0、前言
秸稈成型燃料(straw densification briquettingfIIeLSDBF)是生物質經(jīng)脫水、粉碎、成型等程序，制備成的致密固體生物質燃料。生物質從生長到成型燃料燃燒的整個循環(huán)中，可以實現(xiàn)C02零排放，并且具有可再生和燃燒效率高的優(yōu)點，是一種清潔無污染的優(yōu)質代煤燃料。
中國每年的秸稈產(chǎn)量有6億t左右，扣除工業(yè)、秸稈還田、飼料、及農(nóng)民生活散燒所消耗的部分，還有2.5億t左右的秸稈可用于生產(chǎn)SDBF。如果用來替代2億農(nóng)戶的生活用煤，可直接和間接地少向大氣排放C02 4.2億t、S02120萬t和煙塵300萬t。不僅節(jié)約能源，而且減少了環(huán)境的污染。
三門峽富通新能源銷售
顆粒機、
秸稈壓塊機、飼料顆粒機等機械設備。
1、SDBF的特點及成型機理
1.1 SDBF的特點
SDBF含70%左右的纖維素、10%～17%的木質素、0.08%～0.3%的s、1%左右的堿金屬、0.2%～O，8%的Si。因成型方式不同，密度在0.8～1.3 g/cm3范圍內(nèi)；重量熱值約為普通煙煤的75%，燃燒比較完全，燃燒后灰渣中殘?zhí)己績H為1%左右，而煤灰渣中殘?zhí)家话阍?5%～20%。因此，1t的SDBF可替代1t煤。溫度在325℃以上時，紆維素開始揮發(fā)分解，使得SDBF的燃燒速度比煤快10%以上，因此，燃燒爐設計不當會導致燃燒過程中產(chǎn)生黑煙。另外，SDBF在燃燒過程中易結渣、發(fā)生灰沉積和腐蝕爐膛，這些缺點限制了SDBF的推廣應用。
1.2SDBF成型機理
生物質秸稈的主要成分是纖維素和木質素，木質素屬于非晶體，沒有固定的熔點，在110℃左右會軟化，160℃左右出現(xiàn)熔融態(tài)，此時給松散生物質秸稈一定的壓力就能使木質素與纖維素緊密粘接并與相鄰顆粒互相膠合，經(jīng)過保型、冷卻后即可固化成型。因此，采用加熱擠壓法成型木屑或農(nóng)作物秸稈燃料時不需要任何添加劑和粘接劑，加工成本低，符合環(huán)保的要求。
成型有熱壓和冷壓兩種形式。熱壓成型著力于減小
磨損，消耗的是外部熱源的熱能；冷壓成型是利用秸稈與設備的高速相對運動產(chǎn)生的磨擦熱來完成壓縮成型，它消耗的是動力，因此，冷壓成型一般需要較大動力，磨損修復費用比熱壓成型高很多倍。表1給出了SDBF成型的參數(shù)。
2、國內(nèi)外成型技術狀況
2.1 國外成型技術發(fā)展
早在20世紀30年代，日本、西德等國就開始研究成型技術。20世紀70年代以來，隨著全球性石油危機的沖擊和環(huán)保意識的提高，世界各國越來越重視開發(fā)和高效轉換生物質能。美國20世紀末已在25個州興建了日產(chǎn)量為250～300 t的樹皮成型燃料加工廠，進行工廠化生產(chǎn)。西歐國家先后研制生產(chǎn)了沖壓式成型機、顆粒成型機，意大利、加拿大、丹麥、法國、德國、瑞典、瑞士、比利時等國相繼建成生物質顆粒燃料成型生產(chǎn)廠家30多個，機械驅動活塞式成型燃料生產(chǎn)廠家40多個，成型設備及成型燃料進入了商業(yè)化運作階段。20世紀80年代初，顆粒成型技術獲得突破，東南亞國家的生物質成型燃料行業(yè)發(fā)展迅速，泰國、印度、越南、菲律賓等國都先后建成了多家生物質固化、碳化專業(yè)生產(chǎn)廠。1995年前后，瑞典、丹麥、奧地利等國大力推進SDBF的產(chǎn)業(yè)化，民用鍋爐、工業(yè)鍋爐及小型熱電廠開始使用SDBF，并實現(xiàn)了各自的標準化生產(chǎn)，開始向國外出口生物質成型技術和設備。
2.2國內(nèi)成型技術發(fā)展
