生物質(zhì)固化成型燃料生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

吳再興，陳玉和，包永潔，陳章敏，李 能

（國(guó)家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012）

生物質(zhì)固化成型燃料生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展對(duì)策

吳再興，陳玉和，包永潔，陳章敏，李 能

（國(guó)家林業(yè)局竹子研究開發(fā)中心，浙江 杭州 310012）

介紹了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)固化成型燃料的生產(chǎn)現(xiàn)狀，從生產(chǎn)設(shè)備、原料、工藝、市場(chǎng)、應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備5個(gè)方面分析了生物質(zhì)固化成型燃料生產(chǎn)與進(jìn)一步發(fā)展存在的問題，并提出了相應(yīng)的對(duì)策。

固化成型燃料；挑戰(zhàn)；對(duì)策

生物質(zhì)固化成型燃料，也稱為固體成型燃料，是將作物秸稈、稻殼、木屑等農(nóng)林廢棄物粉碎后，送入成型器械中，在外力作用下，壓縮成需要的形狀以作為燃料直接燃燒，也可進(jìn)一步加工，形成生物炭[1]；或者將農(nóng)林廢棄物炭化后再膠合成型燃料，形狀有塊狀、棒狀或顆粒狀（木質(zhì)顆粒燃料）等[2]。生物質(zhì)廢棄對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染，利用生物質(zhì)既能解決污染，又能產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)收益[3]；同時(shí)，生物質(zhì)燃料替代煤炭等不可再生燃料，有利于保護(hù)環(huán)境[1]，減少碳排放。但原始狀態(tài)的生物質(zhì)不容易利用[4]，傳統(tǒng)低效的生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的有害煙霧造成室內(nèi)空氣污染，對(duì)健康形成威脅[5]。固化成型后有利于燃料的儲(chǔ)存、運(yùn)輸[1,6]、處理及加工[4]，與傳統(tǒng)的直接燃燒相比，固化成型燃料能提高能源利用率57% ~ 79%[1]，燃燒排放的污染物低于煤，是一種高效、潔凈的可再生能源[1]，與燃煤發(fā)電相比，生物質(zhì)固化成型燃料發(fā)電可減少溫室氣體排放70% ~ 94%[7]；與天然氣相比，木質(zhì)顆粒燃料供暖能減少26.6%的碳排放[8]；環(huán)境效益顯著。竹材、木材等木質(zhì)產(chǎn)品加工的剩余物和產(chǎn)品廢棄后也可用于生物質(zhì)固化成型燃料的生產(chǎn)，既解決廢棄物的污染，又能降低生物質(zhì)固化燃料的原料成本，達(dá)成竹木材料的全面利用和全生命周期利用。

1 現(xiàn)狀與發(fā)展目標(biāo)

在國(guó)外，固化成型燃料技術(shù)已基本成熟，如丹麥、德國(guó)、比利時(shí)、美國(guó)、日本等國(guó)家已實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)，其產(chǎn)品主要用于取暖爐、鍋爐發(fā)電等。2010年全球生產(chǎn)木質(zhì)顆粒燃料1 430萬t，消耗1 350萬t，主要用于住宅供暖、區(qū)域供熱和混燃鍋爐用；歐盟是木質(zhì)顆粒燃料的最大市場(chǎng)，北美以出口為主，但美國(guó)國(guó)內(nèi)木質(zhì)顆粒燃料消耗也很大，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來，東亞將成為木質(zhì)顆粒燃料的第二大市場(chǎng)[9]。到2020年，根據(jù)歐盟的生物質(zhì)能占20%的目標(biāo)（2008年的水平為8.4%，木質(zhì)顆粒燃料占0.2%），考慮到林業(yè)提供原材料的能力，木質(zhì)顆粒燃料的需求將增加2 500萬t，占總能源消費(fèi)的0.6%[10]。目前，我國(guó)研究和開發(fā)出的生物質(zhì)固化成型機(jī)也已應(yīng)用于生產(chǎn)，生產(chǎn)的致密成型燃料，已應(yīng)用于取暖和小型鍋爐。但是直到2008年，2億農(nóng)戶中仍有近50%依靠燃燒薪柴和農(nóng)業(yè)廢棄物取暖和炊事——這是對(duì)環(huán)境和健康真實(shí)而嚴(yán)重的威脅，2003年中國(guó)排放的溫室氣體20%來自農(nóng)業(yè)，廢棄的生物質(zhì)對(duì)環(huán)境也產(chǎn)生了危害；傳統(tǒng)低效的生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的有害煙霧造成室內(nèi)空氣污染，對(duì)健康形成威脅[5]。根據(jù)農(nóng)業(yè)部制定的《農(nóng)業(yè)生物質(zhì)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2007－2015年）》以及中央政府發(fā)布的能源和生物質(zhì)2020年總體發(fā)展目標(biāo)，秸稈固體成型燃料2010年目標(biāo)為100萬t[11]，2015年2 000萬t，2020年5 000萬t[12]。

