關鍵詞：生物質；固體成型燃料；成型工藝；成型設備
近年來全球經濟快速、持續(xù)發(fā)展，各國對能源的需求與日俱增，導致現(xiàn)有的化石能源迅速消耗，已逐漸面臨枯竭，能源危機日益凸顯。據(jù)報道，全世界的石油、天然氣按其儲量和需求量推算，只能夠維持到21世紀中葉，而煤炭也只能夠開采200年左右，并且使用化石能源造成嚴重的污染。因此從保護人類生態(tài)環(huán)境和自然資源的角度出發(fā)，尋求一種新的安全、清潔、可持續(xù)發(fā)展的能源體系迫在眉睫。
生物質能源是一種可再生、環(huán)境友好型的清潔能源，具有良好的產業(yè)化前景和巨大的發(fā)展?jié)摿�，在各國的能源結構中占有重要的地位。副。其中，生物質固體成型燃料技術是生物質能源轉化與利用的主要發(fā)展方向之一。經研究發(fā)現(xiàn)，生物質固化成型以后其燃燒性能平均提高20%，燃燒時的溫室氣體排放量僅為煤炭的1/9，NOx和SOX的排放量分別為煤炭的1/5和1/10。生物質固體成型燃料具有原料豐富、生產工藝簡單、操作方便、成本低等優(yōu)點。成型燃料的熱效率高，燃燒性能好，便于貯運，易于實現(xiàn)產業(yè)化，適合大規(guī)模使用，可用于農村家庭炊事、取暖用能需求，可為城鎮(zhèn)社區(qū)供熱提供清潔燃料，還可用于蔬菜、瓜果溫室大棚和園林花卉暖房的保溫取暖用能以及工業(yè)鍋爐和電廠的燃料，是替代煤炭的理想燃料。近些年我國生物質固體成型燃料生產量和需求量都在急劇增加，2009年總產量約76.6萬噸，預計到2015年將達到2000萬噸。我國是農業(yè)生產大國，生物質資源非常豐富，農作物秸稈的年產量超過7億噸，折合成標準煤約為3.5億噸。此外，林木業(yè)生物質資源約13億噸，為生物質固體成型燃料的發(fā)展提供了保證。綜合開發(fā)和利用生物質固體成型燃料具有可觀的經濟前景和顯著的社會效益。因此本文作者對生物質固體成型燃料的研究現(xiàn)狀、成型工藝及成型設備進行了總結，并分析了生物質固體成型燃料未來的發(fā)展趨勢。
1、生物質固體成型燃料研究現(xiàn)狀生物質固體成型燃料是將木材加工剩余物、農作物秸稈等生物質原料粉碎到一定的粒度，在50~200MPa和150~300℃，或不加熱或不加黏結劑的條件下，壓縮成棒狀、塊狀、粒狀等具有一定密實度的成型物。近年來，生物質固體燃料作為極具競爭力的燃料發(fā)展十分迅速。
1.1國外研究現(xiàn)狀
國外對生物質固體成型燃料技術的研究起步較早，美國于20世紀30年代就開始研究林木生物質壓縮成型技術，并研制了螺旋壓縮機。日本在1948年首次申報了關于利用木屑為原料生產棒狀成型燃料的專利，并且于50年代研究出獨特的致密成型燃料技術體系。70年代后期出現(xiàn)世界能源危機，西歐許多國家也開始重視生物質成型技術的研究，并研發(fā)了沖壓式成型機、顆粒成型機及其配套的燃燒設備。生物質成型燃料燃燒設備在美國、日本及歐洲一些國家已經比較成熟，形成了產業(yè)化，在供暖、加熱、干燥、發(fā)電等領域已普遍使用。2005年，世界生物質固體成型燃料產量已超過了420萬噸，其中歐洲地區(qū)產量達300多萬噸，到2008年總產量達1160萬噸，歐洲地區(qū)達740萬噸。