中國從20世紀80年代開始引進螺旋推進式秸稈成型機，也開始了生物質壓縮成型技術的研究。1990年后，機械螺桿式、柱塞式成型技術得到發(fā)展，20世紀90年代期間，河南農(nóng)業(yè)大學研制成功了HPB系列液壓驅動柱塞式成型機（大棒型）。目前，國內(nèi)主要設備類型有：機械螺桿推進式、液壓雙缸沖壓式、環(huán)模擠壓式、平模擠壓式。近幾年，河南、遼寧、安徽、山東、河北等地開始將成型設備進行示范推廣。在各省都有多家設備生產(chǎn)、燃料加工、配套燃燒爐及營銷企業(yè)投入運營，政府的環(huán)保、能源主管部門也開始給予支持和幫助。SDBF產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)出企業(yè)積極參與，國家導向逐步加強的特點，但存在著企業(yè)牛產(chǎn)規(guī)模小、盲目上馬等問題，中國現(xiàn)有不同生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)30多個，但全年生產(chǎn)SDBF總量僅有10多萬t。究其原因，主要是對秸稈類的生物質物化特性了解較少，輕視了SDBF的產(chǎn)業(yè)化難度，忽視了SDBF產(chǎn)業(yè)應用中的幾個關鍵問題。
3、影響SDBF技術推廣的幾個瓶頸問題 ‘
秸稈收集問題、秸稈儲存問題、顆粒燃料加工中設備快速磨損問題、以及燃爐沉積腐蝕問題是影響SDBF技術推廣的幾個瓶頸問題，國外對于這4個問題已進行了20多年的研究。目前，秸稈收集問題已隨著農(nóng)業(yè)機械化的高度發(fā)展得以較好地解決，但在規(guī)模化生產(chǎn)中，秸稈儲存問題還沒有徹底解決。顆粒燃料加工中設備快速磨損問題仍然是推廣應用的障礙，發(fā)達國家采用批量換件的辦法雖然可以克服磨損對生產(chǎn)的影響，但維修成本過高。對于燃爐沉積腐蝕問題，國外也還處于研究階段，除了采用機械辦法清理外，目前還沒有突破性進展。
3.1 資源及原料收集、儲運問題
3.1.1資源問題
目前中國秸稈的年產(chǎn)量根據(jù)糧食產(chǎn)量與谷草比兩個參數(shù)計算為6.02億t。從事能源戰(zhàn)略研究的學者們都以此為根據(jù)推算每年全國可生產(chǎn)纖維酒精、生物柴油、成型燃料、秸稈沼氣量，卻沒有對秸稈實際可用量做研究。資源的不穩(wěn)定性，往往使原料價格波動、成本上升并導致生產(chǎn)停頓，所以對資源要有較為準確的計算。事實上，可用于轉化能源的秸稈資源遠低于秸稈產(chǎn)量。這是因為：①重復計算，都假設不生產(chǎn)其它生物能源，僅生產(chǎn)自己筆下的一種生物能源；②忽略計算，把6億t全部作為能源資源計算，忽略了全國每年實際消耗于工業(yè)的0.5億t、飼料1.5億t、還田1.2億t、農(nóng)民生活散燒和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)消耗的約1.3億t，這樣每年剩余秸稈最多不過是2億多t；③未考慮收集系數(shù)，不同收獲方式有不同的收集系數(shù)，例如玉米機收系數(shù)為0.8—0.85，小麥機收系數(shù)0.75～0.8，手工收割系數(shù)為0.85～0.9。
3.1.2原料的收集、儲運問題
中國秸稈等牛物質資源具有分散性特點，6億多t秸稈分布在1億hm2十地上，而非集中產(chǎn)生的格局，因此，對于秸稈收集難度要予以充分考慮。中國農(nóng)村地區(qū)實行土地承包責任制，收集運輸以人力為主，與國外的機械化集中生產(chǎn)相比，在效率上存在較大差距和矛盾。因此，原料收集是生物質成型燃料推廣的第一個瓶頸。目前中國原料收集的3種主要方式如表2所示。
原料的收集半徑隨投資規(guī)模和生產(chǎn)能力增加而增大。由圖1可以看出，收集半徑小于最佳收集半徑時，總計算費用隨半徑減小迅速增加；人于最佳收集半徑時，總計算費用隨著收集半徑的增加呈線性增加。收集費用的升高會使得總牛產(chǎn)成本上升，當其價格高于煤時，成型燃料就失去了市場優(yōu)勢。所以，不同企業(yè)應根據(jù)自身的情況確定最佳收集半徑以獲得較好的盈利水平。表3是一家發(fā)電公司的案例。
由表3可看出，秸稈原料的數(shù)量和價格已成為企業(yè)正常運轉的瓶頸因素。此外，季節(jié)、占地、防火等也是不可忽視的問題。該企業(yè)因立項設計時對上述因素重視不夠、估算粗略，導致現(xiàn)在雖擁有齊備的場房設備，至今不能正常運行。
