒時(shí)添加適量的淀粉、廢紙漿等粘結(jié)劑，使得原料小顆粒的表面形成一種吸附作用．在外界較小的壓力下制粒成形。；第二種，通過加熱的方法，在成形過程中使木質(zhì)素在一定溫度(70℃)發(fā)生軟化、熔融、粘結(jié)，然后固化成形。
目前，我國采用的制粒方法均為傳統(tǒng)生產(chǎn)方法。它與現(xiàn)有的飼料制粒方式相同，即原料從環(huán)模內(nèi)部加入，經(jīng)由壓輥碾壓擠出環(huán)模而成粒狀。其工藝流程包括原料烘干、壓制、冷卻、包裝等。該工藝需要消耗大量能量，在顆粒壓制成型過程中，壓強(qiáng)達(dá)到50—100 MPa，原料在高壓下發(fā)生變形、升溫，溫度可達(dá)100~120℃，電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要消耗大量的電能。原料的濕度要求在12%左右，濕度太高和太低都不能很好成粒，因此原料烘干才能用于制粒。壓制出來的熱顆粒（顆粒溫度可達(dá)95—110℃）冷卻后才能進(jìn)行包裝，產(chǎn)品制造成本較高。
ETS是意大利研制開發(fā)的新型木質(zhì)顆粒制粒生產(chǎn)系統(tǒng)。它對原料的濕度適應(yīng)性強(qiáng)，濕度為10%—35%時(shí)就可以成粒，所以大部分原料不需要干燥即可直接用于制粒。成粒以后的升溫只有10~15℃，壓制出來的顆粒溫度一般為55—60℃，無須冷卻即可直接進(jìn)行包裝，通常可以去掉干燥和冷卻工序。這種制粒方法能耗很低，機(jī)器磨損也小，總成本降低很多，生產(chǎn)效率顯著提高。
影響秸稈制粒的因素主要有生物質(zhì)原材料的種類、含水率、制粒機(jī)模具的形狀尺寸、是否加熱以及是否添加粘結(jié)劑，及粘結(jié)劑的種類等，因此，在選擇制粒設(shè)備時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況具體討論。
2.5 固化成形技術(shù)
生物質(zhì)致密成形工藝主要有常溫壓縮成形、熱壓成形和碳化成形3種形式。
(1)纖維類原料在常溫下，浸泡數(shù)日水解處理后，其壓縮成形特性明顯改善，纖維變得柔軟、濕潤皺裂并部分降解，易于壓縮成形，利用簡單的杠桿和木模，將部分降解后的農(nóng)林廢棄物中的水份擠出，即可形成低密度的壓縮成形燃料塊；
(2)熱壓成形是目前普遍使用的致密成形工藝。其工藝流程為：原料粉碎一干燥-混合一擠壓成型一冷卻包裝。采用的致密成形設(shè)備主要有螺桿擠壓式成形機(jī)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞沖壓式成形機(jī)、液壓驅(qū)動(dòng)活塞沖壓成形機(jī)等幾種形式。其原理都是在外力作用下把生物質(zhì)壓制成形：
(3)碳化成形分為兩種情況：①先炭化后成形工藝：原料-粉碎除雜一炭化一混合粘結(jié)劑-擠壓成型一成品干燥-+包裝；②先成形后炭化工藝：原料→粉碎一干燥一成形一炭化一冷卻-包裝。
2.6碳化技術(shù)
碳化的方式有連續(xù)內(nèi)熱式干餾法、外熱間歇式干餾法和燒炭法。連續(xù)內(nèi)熱式適于大規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)，燒炭法適于小規(guī)模經(jīng)營，外熱間歇式則適于各種情況。木屑、刨花等原料生產(chǎn)的成型燃料更適合碳化，秸稈、稻殼等原料由于灰分大，除特殊情況外均不碳化。
3、生物質(zhì)燃料致密成形的成型機(jī)機(jī)型比較
生物質(zhì)固化成型的設(shè)備包括粉碎機(jī)、干燥設(shè)備、成型機(jī)、碳化釜等。成型是整個(gè)過程的決定性步驟，成型機(jī)的性能決定了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本。因物料的種類、含水率等的差異，會(huì)造成成型技術(shù)的復(fù)雜性和工藝的不確定性。目前世界上研究的生物質(zhì)燃料致密成型機(jī)主要有螺旋擠壓式成型機(jī)、柱塞沖壓式成型機(jī)、壓輥式顆粒成型機(jī)3種。
3.1 螺旋擠壓式成型機(jī)
螺旋擠壓式成型機(jī)是最早研制生產(chǎn)的生物質(zhì)熱壓成型機(jī)。這類成型機(jī)以其運(yùn)行平穩(wěn)、生產(chǎn)連續(xù)、所產(chǎn)成型棒易燃等特性在成型機(jī)市場中一直占據(jù)著主導(dǎo)地位。
螺旋擠壓式成型機(jī)根據(jù)螺桿的多少可分為單螺桿式和雙螺桿式。可根據(jù)螺距分為等螺距螺桿擠壓成形機(jī)和變螺距擠壓成形機(jī)。