2 主要問題與對(duì)策

2.1 生產(chǎn)設(shè)備方面

一是易損部件磨損快，維修費(fèi)用高。對(duì)于螺旋擠壓成型機(jī)，由于螺桿與物料始終處于高速摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致壓縮區(qū)（高溫、高壓）螺紋的磨損非常嚴(yán)重，目前國(guó)內(nèi)外的工藝技術(shù)條件尚不能從根本上解決螺桿磨損問題，螺桿的平均修復(fù)期僅為60 h左右[13]。對(duì)于活塞式?jīng)_壓成型機(jī)，套筒與推進(jìn)器在200 ~ 340℃高溫和700 ~ 1 000 kg/cm2高壓下處于干磨擦狀態(tài)，工作環(huán)境很差，使套筒和推進(jìn)器磨損嚴(yán)重，其使用壽命問題成了成型機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵問題，甚至成了影響這個(gè)行業(yè)發(fā)展的主要問題[14]。對(duì)于環(huán)模成型機(jī)，國(guó)內(nèi)外的同類設(shè)備平均修復(fù)周期約1 000 h，維修費(fèi)用（取決于環(huán)模直徑）為1萬 ~ 4萬元[13]。二是可靠性差，能耗高[13]。設(shè)備工作可靠性差，能耗較高。螺旋擠壓成型機(jī)擠壓時(shí)物料中的水分受熱急劇蒸發(fā)，容易產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象。采用壓輥式成型機(jī)生產(chǎn)生物質(zhì)燃料時(shí)，不僅成型設(shè)備消耗能量，而且工藝流程中其他環(huán)節(jié)（如粉碎，輸送等）的電機(jī)驅(qū)動(dòng)都消耗大量的電能。用SKR-25型秸稈顆粒成型機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)指出，其最低能耗為102.33 kWh/m3，仍需要技術(shù)改進(jìn)和完善更新。三是工藝輔助設(shè)備不配套，連續(xù)運(yùn)行能力低[13]。烘干、粉碎設(shè)備等都是各企業(yè)自行設(shè)計(jì)加工，其烘干設(shè)備無法較好控制原料的含水率，從而影響燃料成型。粉碎機(jī)工作條件惡劣，原料夾雜其他硬質(zhì)雜質(zhì)，如鐵屑、沙粒等，使設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定，輸送過程易堵塞，故障率高，維修頻繁，影響連續(xù)生產(chǎn)。

一定時(shí)期內(nèi)，設(shè)備開發(fā)和改進(jìn)尤其是關(guān)健部件的耐磨性改進(jìn)是生物質(zhì)固化成型的關(guān)鍵，應(yīng)用硬質(zhì)合金及其它新材料、新工藝制造關(guān)鍵部件和易損件，提高壽命，降低維修成本，提高穩(wěn)定性，加強(qiáng)配套設(shè)備的研發(fā)，提高生產(chǎn)的可靠性和穩(wěn)定性。2010年農(nóng)業(yè)部發(fā)布《NY/T 1882-2010生物質(zhì)固體成型燃料成型設(shè)備技術(shù)條件》，將有力推動(dòng)我國(guó)生物質(zhì)固化成型設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。

2.2 原料方面

原料種類，包括原料組成如木素含量[15]、樹皮含量[16]、種類、貯存時(shí)間[17]、干燥條件[17]等都成型工藝和固化成型燃料性能有影響。不同原料的生物質(zhì)含有不同的木質(zhì)素及纖維素，即其微觀組成不同，則可壓縮性不同，成型后制品的殘余內(nèi)應(yīng)力也不同，故開裂程度不同[18]。原料的種類不但影響成型質(zhì)量，如成型塊的密度、強(qiáng)度、熱值等，而且影響成型機(jī)的產(chǎn)量及動(dòng)力消耗[8,19]。原料的含水率、儲(chǔ)存時(shí)間[20]、顆粒度也都對(duì)生產(chǎn)工藝和成本都有很大影響。

我國(guó)可利用的生物質(zhì)主體是農(nóng)作物秸稈，但收獲農(nóng)作物秸稈的季節(jié)性強(qiáng)，時(shí)間短，生產(chǎn)企業(yè)很難在短時(shí)間內(nèi)把各家各戶的秸稈收集起來用于正常生產(chǎn)[2]，如果生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，則面臨這原料短缺或采購(gòu)、物流[9]成本不斷攀升的局面。

原料供應(yīng)對(duì)生物質(zhì)固化成型燃料的發(fā)展影響很大[9]，根據(jù)各地的原料分布情況，要適當(dāng)控制生產(chǎn)規(guī)模，同時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐膭趧?dòng)力成本和運(yùn)輸成本，保證原料能以合理價(jià)格穩(wěn)定供應(yīng)。