3.2 SDBF加工機械的快速磨損問題
現(xiàn)在采用的螺桿式和環(huán)模式成型機是依靠傳動部件與秸稈之間的高速相對運動來實現(xiàn)生物質壓縮，壓縮過程中磨擦產(chǎn)生的熱將纖維、木質素軟化的同時，旋轉部件產(chǎn)生的擠壓力把秸稈推入成型模，從而完成成型。生物質秸稈內(nèi)Si、Ca、Cr等元素含量較高，秸稈收集過程中還會帶入許多泥沙( Si02)，這些元素的存在會加劇加工機械的磨損。
對于螺桿式成型機，由于螺桿與物料始終處于高速摩擦狀態(tài)，導致壓縮區(qū)（高溫、高壓）螺紋的磨損非常嚴重。目前國內(nèi)外的工藝技術條件尚不能從根本上解決螺桿磨損問題。螺桿的平均修復期僅為60h左右，但因一次性投入較低，該技術目前還有不少國家在應用。解決的方法是規(guī)�；a(chǎn)，批量換件維修。
環(huán)模成型設備同樣存在快速磨損問題。其滾輪在環(huán)模內(nèi)高速旋轉過程中與喂入環(huán)模內(nèi)的秸稈摩擦生熱，溫度可達200℃以上，同時滾輪運動的分力擠壓秸稈進入成型孔成型。在這樣的條件下，滾輪和成型孔磨損很快。國內(nèi)外的同類設備平均修復周期在1000 h左右，維修費用（取決于環(huán)模直徑）1～4萬元。德國某廠環(huán)模成型機的環(huán)模，每運行3個月需要維修一次，一臺環(huán)�？偝煽删S修10次，每次耗資4500歐元。螺桿維修周期過短，環(huán)模成型設備的修復成本過高，導致了成型燃料價格過高，歐洲平均賣價170～200歐元／t，阻礙了SDBF的推廣。國內(nèi)、外有兩條解決快速磨損的措施，一是從環(huán)模金屬材料和熱處理入手，改變金屬耐磨性能，二是從磨具結構入手，改變成型小孔與滾輪切線的角度，增加推入力，減少擠壓力。
3.3燃燒結渣和沉積腐蝕問題
在評價可再生能源資源時，往往過多地看重它的優(yōu)點，而對它長期以來為什么未被大量開發(fā)及它自身有哪些值得注意的問題研究不夠。SDBF也是如此，常常忽視了它在燃燒過程中的物化反應對爐膛受熱面的不良影響。飛灰沉積腐蝕就是其不良反應的一種，正是這種影響形成了SDBF規(guī)模化應用中又一致命的瓶頸障礙。
3.3.1沉積結渣問題
所謂沉積，是指生物質在燃燒過程中形成的受熱面結渣和灰分積聚現(xiàn)象。其機理是，燃燒過程中生物質中的易揮發(fā)的堿金屬鹽在700℃左右的高溫下進入燃爐爐膛的氣相，這種揮發(fā)性灰分和其它細小顆粒一部分會在冷凝面上凝結，我們稱其為初始沉積層。隨著溫度升高，表面會出現(xiàn)熔融粘結面，煙氣中較大的顆粒在流體推動下，一部分會撞擊到初始沉積面上形成新的沉積層，時間越長沉積層越厚，本身溫度越易升高，顆粒間粘結更緊密。這樣多次的積聚，就使沉積層日漸加厚，有的厚度會超過10 cm。飛灰沉積導致鍋爐導熱面的導熱性逐漸變差，熱利用效率降低，排煙溫度升高，沉積速度加快，直至被迫停爐。當爐膛溫度高于780℃時，這些沉積物就形成玻璃狀的渣（復雜混合物），嚴重結渣導致鍋爐不能正常運轉。一般大型生物質鍋爐每10～12個月要停一次爐，進行一周左右的清理。
3.3.2腐蝕問題
秸稈中含有1%以上的鉀及其他金屬元素，氯含量達0.2%～3%。氯元素的高含量是生物質秸稈不同于煤及其它礦物質燃料的最顯著的特點。生物質燃燒爐中，氯氣及各種形態(tài)的氯化物對冷卻管腐蝕作用最大。生物質的燃燒使爐膛內(nèi)呈現(xiàn)氧化性氣氛，這時的金屬冷卻管表面會形成一層密集的氧化保護膜，防止金屬被腐蝕。而HCI和Cl2具有穿透氧化保護膜的能力，與鐵反應形成鐵的氯化物。由于爐膛內(nèi)溫度較高，氧化性氣氛強，很快氯化鐵就會被氧化成鐵的氧化物，這樣，積聚時間久了就會形成較厚的氧化鐵剝落層。
當爐膛中存在S02、S03氣體時，沉積層中鐵的氯化物就會有與煙氣中的so。反應并生成（亞）硫酸鐵而放出Cl2的可能，氯氣就會重復氣態(tài)腐蝕機理，不斷地對金屬管進行腐蝕。除上述腐蝕外，堿金屬氯化物還會與受熱管道表面的金屬或金屬氧化物反應形成低熔點共晶化合物。如：KCI、CrCl2和FeCI2反應形成共晶化合物，這種共晶體熔點僅有350～450℃，這將使結渣問題更為突出。因爐膛氣氛十分復雜，而且不同秸稈中成分差別較大，因此，沉積和腐蝕的嚴重程度不同。但不論哪一種原料，任何形狀的爐子，都存在沉積和腐蝕。國內(nèi)外的實踐已證明，由此帶來的腐蝕后果具有破壞性，會嚴重影響正常生產(chǎn)。
