國外生物質成型顆粒燃料的開發(fā)工作始于20世紀40年代，1948年日本申報了利用木屑為原料生產(chǎn)棒狀成型燃料的第一個專利。50年代初期生產(chǎn)出了商品化的棒狀成型機，60年代成立了木質成型燃料行業(yè)協(xié)會。70年代初，美國又研究開發(fā)了內(nèi)壓滾筒式粒狀成型機。亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓等國從80年代開始也都先后開展了生物質致密成型機設備及成型工藝方面的研究。
我國從20世紀80年代起開始致力于生物質致密成型技術的研究。中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所在“七五”期間承擔了生物質致密成型機及生物質成型理論的研究課題。于1990年研究開發(fā)成功棒狀成型燃料成型制造工藝設備系統(tǒng)。于1998年率先研究開發(fā)成功顆粒成型燃料熱成型制造工藝設備系統(tǒng)。遼寧省能源研究所開展了生物質固化成型技術中使用的壓縮成型機械及生物質壓縮成型原理、壓縮成型主要影響因素、壓縮成型工藝等方面的研究工作。河南農(nóng)機研究所對環(huán)模生物質顆粒燃料成型機影響成型的各主要因素進行了分析及試驗研究，研究了不同生物質原料、粒度、含水率、環(huán)�？组L徑比等因素與顆粒成型率及噸料電耗的關系，確定了生物質顆粒燃料的最佳成型條件。浙江大學也開展了對切碎棉稈進行高密度壓縮成型試驗，研究了壓力、溫度和切碎棉稈粒度大小對成型塊松弛密度的影響。華東船舶工業(yè)學院也開展了生物質固體燃料成型機研究工作，并申請了專利。
1、棒狀成型燃料
1.1棒狀成型燃料成型機
成型機是生產(chǎn)成型燃料的關鍵設備，它的性能優(yōu)劣直接影響到產(chǎn)品質量的好壞和生產(chǎn)成本的高低，由于棒狀壓縮成型燃料在成型機中擠壓力很高（一般50 - 200 MPa），而這么高的擠壓力主要由成型物料與成型套筒之間的磨擦力所產(chǎn)生，因而套筒的磨損十分嚴重。另外，在成型過程中，為了維持正常操作，生產(chǎn)出優(yōu)質產(chǎn)品，減少磨擦力，延長套筒使用壽命，需要對套筒進行適當?shù)募訙�。因此，對成型套筒的材質要求十分苛刻，不僅要求材料具有很好的耐磨性，而且還要有良好的導熱性和可加工性，且價格低廉。進口成型套筒材料的化學成分除了Fe以外含C 3.15%，Si2.589% ,Ni0.882% ,P0.037%,S O.032%,Cr0.602%（均為質量分數(shù)，下同）。
典型的3種國產(chǎn)套筒化學成分（除了Fe以外）見表1，材料物理性能見表2。
3種套筒經(jīng)實際運行，從耐磨性、傳熱、可切削性看，均達到要求，但1號和3號的價格較便宜，這種套筒使用壽命超過1000 h；
1.2棒狀成型燃料成型工藝
棒狀成型燃料典型的成型工藝流程為：把木屑或稻殼等原料送人振動篩中，篩去大于6 mm的顆粒和其它雜物，通過料斗加入螺旋加料器，輸送到脈沖氣流干燥器，由引風機引入熱風爐的熱煙氣，將原料邊干燥邊輸送入高效旋風分離器，氣體經(jīng)引風機排空，而干燥原料則通過星形排料器進入料倉，定量加入棒狀成型機，擠出的成型燃料按等長度(450mm)自動切割成短棒。
1.3影響棒狀成型燃料生產(chǎn)的因素
