我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)林廢棄物資源十分豐富。我國每年總量約有7×108t的農(nóng)作物秸稈，另外，我國每年還有大量的林業(yè)采伐和林木制品加工廠產(chǎn)生的廢棄物，如枝椏、小徑木、板片、木屑等，總量也近1×108t。我國生物質(zhì)資源（農(nóng)作物秸稈）豐富，但利用率不高。為了高效利用生物質(zhì)資源，本文就生物質(zhì)成型顆粒燃料的加工技術(shù)與裝備進(jìn)行初步研究，以探討綜合利用生物質(zhì)資源的技術(shù)途徑。
1、生物質(zhì)成型燃料國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀
國外生物質(zhì)成型燃料開發(fā)工作始于20世紀(jì)。1948年日本申報了利用木屑為原料采用螺旋擠壓方法生產(chǎn)棒狀成型燃料的第1個專利，60年代成立了成型燃料行業(yè)協(xié)會。70年代初，美國研究開發(fā)了環(huán)模擠壓式顆粒機，并在國內(nèi)形成大量生產(chǎn)。瑞土、瑞典、西歐等發(fā)達(dá)國家先后開發(fā)研究了沖壓式成型機、輥模擠壓式顆粒成型機。其中已有120多年歷史的世界著名飼料機械生產(chǎn)企業(yè)——德國卡爾公司(Kahl)生產(chǎn)的動輥式平模制粒機，不僅能生產(chǎn)中低密度的顆粒飼料，而且還能生產(chǎn)較優(yōu)高密度的顆粒燃料，成品產(chǎn)量大、能耗低而且質(zhì)量好，在歐洲和東南亞國家使用較為廣泛。在最早開發(fā)螺旋擠壓成型燃料生產(chǎn)技術(shù)的日本也有采用環(huán)模顆粒成型機加工木屑成型燃料的大型生產(chǎn)企業(yè)。如今，固化成型燃燒在日本、歐、美等地已經(jīng)商品化，在丹麥的一座叫阿文多的發(fā)電廠，還利用木屑壓縮顆粒來發(fā)電。1985年日本平均每戶家庭消耗成型燃料達(dá)750kg。1985年美國生產(chǎn)成型燃料達(dá)2×106t以上。
我國從20世紀(jì)80年代中期起開始了成型燃料的開發(fā)研究，一方面組織科技攻關(guān)，另一方面引進(jìn)國外先進(jìn)機型，經(jīng)消化、吸收，研制出各種類型的適合我國國情的生物質(zhì)壓縮成型機，用以生產(chǎn)棒狀、塊狀或顆粒狀生物質(zhì)成型燃料。全國現(xiàn)有生物質(zhì)壓縮成型廠35個。生物質(zhì)成型燃料的種類按其密度分為中密度(800—1100kg/m3)和高密度(1100—1400kg/m3)=種，前者適宜于家庭爐灶或小型鍋爐用，也可滿足自動爐排機械加料的大型鍋爐用，后者更適于進(jìn)一步加工成為炭化產(chǎn)品。
2、生物質(zhì)成型燃料的特點與使用對象
生物質(zhì)成型燃料是將生物質(zhì)原料經(jīng)過粉碎、調(diào)質(zhì)等處理，在高壓條件下壓縮成顆粒狀且質(zhì)地堅實的成型物，除應(yīng)具有比重大、便于貯存和運輸、著火易、燃燒性能好、熱效率高（是直接燃燒的5倍以上1的優(yōu)點外，還應(yīng)具有灰分小、燃燒時幾乎不產(chǎn)生S02、不會造成環(huán)境污染等優(yōu)點，可作為工業(yè)鍋爐、住宅區(qū)供熱、農(nóng)業(yè)暖房、戶用炊事和取暖的燃料。
3、生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與設(shè)備現(xiàn)狀
3.1生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)分類
生物質(zhì)成型燃料有顆粒狀和棒狀兩大類。根據(jù)成型主要工藝特征的差別，國內(nèi)外生產(chǎn)生物質(zhì)壓縮燃料的工藝大致可劃分為濕壓（冷壓）成型、熱壓成型、碳化成型等3種。按成型加壓的方法不同來區(qū)分，技術(shù)較為成熟、應(yīng)用較多的成型燃料加工機有輥模擠壓式（包括環(huán)模式和平模式）、活塞沖壓式（包括機械式、液壓式）、螺旋擠壓式等三種機型，其中輥模擠壓式成型機采用的是濕壓（冷壓）成型工藝，活塞沖壓式、螺旋擠壓式成型機都采用的是熱壓成型工藝。
