0、引言
生物質能作為自然界的第4大能源，資源分布廣，開發(fā)潛力大，環(huán)境影響小。發(fā)展生物質能源是全球緩解能源危機、減少溫室氣體排放、解決生態(tài)環(huán)境問題和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。我國農業(yè)廢棄物資源豐富，每年約有7×108t的農作物秸稈，另外還有大量的林業(yè)采伐和林木制品加工廠產生的廢棄物，如枝丫、小徑木、板片和木屑等，總量近1×108。生物質致密成型技術生產固體燃料是把農林廢棄物加工再利用、解決生物質資源浪費和污染問題的一種重要技術手段，是除生物質氣化和液化之外的又一種生物質能源轉換方式。但由于原料、工藝和設備等諸多方面的原因。生物質成型燃料的生產和利用仍然存在著問題。本文就生物質成型燃料生產及其應用中存在的問題進行分析研究，以探索更好地開發(fā)生物質能源的途徑。
1、國內外生物質成型燃料技術發(fā)展現(xiàn)狀
1.1國外發(fā)展現(xiàn)狀
國外發(fā)達國家對生物質成型燃料技術都十分重視，并投入了大量的資金與技術力量研究和開發(fā)生物質致密成型設備。早在20世紀30年代，美國就開始研究壓縮固體成型燃料技術，并研制了螺旋式擠壓成型機，在加熱溫度為110~350℃、壓力10MPa的條件下。能把木屑和刨花壓縮成固體成型燃料。20世紀70年代初。美國研究開發(fā)了環(huán)模擠壓式顆粒成型機，并在國內大量生產。瑞士、瑞典、西歐等發(fā)達國家都先后開發(fā)研究了沖壓式成型機、輥模擠壓式顆粒成型機。20世紀50年代。日本從國外引進技術后進行了改進。研究應用了螺旋式擠壓成型機，之后又相繼產生了以油壓、水壓為動力的活塞式生物質壓縮成型設備。從20世紀80年代開始，日本對生物質壓縮成型燃料技術進行了探討，對壓縮過程中的動力消耗、壓模的結構與尺寸、壓縮燃料的含水率、壓縮時的溫度和壓力及原料的顆粒大小等進行了實驗研究，進一步改進了生物質壓縮成型技術。使之更趨于實用化。泰國、印度、菲律賓等國從20世紀80年代開始也先后研制成了填加粘結劑的生物質致密成型機，富通新能源生產銷售
顆粒機、
木屑顆粒機等生物質燃料成型機械設備，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1.2國內發(fā)展現(xiàn)狀
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。湖南省衡陽市糧食機械廠于1985年研制了第一臺ZT - 63型生物質壓縮成型機。江蘇省連云港東海糧食機械廠于1986年引進了一臺0BM- 88棒狀燃料成型機。1993年前后，我國從國外引進了近20條生物質壓縮成型生產線，基本上都采用螺旋擠壓式，以鋸木屑為原料。生產碳化燃料。中國林業(yè)科學研究院林產化學工業(yè)研究所于1998年研制成功了生物質顆粒燃料成型機。該機由旋風干燥裝置、木質素加熱軟化裝置和顆粒成型裝置3大部分組成，生產率為120~240kg/h能耗為120 8~241_7kW·h／t。
從2002年起在國產飼料顆粒機的基礎上結合瑞典生物質顆粒燃料成型機技術研制而成了生物質顆粒燃料成型機。2004年。清華大學和北京惠眾實科技有限公司開發(fā)的H ghzones生物質固化成型技術，利用壓輥擠壓原理實現(xiàn)了生物質就地及時壓縮。2006年。河南農業(yè)大學李保謙、張百良和夏祖璋等研制了HPB-Ⅳ型液壓驅動活塞式成型機，合肥天炎綠色能源開發(fā)有限公司研制了TYK- II秸稈成型機。河南省科學院能源研究所何曉峰等研制了一種在常溫下生產顆粒燃料的環(huán)模顆粒成型機，變頻電機驅動螺旋供料裝置為擠壓裝置供料，通過調整供電的頻率可實現(xiàn)原料供應量的調整，顆粒燃料的生產效率可達到300～500kg/h。
2、生物質成型燃料生產與應用中存在的問題
2.1原料難以持續(xù)供應