1.2國內研究現(xiàn)狀我國生物質固體成型技術的開發(fā)研究工作起步較晚。20世紀80年代，湖南省衡陽市糧食機械廠研制了第一臺ZT-3型生物質壓縮成型機，隨后江蘇省連云港東海糧食機械廠研制了OBM-88型棒狀燃料成型機。中國林業(yè)科學研究院林產化學工業(yè)研究所與東海糧食機械廠合作，于1990年完成了國家“七五”攻關項目——木質棒狀成型機的開發(fā)研究，建立了年產1000t的棒狀成型燃料生產線。“八五”期間，中國農機院能源動力研究所、遼寧省能源研究所、中國林業(yè)科學研究院林產化學工業(yè)研究所、中國農業(yè)工程研究設計院，對生物質沖壓式和擠壓式壓塊技術及裝置、燒炭技術及裝置、多功能燃燒爐技術進行了攻關，解決了林木生物質壓縮成型的關鍵技術，使我國在該領域的研究和開發(fā)水平上了一個新臺階。20世紀90年代中后期，湖南農業(yè)大學、中國農機院能源動力研究所分別研究出PB-1型、CYJ-35型機械沖壓式成型機；河南農業(yè)大學研制出HPB-1型液壓驅動活塞式成型機；中國林業(yè)科學研究院林產化學工業(yè)研究所研制了內壓環(huán)模顆粒成型機。21世紀初，河南農業(yè)大學研究出液壓驅動雙頭活塞式秸稈成型機。中國林業(yè)科學研究院林產化學工業(yè)研究所研究了生物質成型燃料深加工制備成型炭生產過程中熱解溫度對氣一固產物性能的影響，研究表明：分別以木屑、玉米秸稈、稻殼為原料，就氣體產物而言，熱解氣體熱值在200～450℃溫度范圍內，在450℃左右時氣體熱值達到最大值，然后有所下降。就固體產品而言，隨著最終精煉溫度的提高，成型炭產品的揮發(fā)分含量遞減，而固定碳含量及產品熱值遞增，但700℃以后其增加幅度變小。其中以木屑為原料制成的成型炭產品熱值最高，品質最好。
2、生物質固化成型工藝
2.1生物質固化成型機理
生物質主要由纖維素、半纖維素和木質素組成。木質素是具有芳香族特性的結構單體，由苯基丙烷單元構成的三維空間聚合物，屬非晶體，沒有熔點但有軟化點。在70～110℃時軟化，具有一定的黏性，在200~ 300℃時成熔融狀，黏性增加，此時施加一定的壓力，可使其與纖維素、半纖維素等緊密粘接并與相鄰顆�；ハ嗄z接，冷卻后即可固化成型。
2.2生物質固化成型的影響因素
影響生物質燃料固化成型的因素主要有生物質原料的種類、原料含水率、原料粒度、成型壓力、成型溫度、成型方式、黏結劑等。生物質原料在壓縮成型過程中，粒子發(fā)生變形后以相互嚙合的形式結合，而粒子層之間以相互貼合的形式結合。一般來說纖維植物秸稈和小顆粒的原料容易被壓縮，而木材和較大顆粒的原料難以被壓縮[22]。但是對于不同工藝，不同設備，成型條件也各不相同。姜洋等研究發(fā)現(xiàn)，在常溫下原料中纖維素的含量決定了成型的難易程度，纖維素含量越高，成型越容易，同時原料的粒徑和含水率分別在1-5mm和12%-18%時，壓縮后成型燃料的密度最大。周春梅等以玉米秸稈和小麥秸稈為原料，對生物質秸稈的不同成型工藝進行了系統(tǒng)的成型試驗研究，結果表明，最適宜的原料水分含量為10%～15%，在相同的成型壓力下，原料粒度越小成型后的燃料密度越大，強度越高，成型效果越好，在冷壓成型條件下，滿足成型指標所需成型壓力為2MPa，加入8%玉米淀粉時成型壓力降到1MPa。熱成型溫度為110℃時，只需要0.5MPa。2.3生物質固化成型工藝類型