目前，制約螺旋式成型機(jī)商業(yè)化利用的主要問題是成型部件使用壽命短，尤其是螺桿磨損嚴(yán)重；單位產(chǎn)品能耗高，生產(chǎn)率低，對原料的含水率和顆粒大小要求較高，成形工藝不好掌握。
3.2活塞沖壓式成形機(jī)
根據(jù)動(dòng)力來源的不同，可分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)和液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)。
機(jī)械式?jīng)_壓成形機(jī)是利用飛輪儲(chǔ)藏的能量通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)沖壓活塞，將松散的生物質(zhì)沖壓成生物質(zhì)壓塊。液壓式?jīng)_壓成形機(jī)是利用液壓油缸所提供的壓力，帶動(dòng)沖壓活塞使生物質(zhì)沖壓成形。柱塞沖壓式成形機(jī)通常不需加熱，原料的成形靠柱塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，用于生產(chǎn)密度介于0.8~1.1g/cm3乏間的實(shí)心燃料棒或燃料塊。
與螺旋擠壓式成型機(jī)相比，機(jī)械成型機(jī)明顯改善了成型部件磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象，使用壽命在200 h以上，而且單位產(chǎn)品能耗也有較大幅度的下降，但存在運(yùn)行穩(wěn)定性差，噪音較大，成形物密度較低，容易松散等問題。
液壓驅(qū)動(dòng)活塞式成型機(jī)由于采用液壓驅(qū)動(dòng)，機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)，噪音小，但由于活塞的運(yùn)動(dòng)速度較機(jī)械驅(qū)動(dòng)時(shí)低很多，產(chǎn)量要受到一定程度的影響。
3.3輥壓式顆粒成形機(jī)
輥壓式成型機(jī)主要用于生產(chǎn)顆粒狀成型燃料，一般不需外部加熱，可根據(jù)原料狀況添加少量粘結(jié)劑，對生物質(zhì)原料的含水率要求較寬，一般在10%—40%之間，成形燃料的密度為1.0—1.4 g/cm3，隨著原料含水率的增加，其密度有減少的趨勢。
根據(jù)壓模形狀的不同，壓輥式成型機(jī)可分為環(huán)模成型機(jī)和平模成型機(jī)．其中環(huán)模成型機(jī)又分為臥式和立式兩種機(jī)型。臥式環(huán)模成型機(jī)是現(xiàn)有顆粒成型機(jī)的主流機(jī)型。這種機(jī)型由于部件更換保養(yǎng)方便、樣機(jī)容易進(jìn)行尺寸和速度放大等特點(diǎn)，所以近年來有了很大發(fā)展。立式環(huán)模成型機(jī)具有構(gòu)造簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、使用方便等特點(diǎn)。
4、我國生物質(zhì)致密成型主要存在問題
4.1成型機(jī)問題
生物質(zhì)成型機(jī)目前雖然初具規(guī)模，但大部分機(jī)組可靠性差，運(yùn)行不平穩(wěn)，易損件使用壽命太短，維修和更換不方便。技術(shù)較成熟的螺旋擠壓式成型機(jī)，螺桿是在較高溫度和壓力下工作，并與物料始終處于于摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致螺桿壽命極其有限。液壓活塞式和輥壓式下致密成型機(jī)也存在類似問題。同時(shí)，對物料在設(shè)備中的運(yùn)行機(jī)理也沒有進(jìn)行深入的研究。
4.2成型原料問題
生物質(zhì)原料的特點(diǎn)具有季節(jié)性、分散性、運(yùn)輸半徑大，規(guī)模利用和高效利用都較困難，，因此嚴(yán)重影響了生物質(zhì)成型燃料的工業(yè)化生產(chǎn)，根據(jù)中國農(nóng)村的特點(diǎn)，必須考慮生物質(zhì)的收集半徑，建議采取分散設(shè)點(diǎn)加工和就地使用和集中調(diào)配使用的方法。
4.3配套設(shè)備問題
由于成型機(jī)對生物質(zhì)燃料的種類、粒度、含水率要求較高，而成型設(shè)備自動(dòng)化程度低，粉碎、干燥、進(jìn)料和包裝設(shè)備沒有形成配套的生產(chǎn)線，工作時(shí)原料往往達(dá)不到要求。
4.4科研投入不足。