木質原料在成型過程中，成型機的結構，成型機套筒所用的材料和螺桿材料以及成型工藝是相關的。在確定了成型機構和有關部件所用材料后，成型工藝成了主要的技術關鍵，加熱溫度、壓力、原料粒度和含水率為影響成型燃料生產(chǎn)的主要因素。
1.3.1加熱溫度和壓力
由木質素、半纖維素、纖維素組成了多種木質原料，其中木質素在加熱時可塑化，塑化時具有粘結性，將木質原料中半纖維素、纖維素在壓力下粘結壓縮成成型燃料。不同種類的原料由于其木質素、半纖維素、纖維素含量的不同，原料狀態(tài)不同，成型所需的溫度和壓力是有差異的。試驗證明：溫度和壓力過高或過低均會導致成型的失敗。溫度過低，投入熱量減少，不足以使木質素塑化將原料成型，也不能使成型燃料表面熱分解收縮，并造成與套筒內(nèi)壁磨擦增大，加快套筒的磨損，增加成型機的功率消耗。溫度過高，則使成型燃料表面熱分解嚴重，出現(xiàn)裂紋，成型燃料強度下降，甚至不成型。壓力過低將不能使原料壓緊壓實，嚴重時不足以克服與套筒間的磨擦阻力，成型無法進行。而壓力過高將使原料在套筒內(nèi)停留時間縮短，影響必要的熱量獲得，同樣不能成型。經(jīng)過反復試驗證明：成型壓力在120 MPa左右，最佳成型溫度以140 -180℃為宜。
1.3.2原料粒度和含水率棒狀成型燃料所用原料廣泛，不同原料有不同粒度。以木屑、稻殼、糠醛渣、刨花、稻草、花生殼、樹葉、葵花籽殼等8種不同粒度的原料為例，試驗結果表明：木屑、稻殼、糠醛渣3種原料粒度合適，都可以直接成型，產(chǎn)品堅實，表面光滑，模截面規(guī)則。其它5種原料都必須經(jīng)粉碎，一般要求粒度在4～6 mm以上不超過10%，仍可以生產(chǎn)合格產(chǎn)品。粒度過大時，會形成輸送困難，易架橋，從而無法成型。
不同種類的原料成型難易也有差別，對松木和杉木屑試驗后發(fā)現(xiàn)：松木屑由于含非粘結的松節(jié)油等低揮發(fā)成分，成型時比較困難，而杉木屑由于木質素含量較多，粘結性好，因此成型較容易。對難以成型的松木屑或硬雜木屑，如摻人80%左右的稻殼，則成型操作穩(wěn)定，成型產(chǎn)品質量好。
原料含水率對成型過程以及產(chǎn)品質量影響是很大的，所以必須嚴格控制成型時原料的含水率。當原料含水率過高時，加熱產(chǎn)生的蒸汽來不及從成型燃料中心孔排出，從而產(chǎn)生爆鳴，含水率太低，也會發(fā)生成型困難。試驗表明：無論何種原料，如含水率大于15%，成型機操作不穩(wěn)定，產(chǎn)品表面嚴重開裂、強度大大下降。為保證產(chǎn)品質量，對稻殼、花生殼等原料，含水率控制在6% -12%范圍，對木屑、刨花、樹葉等原料，含水率應控制在6% -10%范圍。
1.4棒狀成型燃料的性能
1.4.1不同原料成型燃料的熱值木屑、稻殼、稻草、樹葉、玉米秸稈、花生殼等原料制成棒狀成型燃料后的熱值和灰分含量測定結果見表3。
1.4.2棒狀成型燃料的吸濕性木質成型燃料貯存時，會吸收空氣中的水分，產(chǎn)品含水率增加，表面開裂和膨松、產(chǎn)品質量呈下降趨勢，這是因為原料在成型時未添加任何粘結劑，產(chǎn)品有吸濕傾向。
研究表明，成型燃料直徑大小影響成型燃料吸濕性能，成型燃料直徑大，抗?jié)B水性時間較長，隨著成型直徑減小抗?jié)B水性時間減少，抗?jié)B水性能降低。為延長成型燃料貯存時間，改善吸濕狀況，試驗表明，在木屑中摻入30%稻殼成型燃料，可提高抗吸濕性能，也可以在原料中添加抗?jié)竦恼辰Y劑或產(chǎn)品用塑料薄膜包裝。