生物質壓縮成型工藝有多種分類方式，可以根據(jù)原料在壓縮成型工藝時是否添加粘結劑分為：加粘結劑和不加粘結劑的成型工藝。根據(jù)壓縮壓力的大小分為：高壓壓縮(>100MPa)；采用加熱的中等壓力壓縮(5~100 MPa)；添加黏結劑的低壓壓縮(<5MPa)。從廣義上將生物質壓縮成型工藝分為濕壓成型、熱壓成型、炭化成型3種主要形式。
2. 3.1 濕壓成型濕壓成型技術是在常溫下，通過特殊的擠壓方式，使粉碎的生物質纖維結構互相鑲嵌包裹而形成顆粒，該成型技術對原料的含水率要求不高，利用水對纖維素的潤漲作用，使其加壓成型得到了很明顯的改善。濕壓成型有環(huán)模成型、平模成型、對輥成型、刮板成型等多種機具類型，但是目前該技術在國內應用并不廣泛。
2.3.2熱壓成型熱壓成型技術是在較高的溫度下使木質素軟化，起粘結劑的作用，在一定的壓力作用下將粉碎的生物質材料擠壓成型。熱壓成型工藝中采用的成型設備主要有螺旋擠壓成型機、機械驅動活塞式成型機、液壓驅動活塞式成型機等，熱壓成型是目前普遍采用的生物質壓縮成型工藝。
2.3.3炭化成型炭化成型是將生物質原料進行炭化或者是部分炭化，再加入一定量的粘結劑擠壓成一定形狀和尺寸的木炭棒。炭化成型有2種常見的情況：一種是先用成型機將原料壓縮成型，然后用炭化爐將成型后的燃料棒炭化；另一種是先將原料炭化后再成型。表1是3種成型工藝的優(yōu)缺點對照。
| 成型工藝 | 優(yōu)點 | 缺點 |
| 濕壓成型 |
（1）原料含水率要求不高，適用廣； （2）工藝環(huán)節(jié)簡單、能耗低 |
（1）產品密度較低，燃燒性能差； （2）成型時壓力高，成型部件磨損較快 |
| 熱壓成型 |
（1）產品密度高； （2）產品性能好，燃燒效率高； （3）成型過程運行平穩(wěn)、連續(xù)型好； |
（1）原料含水率要求高，控制在8%到12%； （2）生產過程中出現(xiàn)“放炮”現(xiàn)象； （3）工藝環(huán)節(jié)復雜，成本較高。 |
| 碳化成型 |
（1）能耗低 （2）對成型部件磨損小 |
（1）成品定形能力差； （2）工藝環(huán)節(jié)復雜，成品燃燒性能差； |
目前，生物質固體成型燃料的成型設備主要有螺旋擠壓式成型機、活塞沖壓式成型機和壓輥式成型機3種形式。其中，螺旋擠壓式成型機和活塞沖壓式采用的是熱壓成型工藝，而壓輥式成型機采用的是冷壓成型工藝，壓輥式成型機又分環(huán)模成型機和平模成型機。
3.1螺旋擠壓式成型設備
螺旋擠壓成型的機理是生物質原料被送到螺旋壓縮成型機械中，在動力機械的帶動下錐形螺桿推動原料進入壓縮成型筒內，錐形螺桿和壓縮成型筒擠壓物料使內壓應力越來越大，在壓縮成型筒的頂端達到最大內壓應力而成型，再經過一段應力松弛段，被推出螺旋壓縮成型機械，成為成型物料。螺旋擠壓成型設備在目前市場上應用最為普遍。
3.2活塞沖壓式成型設備
活塞沖壓式成型機根據(jù)驅動方式的不同又分為機械驅動活塞式成型機和液壓驅動活塞式成型機。液壓沖壓式成型機對原料的含水率要求較為寬松，常用于生產實心的燃料塊或燃料棒，密度在800—1100 kg/m3之間，燃料塊比較容易松散，但在壓縮過程中一般不需要加熱，從而減小了成型部件的損耗。河南農業(yè)大學研制的活塞沖壓式成型機，用于生產直徑約為100mm、密度為1000。1200kg/m3的棒狀燃料，經過10年的試驗研究，已改進4代機型。
3.3壓輥式成型設備