相對科研內(nèi)容來說，投入過少，使得研究的技術(shù)含量低，多為低水平重復(fù)研究，最終未能解決一些關(guān)鍵技術(shù)。大多數(shù)工程采用簡單工藝和簡陋設(shè)備，設(shè)備利用率低，轉(zhuǎn)換效率低下。
另外也存在一些消極因素影響生物質(zhì)能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。第一，在現(xiàn)行能源價(jià)格條件下，生物質(zhì)能源產(chǎn)品缺乏市場競爭能力，投資回報(bào)率低挫傷了投資者的投資積極性，而銷售價(jià)格高又挫傷了消費(fèi)者的積極性。第二，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)范，市場管理混亂。第三，目前，有關(guān)扶持生物質(zhì)能源發(fā)展的政策尚缺乏可操作性，各級政府應(yīng)盡快制定出相關(guān)政策，如價(jià)格補(bǔ)貼和發(fā)電上網(wǎng)等特殊優(yōu)惠政策。第四，民眾對于生物質(zhì)能源缺乏足夠認(rèn)識(shí)，應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)常識(shí)的宣傳和普及工作。第五，政府應(yīng)對生物質(zhì)能源的戰(zhàn)略地位予以足夠重視，開發(fā)生物質(zhì)能源是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)視作實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基本建設(shè)工程。
5、生物質(zhì)固化成形技術(shù)未來的發(fā)展方向
5.1 開發(fā)面向電廠的大型生物質(zhì)致密成型設(shè)備
針對我國可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，建立生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)研發(fā)和工程化驗(yàn)證條件，開發(fā)適用于發(fā)電的生物質(zhì)致密成型設(shè)備，形成包括干燥，成型，包裝，冷卻等主要環(huán)節(jié)，形成具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，用于區(qū)域供電、熱電聯(lián)產(chǎn)的大型致密成型生產(chǎn)線。
5.2開發(fā)面向農(nóng)村的小型常溫高壓致密成型設(shè)備
生物質(zhì)能資源巨大，主要分布在農(nóng)村地區(qū)。隨著農(nóng)村生活水平的提高，大量包含植物纖維的農(nóng)業(yè)廢棄物，如農(nóng)作物秸稈、谷殼、制糖作物殘?jiān)绒r(nóng)林產(chǎn)品加工廢棄物不再作為生活燃料和飼料，而堆積在田間，或焚燒或腐爛，造成了環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。在化石能源價(jià)格不斷上漲，農(nóng)民家庭用于支出能源消費(fèi)的比例逐漸增長的今天，價(jià)格低廉的壓塊燃料在農(nóng)村推廣，具有巨大的潛力。目前適合我國農(nóng)村小型生物質(zhì)燃料致密成型生產(chǎn)線的產(chǎn)品尚不成熟，開發(fā)適用于我國農(nóng)村的中小型致密成型設(shè)備勢在必行
5.3進(jìn)行生物質(zhì)致密成形設(shè)備的基礎(chǔ)研究
在生物質(zhì)致密成形設(shè)備開發(fā)中，由于科研投入過少，使得研究的技術(shù)含量低，未能解決一些關(guān)鍵技術(shù)。迫切需要在進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，探索不同種類的生物質(zhì)燃料原料的含水率、顆粒度和成型機(jī)擠壓力、型腔溫度對所開發(fā)設(shè)備成型效果的影響，進(jìn)行含水率、致密度對燃燒性能影響的機(jī)理分析以及分析生物質(zhì)材料在致密成型過程中宏觀物理化學(xué)特性，探討其致密成型機(jī)理，并研究目前關(guān)鍵部件的材料失效問題，為開發(fā)高性能設(shè)備做相應(yīng)的基礎(chǔ)研究。
富通新能源生產(chǎn)銷售秸稈顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)、秸稈壓塊機(jī)等生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)械設(shè)備，同時(shí)我們還有大量的生物質(zhì)顆粒燃料出售。