生物質原料主要包括木質材料和非木質材料f如竹材和農業(yè)剩余物等1，其應用包括用于能源領域生產致密成型燃料供居民采暖和生物質電廠發(fā)電、用于人造板行業(yè)生產木質或非木質人造板、用于造紙行業(yè)生產低端紙制品和紙箱包裝材料等及用于養(yǎng)殖行業(yè)生產飼料等。
各類生物質利用都需要大量的可持續(xù)供應的原料，因而不可避免地存在著對生物質原材料的競爭。隨著保護性耕作技術的發(fā)展，秸稈留茬覆蓋還田己成為一些糧食主產區(qū)f同時也是秸稈主產區(qū)）的通用生產方式，可用于生產成型燃料的生物質原料供應十分緊張。
另一方面，從成品價格比較，1t人造板售價3 000元左右。而1喊型燃料售價僅600～800元，因此原料持有者就可能更傾向于將原料出售給收購價格較高者。生物質電廠投資一般在幾億元，一旦上馬為收回成本或達到預期的經濟效益，必然不惜財力搶購原材料，從而使成型燃料原料價格進一步攀升。當原料成本超過一定界限，即使享受國家補貼。成型燃料生產和所供應的生物質電廠也會虧損。
還有部分生物質電廠立項時以秸稈為主要原料，實際建成生產時，由于秸稈供應不足，成型燃料燃燒性能差。不得不大量使用木材作為成型的原材料。但我國木材資源供需矛盾日益突出，預計2010年我國木材年消耗量達2 5 x lO5m3。折合l.5×lOs t而現(xiàn)有森林資源可供給量僅為1.5×l08m3,供需缺口達6×107×l08m3，可用于成型燃料生產和生物質發(fā)電的木材供應將十分緊張。
舉例如下：按照生物質發(fā)電業(yè)內通行的標準。半徑50km內才允許建一個生物質發(fā)電廠，而如果生物質電廠過于密集，則會導致生物質發(fā)電廠“無米下鍋”。據(jù)南方周末報報道，截至2010年。江蘇省原來生物質發(fā)電廠一共批了28家，布點過于密集導致原料價格攀升。以稻殼為例。其價格最高峰達到460元／t由于燃料缺少，大多時間很多電廠都只能減負荷運行或虧損運行。2010年即將投產的涿鹿華達生物熱電項目裝機容量為2×25kW，年消耗各種秸稈3×105 t而河北涿鹿縣秸稈總量才6 8x l05，不僅要供應生物質電廠，還要供應造紙廠、飼料加工等企業(yè)，加之秸稈不可能百分之百地收集f如小麥的手工收割系數(shù)為0.85～0.9，因此進一步加大生物質電廠生產規(guī)模的可能性就很小。
2.2各類原材料特性不同，成型差異大
研究表明，不同種類農作物秸稈化學成分不同，見表1所示。化學成分對秸稈的致密成型工藝和成型燃料的性能有影響。相對于木材而言，秸稈的灰分含量高，如闊葉材灰分低于1.5%。而農作物秸稈的灰分一般多在2%以上，稻秸的灰分高達14%，成型過程中易造成粉塵污染，增加除塵系統(tǒng)的能耗。農作物秸稈灰分中的主要成分SD2含量多的在65%以上（如麥秸、稻秸等），灰分中的SO2在植物纖維中形成了非極性的表層結構，影響膠黏劑吸附和氫鍵的形成，不利于其自身膠合固化成型。蓖麻稈的灰分含量在2.4%，因此與稻秸相比。在成型和燃燒是兩者必然呈現(xiàn)不同性能。有機溶劑抽提物含量高，1%NaOH下玉米稈的抽提物高達45.362%。這表明其富含蠟狀物與硅，不易膠接，降低結合強度。秸稈中聚戊糖含量多在20%以上。聚戊糖使秸稈在成型過程中易出現(xiàn)粘附成型壓輥和環(huán)模或螺旋進料器的現(xiàn)象，增加能耗，降低成型機使用壽命。闊葉材的木素和纖維素含量較高，可分別高達33.09%和64.10%，而一般秸稈的木素和纖維素含量都低于木材。自身強度也比較低，因此需要提高原料的粉碎程度以增大比表面積。促進纖維形成多維面交接，增強結合強度。棉稈、麻稈等農作物剩余物秸稈原料的表皮纖素含量較高，如蓖麻稈的綜纖維素為75.48%，但其纖維較長，韌性大，采用普通的粉碎機不易切斷。
生物質原料在壓力作用下，細小的顆粒互相之間容易發(fā)生緊密充填，成型塊的密度和強度顯著提高，粉碎程度高，有助于提高成型燃料的松弛密度和耐久性。普通的粉碎f物料相對含水率15%~l5%）不能促進原料的自身膠合。為保證成型燃料品質。對成型壓力、溫度和成型機對原料的適應性提出了較高的要求，造成能源消耗大和成型部件磨損嚴重等現(xiàn)象。采用熱壓成型雖能使生物質的化學成分轉換為粘結劑，以增強成型物顆粒間的粘結力，但卻消耗大量能源。另一方面。普通的粉碎對高含水率秸稈（含水率> 30%）效果差，不能做到秸稈的即收割即粉碎。