3.2國內(nèi)生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀
總體來看，目前我國的生物質(zhì)固化成型裝備在設(shè)備的實用性、系列化、規(guī)模化上還很不足，距國際先進(jìn)水平還有不小的差距。這一問題以成型機最為突出，表現(xiàn)在生產(chǎn)率低、成型能耗高、主要工作部件壽命短、機器故障率多、費用高等方面。國內(nèi)主要的幾種生物質(zhì)成型燃料生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀分述如下。
3.2.1 螺旋擠壓技術(shù)
螺旋擠壓成型技術(shù)是目前生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料最常采用的技術(shù)，尤其是以機制炭為最終產(chǎn)品的用戶，大都選用螺旋擠壓成型機。
1990年中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所與，完成了國家“七五”攻關(guān)項目——木質(zhì)棒狀（螺旋擠壓）成型機的開發(fā)研究工作，并建立了1000t/年棒狀成型燃料生產(chǎn)線。1993年前后，中國大陸的一部分企業(yè)從日本、中國臺灣、比利時、美國引進(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)“炭化”燃料。棒狀成型燃料的形狀為直徑50mm左右、長度450mm左右，橫截面為圓形或六角形，每根重約1kg，用于蒸發(fā)量≤1000kg/h工業(yè)生物質(zhì)鍋爐或民用爐灶。國內(nèi)現(xiàn)已有包括陜西武功縣輕工機械廠、河南省鞏義合英實業(yè)公司等在內(nèi)的近十家廠家生產(chǎn)此種類型的設(shè)備。
螺旋擠壓成型機的優(yōu)點：一是成品密度高。以木
屑、稻殼、麥草等為原料，國內(nèi)生產(chǎn)的幾種螺旋擠壓成
型機加工的成型棒料的密度都在1100—1400kg/m3。
二是成品質(zhì)量好、熱值高，更適合再加工成為炭化燃料。
螺旋擠壓成型機的缺點：一是產(chǎn)量低。目前國產(chǎn)設(shè)備的最高臺時產(chǎn)量不到150kg/h，距離規(guī)模化生產(chǎn)的產(chǎn)量要求相差較大。二是能耗高。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就在90kWh以上。三是易損件壽命短。國產(chǎn)設(shè)備主要工作部件——螺桿的最高壽命不超過500h，距離國際先進(jìn)水平1000h以上還有不小的差距。四是原料要求苛刻。螺旋擠壓成型機采用連續(xù)擠壓，成型溫度通常調(diào)整在220—280℃之間。為了避免成型過程中原料水分的快速汽化造成成型塊的開裂和“放炮”現(xiàn)象發(fā)生，一般要將原料含水率控制在8%～12%之間，所以對有的物料要進(jìn)行預(yù)干燥處理，增加了加工成本。這一點，對于移動式的成型燃料加工系統(tǒng)來說是一個致命傷，因為與旋擠壓成型工藝相銜接還需有配套的烘干機。
3.2.2活塞沖壓技術(shù)
這種設(shè)備的優(yōu)點是成型密度較大，允許物料水分高達(dá)20%左右；但因為是油缸往復(fù)運動，間歇成型，生產(chǎn)率不高，產(chǎn)品質(zhì)量不太穩(wěn)定，不適宜炭化。活塞式的成型模腔容易磨損，一般lOOh要修一次，有的含Si02少的生物質(zhì)材料可維持300h。
另據(jù)報道，2003年，河南農(nóng)業(yè)大學(xué)承擔(dān)完成了科技部研究項目“秸稈壓塊成型燃料產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的可行性研究”，開發(fā)了HPB-Ⅲ型液壓驅(qū)動式秸稈成型機，采用活塞套筒雙向擠壓間歇成型。生產(chǎn)率為400kg/h；噸料成型電耗為60kWh/t左右。
另外北京三升集團(tuán)研發(fā)了機械傳動、活塞擠壓成型技術(shù)，在工業(yè)化生產(chǎn)中密度飼料塊的同時，還生產(chǎn)高密度(>900kg/m3)的燃料塊。
3.2.3輥模擠壓技術(shù)