壓輥式成型機主要用于生產顆粒狀成型燃料，其基本工作部件主要由壓輥和壓模組成，根據(jù)壓模的形狀不同又可分為：平模成型機和環(huán)模成型機。壓輥可以繞自身的軸轉動，壓輥的外周加工有齒或槽，使壓緊原料而不致打滑。壓模上加工有成型孔，物料進入壓輥和壓模之間，在壓輥的作用下被壓人成型孔內，成型為圓柱形或棱柱形，最后切段成顆粒狀成型燃料。壓輥式成型機生產時依靠物料擠壓時產生的摩擦熱即可使物料軟化具有一定的粘合作用，一般不需要額外加熱，若原料中木質素含量較低，黏合力較小可適量添加少許粘結劑。該設備對原料含水率要求較為寬松，一般在10%~40%之間，顆粒成型燃料的密度在1000一1400kg/m3之間。農業(yè)部規(guī)劃設計研究院在北京市大興區(qū)研制開發(fā)的適宜于農作物秸稈的HM-485型環(huán)模式成型機，建成了年產2萬噸的生物質固體成型燃料生產線，并投產運行，該成型機生產率達1.5t/h，關鍵部件壽命達400h以上。
3種成型設備優(yōu)缺點的對比見表3。
| 設備 | 優(yōu)點 | 缺點 |
| 螺旋擠壓式成型設備 |
（1）運行穩(wěn)定、生產連續(xù)； （2）成品密度高、質量好、可碳化、易燃燒； （3）結果簡單，設備投資少。 |
（1）能耗高，生產率低； （2）螺旋桿易損件壽命短； （3）對原料含水率要求； （4）設備配套性能差。 |
| 活塞沖壓式成型設備 |
（1）成品密度較高； （2）對原料含水率要求不高。 |
（1）生產率不高； （2）產品質量不夠穩(wěn)定； （3）產品不適宜碳化； （4）成型套筒易磨損。 |
| 壓輥式成型設備 |
（1）生產率高； （2）不需要外部加熱； （3）對原料含水率要求不高。 |
（1）成型模具及壓輥易磨損，壽命短，材料要求高； （2）對原料的適應性較差。 |
我國生物質固體成型燃料技術經過近年的快速發(fā)展已經取得了顯著的成就，但是與國外先進的成型技術相比還有一定的差距，主要表現(xiàn)在對原料要求高、生產率低、成型能耗高、主要部件工作壽命短、機器故障率高、成本偏高以及成型燃料深加工技術欠缺等方面。導致這些問題的主要原因有兩個：一是長期以來，我國可再生能源缺乏明確的發(fā)展目標，技術基礎薄弱，資金投人較少；二是設備制造能力和技術研發(fā)能力相對薄弱，技術和設備較多依靠進口，同時對可再生能源資源評價、技術標準、產品檢測、認證體系還不夠完善，沒有形成支撐可再生能源產業(yè)發(fā)展的技術服務體系。綜合來看，我國生物質固體成型技術發(fā)展趨勢主要是大力發(fā)展便于在生物質原料產地推廣使用的成型設備，消除生物質燃料規(guī)�；瘧弥性鲜占⑦\輸、儲存成本高這一“瓶頸”。同時增加成型設備的基礎研究，盡可能以常溫固化成型技術為主，解決關鍵部件的材料磨損過快問題，降低成型時能量損耗，增加成型模具的使用壽命，降低成本。。
5、結語
目前，我國生物質成型燃料開發(fā)利用正處于快速發(fā)展階段，相關企業(yè)和科研單位研發(fā)的技術與設備為生產規(guī)�；於嘶A。同時國家在“十二五”期間也必然將加大對生物質固體成型燃料的新能源開發(fā)利用力度，同時從資金、技術、電價、稅收等方面制定一系列扶持政策，降低生物質成型燃料的研發(fā)和生產成本，推進生物質成型燃料產業(yè)的健康發(fā)展。
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