2.3成型設備能耗高且磨損快，對原料適應性差
現(xiàn)在應用較多的成型燃料加工設備有輥模擠壓式（包括環(huán)模式和平模式）、活塞沖壓式（包括機械式、液壓式1和螺旋擠壓式等3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，活塞沖壓式與螺旋擠壓式成型機都采用的是熱壓成型工藝。當前生物質致密燃料成型設備主要存在如下幾個問題：
1)在成型機中將纖維和木質素軟化必然要求高的能量消耗。例如。對于螺桿擠壓成型機，粉料在螺旋擠壓成型前先要經過電加溫預熱，擠壓成型過程的噸料電耗一般為100KW/h。
2）滾輪和成型孔磨損很快，費用高。國產設備中螺桿的最高壽命不超過5 00h,距國際先進水平的1000h差距很大：活塞式成型機的成型模腔一般要100h修復一次：國內外的同類環(huán)模式成型設備平均修復周期在1000h左右。維修費用f取決于環(huán)模直徑）為1萬～4萬元。德國某廠環(huán)模成型機的環(huán)模每運行90d需要維修一次。一臺環(huán)模總成可維修10次，每次耗資4500歐元。
3）成型機對原料的粒度和含水率要求不盡相同，從6%～35%不等，超出正常范圍就會導致不能成型或能耗增大，從而導致因各地原料不同而配備各種專門設計的成型設備。另外，不同的成型設備適用的原料要求嚴格：為鋸末、木屑設計的成型設備不能處理生物質秸稈等；能處理秸稈的成型設備對稻殼無能為力：處理稻殼的成型設備卻奈何不得棉花稈等。
2 4成型燃料結渣嚴重
秸稈類生物質在生長過程中會吸收一定量的金屬元素，這些元素以鹽或氧化物等形式存在于生物質機體內，且熔點相對較低，大部分在700~900℃。當秸稈類生物質固體成型燃料在鍋爐內燃燒時。爐內溫度遠高于堿金屬化合物的熔點，導致爐排上的秸稈灰在800～900℃時就開始發(fā)生軟化，溫度過高時灰分會全部或者部分發(fā)生熔化．形成玻璃狀堅硬爐渣。難以清除。另外，煙氣中夾帶著熔化或半溶化的堿金屬硅酸鹽，在接觸到鍋爐內壁面時凝結。不斷積聚，最終產生嚴重的積灰或結渣等問題。結渣現(xiàn)象不僅會影響燃燒設備的熱性能，而且會危及燃燒設備的安全性。
2.5不同生物質成型燃料燃燒性能差異大
不同種類生物質的熱值和工業(yè)成分不同。見表2所示。稻草的低位熱值為1.39×l04kj/kg而雜草的低位熱值為l.6 x l04 kj/kg。相比之下，木材的發(fā)熱量較大，楓木和松木的低位熱值分別為1.89×104 kj/kg和1-90 x l04kJ／k昏熱值的不同致使對應的成型燃料在燃料爐中燃燒時性能存在差異，從一種燃料換到另一種燃料燃燒時，所發(fā)出的能量就會存在波動，從而導致供熱或發(fā)電的不均勻性。這種不均勻性必然影響居民取暖或輸電的穩(wěn)定。
3、解決問題的方案
3.1充分論證。保證原料可持續(xù)供應
項目投資人和地方政府要對生物質電廠項目進行科學的可行性分析和論證。充分考慮國家政策、當?shù)氐纳镔|原料數(shù)目、分布、利用途徑、已有企業(yè)類型和經濟效益等。立項規(guī)模要合適，地點選擇要恰當，宏觀審批要慎重，有大型人造板廠則不宜批建生物質電廠，從而保證原料供應充足，并且對可用于成型燃料生產和發(fā)電項目的生物質總量、可獲得性、可供應量、秸稈等生物質原料到廠價格以及秸稈資料的區(qū)域差異等相關問題形成一套完整的理論體系。項目一旦上馬，要進行科學的管理，保證項目的長久發(fā)展，確保對當?shù)亟洕⑥r民生活質量及農村環(huán)境切實有益。
3.2對原料合理預處理，優(yōu)化成型工藝
預處理對于增加原料成型性能、改善成型燃料的物理品質和燃燒性能及降低成型機能耗具有重要影響。改變原料的預處理方式可以提高不同種類秸稈自身膠合固化成型性能，從而有效改善不同種類秸稈成型性能和顆粒成型燃料結合強度。在原料預處理方面，蒸汽爆破預處理、木質纖維材料芐基塑化是新近發(fā)展起來的預處理方法。在對原料進行蒸汽爆破和芐基化處理的基礎上，確定合理的成型工藝。