生物質(zhì)顆粒燃料的輥模擠壓成型技術(shù)是在顆粒飼料生產(chǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，二者的主要區(qū)別在于纖維性物料含量的多少和成型密度的高低。用輥模擠壓式成型機生產(chǎn)顆粒成型燃料一般不需要外部加熱，依靠物料擠壓成型時所產(chǎn)生的摩擦熱，即可使物料軟化和黏合。對原料的含水率要求較寬，一般在10%~40%之間均能成型，最佳水分成型條件為18%左右。相比于螺旋擠壓和活塞沖壓而言，輥模擠壓成型法對物料的適應(yīng)性最好。因此，國內(nèi)一些生產(chǎn)秸稈顆粒飼料的企業(yè)在生產(chǎn)顆粒飼料的同時也生產(chǎn)顆粒燃料，以提高設(shè)備的利用率。
以國內(nèi)知名飼料機械生產(chǎn)企業(yè)——為代表的我國飼料機械業(yè)界，目前在環(huán)模制粒機和平模制粒機的設(shè)計、制造方面，已積累了豐富的經(jīng)驗，某些方面已達(dá)到世界先進(jìn)水平。在生物質(zhì)顆粒成型燃料加工機械的研發(fā)方面也進(jìn)行了多年的探索，并取得了可喜的成績。
3.2.4環(huán)模擠壓成型技術(shù)
1994—1998年，江蘇正昌集團(tuán)公司聯(lián)合中國林科院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所承擔(dān)了國家林業(yè)局下達(dá)的項目“林業(yè)剩余物制造顆粒成型燃料技術(shù)研究”。該項目以生產(chǎn)的KYW32型環(huán)模式飼料顆粒機為基本結(jié)構(gòu)，研究成功了以木屑和刨花粉為主要原料的顆粒燃料成型機，臺時產(chǎn)量在250kg/h左右，產(chǎn)品規(guī)格：直徑6×10-3111，長度為(8—15)×10m，顆粒密度>1000kg/m3，其熱值為4800kcal/kg左右。產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到日本”全國燃料協(xié)會”公布的顆粒成型燃料標(biāo)準(zhǔn)的特級或一級。但是由于當(dāng)時在材料和加工工藝等方面的原因，主要易損件環(huán)模在面對粗纖維物料時，暴露出了使用壽命短的缺陷。使用成本高，成為環(huán)模式制粒機難以在生物質(zhì)成型燃料領(lǐng)域大面積推廣的重要原因。但是，該項目的開展，為我國今后在輥模擠壓成型燃料技術(shù)的發(fā)展打下丁良好的基礎(chǔ)。
3.2.5平模擠壓成型技術(shù)
由于在平模制造工藝水平和主要加工物料對象方面與國外的差距等原因，以前國內(nèi)在對平模式制粒機的研究方面不夠深入，國內(nèi)能生產(chǎn)的最大平模直徑只有400mm。2000年，農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所承擔(dān)了農(nóng)業(yè)部引進(jìn)國際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)項目（簡稱“948”項目卜—秸稈顆粒飼料加工技術(shù)與設(shè)備的引進(jìn)，在引進(jìn)國際上著名的德國卡爾公司(Kahl)的38-780型大型平模式制粒機的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實際，又進(jìn)行了多處技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新。2003年12月，該項目通過了農(nóng)業(yè)部“948”項目辦公室的驗收。
與其他生物質(zhì)成型顆粒（塊）加工技術(shù)相比，大型平模式制粒機的優(yōu)點在于：一是原料適應(yīng)性廣。平模式制粒機的壓制室空間較大，可采用大直徑壓輥，因而能將諸如秸稈、干甜菜根、稻殼、木屑等體積粗大、纖維較長的原料強行壓碎后壓制成粒，對原料的粉碎度要求降低了。另外，平模式制粒機在壓縮纖維性物料時，原料水分在15%—25%(最佳18%左右)都能被壓縮成型，大多數(shù)情況下，不需要對原料進(jìn)行干燥。二是產(chǎn)量大。