3.4秸稈脫水問題
收獲后的秸稈含水率一般在46%以上，而SDBF加工允許原料含水率為16%以下，SDBF的安全儲存含水率在12%以內(nèi)。如果用人工烘干的辦法，將It秸稈的含水率從60%降到16%，至少要消耗150 kg原煤，這種能源和經(jīng)費的投入是阻礙企業(yè)進行規(guī)�；ㄔO的主要原因。秸稈堆積密度僅有0.2，因此，存儲秸稈需占用大量土地。所以秸稈原料的脫水和儲存是加工遇到的最難解決的問題之一。
目前解決該問題的辦法有兩種：一是只收玉米棒不收稈，讓秸稈在地里接受風吹日曬，自然脫水，提高枯萎度，降低氯含量。二是提高機械化程度，把機械收獲粉碎和農(nóng)戶分散儲存、自然脫水結合起來。
4、結論與建議
1) SDBF是一種優(yōu)質的代煤生物固體燃料，直面“三農(nóng)”，具有良好的環(huán)境和經(jīng)濟效益。從系統(tǒng)效率考慮，It的SDBF可替代It中質煤，S02、C02、NO。等排放都遠遠低于煤，同時還能為每戶農(nóng)民增收節(jié)支幾百元。對國家來說，這是一種再生能源，不需要挖井開礦，不需要處理固體和氣體垃圾，還省去了“禁燒”投入的人力財力等，無疑是解決農(nóng)村能源問題的一個途徑。
SDBF不適合用于大規(guī)模直接燃燒的蒸汽鍋爐和發(fā)電鍋爐，但更適合做農(nóng)村鄉(xiāng)鎮(zhèn)2t以下的取暖爐、熱風爐、熱水爐及家庭生活用爐的代煤燃料，做到就地利用。一方面可以將收集半徑控制在4 km以內(nèi)，資源和運輸問題比較容易解決。另一方面，由于生產(chǎn)規(guī)模不大，可用液壓式成型機替代高磨損的螺旋式和環(huán)模式成型設備，緩解快速磨損問題，同時，小型鍋爐的爐膛溫度容易控制在800℃左右，不易結渣，便于清除沉積。
2)國家應以農(nóng)村基本建設投資方式來建設部分替代能源基地，對秸稈資源的收集、加工實施一村一站的《村級SDBF生產(chǎn)基地建設工程》。按每村400戶計算，全國大約有50萬個村，如以三分之一的村莊配備SDBF生產(chǎn)線計算（即15萬個村），每條線年產(chǎn)1000t的SDBF，全國每年可生產(chǎn)1.5億t的SDBF。若每村投入30萬元，共需投入450億元，規(guī)劃5年完成，每年需投入90億元。實現(xiàn)這個目標后，每年可替代中質煤1.5億t，價值460億元，農(nóng)民受益180億元。
3)四個瓶頸問題中：秸稈收集、儲運問題的根本解決方法是秸稈收獲機械化，世界上凡是已實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機械化的國家，秸稈成型加工水平都比較高，該問題已得到解決。中國目前小麥收獲基本機械化，但沒有解決打捆成型問題，水稻、棉花、玉米的收獲機械化水平不到30%，更沒有相應的配套打捆成型技術。因此，目前中國適宜在農(nóng)村范圍內(nèi)采用“就地加工，農(nóng)用為主”的方針發(fā)展SDBF產(chǎn)業(yè)，小宜實施大規(guī)模SDBF生產(chǎn)計劃。在SDBF加工設備的快速磨損問題上，調整設計思路是關鍵，應避免秸稈成型需要的外力和熱量依靠成型部件高速旋轉來完成的模式，注重顆粒成型機的成型受力問題研究，通過調整成型孔結構形狀及位置來降低磨損。秸稈燃燒的沉積是一個復雜的基礎理論問題，國外先進國家正處在研究階段，中國對SDBF應用較晚，沉積腐蝕問題還沒給生產(chǎn)帶來太大麻煩，因此基本上沒有人對其開展研究。
4)4個瓶頸問題均屬基礎性研究問題．建議國家科技部門組織有條件的研究單位進行攻關，為SDBF的推廣應用提供理論和技術基礎。
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