蒸汽爆破主要是利用高溫高壓水蒸汽處理纖維原料，并通過瞬間泄壓過程實現(xiàn)原料的組分分離和結構變化。處理后天然纖維原料膨松呈煙絲狀。纖維素的孔隙增大。對其進行熱性質分析表明，蒸汽爆破使植物纖維原料的半纖維素和木質素降解為低分子物質，并且使纖維疏松，形成多孔性，易于燃燒。經此處理的纖維便于成型，從而可提高成型機對原料的適應性。實施時可對不同種類秸稈采用不同含水率、不同溫度、不同壓力進行工藝優(yōu)化。得到不同種類秸稈爆破法工藝參數(shù)，提高成型設備對不同種類原料的適應性。
植物纖維材料芐基塑化即通過化學手段，用其他的官能團來部分取代其纖維素、半纖維素或木質素上面的羥基，一方面會減少各成分之間的氫鍵，使纖維素及半纖維素等分子間的結合力大大下降：另一方面這種改性還會破壞纖維素的結晶結構，最終使木質纖維材料可以在一定溫度下軟化成為熱塑性材料。熱塑性材料在一定溫度下易于成型，且結合強度提高。實施時可對不同種類原材料（木材、麥秸、玉米秸、棉稈、稻殼等）進行一定比例）芐基化預處理，將芐基化產物與未處理原料混合，之后在成型機內成型，總體提高設備對原材料的適應性。
3.3研發(fā)和改進成型設備
研制多種類高含水率物料（濕物料秸稈）一次粉碎技術與設備。普通的晾曬處理如遇陰雨天氣。秸稈易霉變甚至腐爛，使秸稈利用價值降低，因而有必要研發(fā)針對不同來源、不同種類的高含水率物料一次粉碎技術與設備，實現(xiàn)多種濕秸稈即收割即粉碎，并且提高碎料程度。可采用揉搓裝置、錘片粉碎、篩分裝置等的有機結合技術設計開發(fā)設備。將秸稈高度分離，得到介于刨花碎料和熱磨纖維之間的亞纖維。粉碎后的秸稈進行再氣干或人工干燥，一方面提高干燥效率。另一方面可預防或減少秸稈霉變腐爛，為后續(xù)成型工藝做好準備。
提高成型部件的耐磨性，合理設計成型部件的材料、尺寸。合理選擇成型因素水平。對成型的關鍵部件采用先進的表面熱處理和涂層及滲層等技術以提高耐磨性。
研究設備對原料的適應性，從結構設計、尺寸設計、制造精度等角度角度出發(fā)。提高其對原料的適應性，主要是對含水率的適應性。
3.4提高成型燃料的抗結渣性能
一是進一步改善對原料的預處理，減少秸稈中的金屬元素。試驗表明。使用60~70℃的水對秸稈進行洗濾，可脫出秸稈中95%的K和Cl元素。二是在秸稈的收集運輸過程中．應避免混入含有S02的泥沙，防止K和Na等元素的化合物與SO2發(fā)生反應而生成低熔點的共晶體。三是研制和選用合理的抗結渣添加劑。農業(yè)部規(guī)劃設計研究院田宜水等提出了一種生物質固體成型燃料抗結渣添加劑。該添加劑主要由15%~25%的碳酸鎂、20%~30%氧化鋁和45%~65%的碳酸鈣組成，按照不同的生物質原料制定不同的配方配比，并按照1%～5%的比例將抗結渣添加劑添加到不同的生物質原料中。四是采用各種措施（如水冷震動爐排等1將鍋爐燃燒溫度控制在900℃以下。對鍋爐內部結構進行精心設計。避免攜帶低熔點顆粒的熱氣體與換熱面接觸等。
3.5提高成型燃料燃燒均勻性
應改變不同種類生物質原料的成型參數(shù)。以提高其成型燃料的燃燒性能。有研究表明，玉米秸稈成型燃料的燃燒性能隨著相對孔隙率的不同而變化。相對孔隙率大的玉米秸稈成型燃料相對較好燃燒。具有較好的燃燒性能，反之則不好。為此，應根據(jù)生物質成型燃料的燃燒特性優(yōu)化成型燃料鍋爐運行參數(shù)，以提高燃燒效率和熱效率。如上文表2所示，木材比秸稈的熱值高，可嘗試木質材料和非木質材料混合，如木材一麥稈、木材一稻秸等混合成型燃料、生物質原料和煤粉混合成型燃料。從配比、密度等方面提高成型燃料的燃燒均勻性，提高熱值。
4、結語
開發(fā)和利用生物質能是解決環(huán)境污染、能源短缺問題的重要途徑。但生物質成型燃料生產和利用過程中在原料的持續(xù)供應、原料預處理、成型工藝、設備、成型燃料結渣和燃燒性能等方面仍然存在諸多問題，解決好這些問題是確保生物質致密成型和利用產業(yè)發(fā)展的關鍵，尚有大量的工作需要進行。