1.5棒狀成型燃料的深加工利用
生物質成型炭是將木質棒狀成型材炭化而成，由于成型炭成分同傳統(tǒng)木炭完全相同，不含任何有害成分，清潔衛(wèi)生，可長期保存不會發(fā)生質變，與傳統(tǒng)木炭具有同等強度和熱值，因此它是木炭產(chǎn)品的理想替代品。廣泛用于燒烤行業(yè)及以木炭為原料的化工行業(yè)。
1.5.1成型炭制造設備普通的木材炭化爐，所用原料為含水率15%-35%的塊狀木料，而生物質成型材的含水率為5% -9%。由于兩者的含水率及本身強度上的巨大差異，決定了適合兩者的炭化爐結構及炭化操作工藝具有顯著不同。針對生物質成型材含水率低，強度比木塊差的特點，中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所研究開發(fā)了移動式成型炭制造設備，如圖1。
設備總體由普通型鋼支撐，呈箱形，長×寬×高=2 000 mm×1 500 mm×1500 mm，內(nèi)層為耐火層，外層為厚度2 mm碳鋼板，夾層為保溫層，在設備前端為一鋼門，以方便爐內(nèi)小車進出，鋼門裝有2個空氣進口，用以調(diào)節(jié)炭化室空氣分布。在設備的后部，設計有燃燒室，成型材進行炭化時產(chǎn)生的可燃性氣體及焦油絕大部分在此燃燒干凈，然后進入煙囪，煙囪高12 000 mm。煙囪下部有φ30 mm開口，以方便收集炭化操作時產(chǎn)生的木焦油及木醋液。
1.5.2成型炭制造工藝以5種不同材質（樺木屑、松木屑、杉木屑、稻殼、玉米秸稈）為原料，原料粒度小于5 mm，經(jīng)壓縮成型為相對密度1.2左右的成型材，每根截成長度為220 mm左右，整齊裝進小車，送人炭化設備進行炭化。
從引火材著火起，大約1h左右，小車中的成型材被引燃，爐頂上部溫度在2h后開始上升，在13 h以前，上溫緩慢上升，直至200℃左右，下溫在4h后開始緩慢上升，至30 h左右，上、下溫度接近一致，表明爐中成型材炭化過程接近終點，此時將炭化爐所有進氣閥門全開，煙囪排煙閥全開，爐中進入大量空氣開始精煉過程，此過程延續(xù)約1h左右即可將小車中的成型材炭化料從爐中拉出，在密封罩中冷卻8h，即得到成型炭產(chǎn)品。
2、顆粒成型燃料
顆粒成型燃料，是以木屑、樹皮等農(nóng)林剩余物為原料，在高壓加熱條件下，壓縮成顆粒狀且質地堅實的成型物，可作為工業(yè)鍋爐、民用爐灶、家庭取明爐以及農(nóng)業(yè)暖房的燃料。顆粒成型燃料與棒狀成型燃料相比，生產(chǎn)時其原料含水率可增大至24%．燃燒的適應面更廣等特點。
2.1顆粒成型燃料制造設備
中國林業(yè)科學研究院林產(chǎn)化學工業(yè)研究所與江蘇省溧陽正昌集團合作，于1998年成功開發(fā)KYW32型內(nèi)壓滾動式顆粒成型機，它是由進料、攪拌、成型、傳動系統(tǒng)等組成。操作時，將原料從料斗進入進料器，由無級調(diào)速電機調(diào)速，定量的原料進入攪拌器與從蒸汽進口進入的蒸汽混合后，由下料槽進入成型機的成型室壓制成顆粒成型燃料。
成型機的環(huán)模孔尺寸，參照日本、美國專利和根據(jù)實驗室不同原料成型工藝要求，確定�？壮叽鐬槟？字醒胫睆�6-10 mm，入口角60°，�？组L度40 mm。
2.2顆粒燃料成型工藝條件