經(jīng)江蘇省農(nóng)機鑒定站檢測，SZLP-780型平模制粒機在以100%苜蓿草粉為原料時，產(chǎn)量可達(dá)2100kg/h，在此后進(jìn)行的以木屑為原料的制粒試驗時，當(dāng)成型顆粒密度在1100kg/m3時，產(chǎn)量達(dá)到1500kg/h，是國內(nèi)現(xiàn)有成型顆粒燃料加工設(shè)備所達(dá)到的最大產(chǎn)量。三是噸料耗電低。一方面，平模式制粒機由于壓制室空間大、壓輥直徑大的原因，能將粒度相當(dāng)大的原料制成顆粒，因而能克服環(huán)模擠壓制粒機和螺旋式擠壓機在這方面的局限，減少了物料在粉碎工段的能耗；另一方面，與環(huán)模制粒機相比，平模的模孔帶面積比值高，出料孔多，而且出料顆粒密度和大小比較一致。四是輥模壽命長。由于工作原理的差異，平模式制粒機壓輥的線速度比環(huán)模式的低，因而輥、模的磨損比較慢。而且，平模在一側(cè)面工作面磨損后可翻過來使用另一側(cè)面，可以提高使用壽命。五是成型密度可調(diào)。壓輥和壓模之間的工作間隙和壓力可通過液壓式中央螺母調(diào)節(jié)裝置使壓輥同步升降，操作簡單省時，既可生產(chǎn)中低密度的顆粒飼料，也可生產(chǎn)較高密度的顆粒燃料，一機多用。
4、生物質(zhì)成型燃料的發(fā)展趨勢
進(jìn)入21世紀(jì)以來，人們愈加感覺到石化能源漸趨枯竭，在對可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境和循環(huán)經(jīng)濟的追求中，世界開始將目光聚焦到了可再生能源與材料，“生物質(zhì)經(jīng)濟”已經(jīng)浮出水面。以生物能源和化工產(chǎn)品生產(chǎn)為主的生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)正在興起，引起了世界各國政府和科學(xué)家的關(guān)注。許多國家都制定了相應(yīng)的計劃，如日本的“陽光計劃”、美國的“能源農(nóng)場”、印度的“國家戰(zhàn)略行動”等，2005年“可再生能源法”在我國正式頒布實施。所有這些，預(yù)示著各國在包括生物質(zhì)成型燃料開發(fā)在內(nèi)的生物質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域的競爭進(jìn)入一個白熱化時代。
雖說生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)是世界發(fā)展之大勢和新興的朝陽產(chǎn)業(yè)，但其當(dāng)前成本與價格尚難與石油基產(chǎn)品競爭，這一點對于成型燃料來說，表現(xiàn)得尤其明顯。因此，以降低儲運成本和壓縮成型成本為目的，尋求技術(shù)上的創(chuàng)新、突破，成為生物質(zhì)成型燃料領(lǐng)域最大的命題；降低顆粒燃料的噸料能耗、降低設(shè)備的使用成本，也成為設(shè)備研發(fā)所追求的最大目標(biāo)。
在生物質(zhì)固化成型技術(shù)裝備的研究開發(fā)方面，國內(nèi)外的發(fā)展趨勢是裝備生產(chǎn)專業(yè)化、產(chǎn)品生產(chǎn)批量擴大化、生產(chǎn)裝備系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。在國內(nèi)，尤其應(yīng)在設(shè)備實用性、系列化上下功夫，不斷降低成本并提高技術(shù)水平，為21世紀(jì)大規(guī)模開發(fā)利用生物質(zhì)能提供必要的技術(shù)儲備。
5、生物質(zhì)成型燃料加工設(shè)備的設(shè)計要點
5.1生物質(zhì)成型燃料加工設(shè)備的原料適應(yīng)性
國內(nèi)生物質(zhì)成型燃料是以枝條、樹皮、秸稈等農(nóng)林剩余物為原料，這些原料來源廣泛、分散、種類多、質(zhì)地不統(tǒng)一。原料來源的多、雜、散等特點，決定了成型燃料加工技術(shù)與裝備的設(shè)計必須做到滿足原料來源的廣泛性、多樣性和方便靈活性。在具體成型燃料加工技術(shù)與裝備的設(shè)計時必須在充分考慮生物質(zhì)原料特點的基礎(chǔ)上，保證生物質(zhì)原料的粉碎細(xì)度達(dá)到成型的要求和燃料成型的密度；成型設(shè)備的有關(guān)模板、模孔、壓輥等成型關(guān)鍵部件，在盡可能滿足噸料加工能耗較少、加工關(guān)鍵設(shè)備使用壽命較長、加工的成型燃料性能具有較好的燃燒性能的要求下，應(yīng)具有實用性、適應(yīng)性和經(jīng)濟性。
1)生物質(zhì)原料壓縮特性。粉碎后的生物質(zhì)原料（秸稈）在壓縮過程中，是在一定壓力下，通過秸稈的塑性變形和其本身的木質(zhì)素軟化固化成型的。在壓縮過程中可分為3個階段：松軟階段、過渡階段和壓緊階段。在壓力較小時，成型密度隨壓力的增大顯著增大，但達(dá)到壓緊階段后，變化緩慢，趨于常數(shù)。一般情況下，在壓力為85MPa時，制粒的成型效果就較好，將壓力控制在85～100MPa范圍內(nèi)就可以達(dá)到較理想的成型要求。同時通過試驗，探索了生物質(zhì)壓縮力和壓縮密度的關(guān)系，確定了壓縮力、壓縮密度、壓縮量的關(guān)系；
2)生物質(zhì)原料的特性對成型的影響。生物質(zhì)原料具有流動性差、相互牽連力較大的特性，是成型喂入和壓縮的瓶頸。對于不同的原料、不同的含水率、不同的粒度，壓縮特性有很大的差異，并對成型過程和產(chǎn)品質(zhì)量有很大的影響。當(dāng)原料水分過高時，加熱過程中產(chǎn)生的蒸汽不能順利地從燃料中心孔排出，造成表面開裂，嚴(yán)重時產(chǎn)生爆鳴。但含水率太低，成型也很困難，這是因為微量水分對木素的軟化、塑化有促進(jìn)作用。成型原料的含水率一般在16%左右。植物秸稈易壓縮，在壓力作用下變形較大，壓縮比在9～12之間，木屑廢料較難壓縮，壓縮比在5～9之間。粒度小的原料輕易成型，粒度大的較難壓縮。試驗與研究的結(jié)果表明，生物質(zhì)的特性對于解釋和說明物質(zhì)的機械變化過程很有價值。
3）成型能耗。對于生物質(zhì)成型燃料加工系統(tǒng)來說，能耗是一個非常重要的性能指標(biāo)，能耗是指在單位時間內(nèi)生產(chǎn)成型燃料所消耗的能量與該時間內(nèi)生產(chǎn)的成型燃料質(zhì)量的比值。壓縮成型的能耗主要包括三部分：原料喂人所消耗的能量；物料與成型部件內(nèi)壁摩擦所消耗的能量；克服物料彈性變形所需的能量。影響成型機能耗的主要因素有：成型燃料的密度，生產(chǎn)率，物料的種類，粒度和含水率等。
5.2生物質(zhì)成型燃料加工設(shè)備的先進(jìn)性與性價比
生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與設(shè)備先進(jìn)程度的高低必須與其性價比有機地結(jié)合起來綜合考慮。單一講究技術(shù)和設(shè)備的先進(jìn)性，不考慮技術(shù)的投入成本和市場的接受程度，不考慮技術(shù)和設(shè)備的性能與市場接受的價格合理之比，再先進(jìn)的技術(shù)在市場上如得不到應(yīng)用，也得不到用戶的認(rèn)可，這種技術(shù)起碼可以說是不完全適用的技術(shù)。生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與裝備的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下幾方面：一是理想的噸料加工耗能量；二是適度的關(guān)鍵部件的使用壽命；三是良好的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成；四是合理的加工工藝路線等等。因此，在研究和設(shè)計生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)和加工設(shè)備時，要在盡可能低的噸料耗能的前提下，使得產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與合理，在產(chǎn)品得到較高的使用壽命的基礎(chǔ)上，保證產(chǎn)品的價格盡可能適應(yīng)市場的接受程度，使生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與裝備的先進(jìn)性與產(chǎn)品的性價比有機結(jié)合與統(tǒng)一，以利于推廣應(yīng)用。
富通新能源生產(chǎn)銷售的木屑顆粒機、秸稈顆粒機專業(yè)壓制生物質(zhì)成型顆粒燃料。