原料在成型過程中，成型機結構、�？壮叽缫约俺尚凸に嚄l件是相關的。在確定了成型機結構和�？壮叽绾螅尚凸に嚦闪思夹g關鍵。不同原料制造顆粒成型燃料的主要影響因素有成型壓力、溫度、原料粒度、含水率等。
由木質素、半纖維素、纖維素組成的木屑等原料，粒度為0.1 -2 mm，其中木質素在加熱下可塑化，具有粘結性，將原料中的半纖維素、纖維素在壓力下粘結成成型燃料，所以成型時應有合適的溫度和壓力。為了達到合適的溫度，必須對原料（氣干、含水率在11%- 12%）在攪拌器中進行加熱增濕處理。蒸汽通入速率為10 - 22 kg/h，可使常溫原料升溫到60 - 80℃，同時使原料含水率從11%一12%增濕至16%- 22%。在此范圍內(nèi)，當成型壓力為50 -100 MPa時，能連續(xù)穩(wěn)定制造顆粒成型燃料，生產(chǎn)能力為200 kg/h左右，產(chǎn)品質量達到日本“全國燃料協(xié)會”公布的顆粒成型燃料標準的特級或一級。
2.3顆粒成型燃料的應用
以木屑等原料制造的顆粒成型燃料，與煤、石油相比，幾乎不含硫，不會產(chǎn)生環(huán)境污染，使用方便。20世紀80年代日本有資料報道，燒成型燃料的費用比燒油低30%-50%。在國外，顆粒成型燃料廣泛地作為工業(yè)鍋爐燃料，作為工廠、學校、醫(yī)院、家庭取暖燃料。
目前，我國有北京盛昌綠能科技有限公司，山東濱州生物質燃料有限公司等廠家生產(chǎn)顆粒成型燃料。我國南京平亞科技實業(yè)公司開發(fā)生產(chǎn)了一種家用取暖爐，具有操作方便、美觀大方、清潔衛(wèi)生、安全可靠等一系列優(yōu)點，操作費用遠低于空調(diào)取暖。以150m2房間為例，一個冬季僅需0.5～1.0t成型燃料，經(jīng)測算，空調(diào)器耗電近3 kWh產(chǎn)生的有效熱量，才相當于1 kg成型燃料產(chǎn)生的有效熱量，用電取暖的操作費用高出成型燃料取暖的2倍左右。
3、結論
生物質成型顆粒燃料由于具有較高的壓縮比，極大地方便生物質資源的運輸和儲存，同時改善了生物質原料的燃燒性能，提高了生物質資源的利用效率。作為一種可再生的清潔能源，有著廣闊的發(fā)展前景。目前，我國采用的生物質固化成型燃料的形狀主要有棒狀、塊狀和顆粒狀。這幾種形狀燃料的加工方法均為傳統(tǒng)生產(chǎn)方法，普遍存在著設備能耗過高、磨損嚴重和使用壽命短等問題。以生產(chǎn)顆粒狀燃料方法為例，它與現(xiàn)有的生產(chǎn)顆粒狀飼料的方法相似，即原料從設備環(huán)模內(nèi)部加入，經(jīng)壓輥碾壓擠出環(huán)模而成顆粒狀。該工藝流程需要消耗大量能量，首先是顆粒壓制成型過程中，壓強達到50 - 100 MPa，原料在高壓下發(fā)生變形、升溫，溫度可達100～120℃，電動機的驅動需要消耗大量的電能；其次是原料的含水率要求在12%左右，為了達到這個含水率，很多原料要烘干以后才能用于制粒，這些工藝流程均需消耗大量能量。
要解決上述問題，可通過下列途徑：一是加大科研投入，積極研發(fā)新工藝和新設備，降低能耗，減少生產(chǎn)成本；二是引進國外先進設備，消化吸收，形成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；三是政府扶持，對研制開發(fā)單位和新型生物質能用戶進行補貼，降低產(chǎn)品使用成本。
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