2.3 工藝方面

影響生物質(zhì)固化成型物理力學(xué)性能以及燃燒等性能的因素眾多，如溫度、壓力、放氣時(shí)間等均對(duì)固化成型顆粒燃料的破碎強(qiáng)度和密度有顯著影響[21]，粘合劑[22]、蒸汽處理[20]、SO2催化蒸汽預(yù)處理[23]等對(duì)燃料強(qiáng)度、耐久性等都有顯著影響，經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、高性能的新工藝開發(fā)將是工藝發(fā)展的一個(gè)重要方向。

工藝與生產(chǎn)設(shè)備密切相關(guān)。一方面，現(xiàn)有的設(shè)備種類繁多，有關(guān)研究所用的設(shè)備之間差異也很大，研究用設(shè)備與生產(chǎn)設(shè)備也存在較大差異，使得研究結(jié)果往往不具有可比性和可應(yīng)用性，因此，生物質(zhì)固化燃料技術(shù)從從研究室到工廠還有一段路要走；另一方面，現(xiàn)有的工藝壓力很高，所以設(shè)備磨損大，可靠性較低，能耗較高，如能改進(jìn)現(xiàn)有的冷壓縮成型工藝，開發(fā)出低壓常溫成型工藝，則對(duì)生物質(zhì)固化燃料的發(fā)展具有強(qiáng)大的促進(jìn)作用。

改進(jìn)現(xiàn)有的冷壓縮成型工藝，開發(fā)出低壓常溫成型工藝，降低對(duì)設(shè)備的要求，降低生產(chǎn)成本。成型工藝應(yīng)向少加熱或不加熱、低壓發(fā)展，工藝選擇要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保因素如果添加膠粘劑尤其是燃燒后無有害物質(zhì)產(chǎn)生的膠粘劑如某些無機(jī)膠粘劑和天然有機(jī)物質(zhì)能降低壓力而且經(jīng)濟(jì)上更合理，應(yīng)予以采用。另外，原材料應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)預(yù)處理，可以借鑒無膠膠合的研究成果，從而降低成型壓力，減少設(shè)備磨損和動(dòng)力消耗。

2.4 市場(chǎng)方面

我國(guó)的生物質(zhì)固化燃料的市場(chǎng)應(yīng)用主要有兩個(gè)，一個(gè)是生物質(zhì)氣化發(fā)電，一個(gè)是農(nóng)戶炊事取暖用。前一個(gè)市場(chǎng)面臨的問題是生物質(zhì)氣化發(fā)電如果沒有多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)[24]，僅靠發(fā)電尚難以盈利，依靠補(bǔ)貼才得以發(fā)展；后一個(gè)市場(chǎng)則面臨一個(gè)農(nóng)戶認(rèn)可的性價(jià)比，長(zhǎng)期以來，農(nóng)戶都是直接燃燒秸稈取暖和炊事，要農(nóng)戶為成型燃料付費(fèi)還有一段路要走。相比國(guó)外對(duì)生物質(zhì)成型燃料市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)性的研究，國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究還需進(jìn)一步深化。

加強(qiáng)市場(chǎng)研究，考慮分類分級(jí)利用，不同產(chǎn)品聯(lián)產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。分類利用指選擇適合的生物質(zhì)原料，分級(jí)利用則對(duì)同一種生物質(zhì)的不同部位作為不同的產(chǎn)品原料，如將秸稈等生物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)豐富的葉片等用作飼料，將纖維素含量高的莖稈等用作燃料[25]，木質(zhì)素含量高的可液化代替苯酚制造其他化學(xué)品。另外，要加強(qiáng)市場(chǎng)營(yíng)銷研究，設(shè)計(jì)一套各方都能接受的方式開拓生物質(zhì)固化燃料市場(chǎng)。

2.5 應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備方面

生物質(zhì)固化成型燃料的應(yīng)用技術(shù)包括引燃劑[26~27]、抗結(jié)渣[28~31]技術(shù)等，國(guó)內(nèi)已開展研究，但研究結(jié)果受到生物質(zhì)固化成型燃料性能差異的影響難以大面積應(yīng)用。應(yīng)用設(shè)備方面，國(guó)外先后開發(fā)出整體式、組合式生物質(zhì)供熱鍋爐以及生物質(zhì)與太陽能聯(lián)合供熱系統(tǒng)[32]等，并開展了鍋爐效率優(yōu)化的研究[33~34]，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)以秸稈類顆粒為主的爐具較多，但這類爐具由于結(jié)渣等問題，燃燒效率不高，與以木屑顆粒為燃料的爐具相比要耗費(fèi)更多的人力，并且由于成本高、原料供應(yīng)等原因，以上爐具還沒有大面積推廣應(yīng)用[19]。

應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用設(shè)備的研制必須有一個(gè)燃料特性基準(zhǔn)——如顆粒大小對(duì)熱解產(chǎn)物的影響顯著[35]，雖然北京市（2008）、河北?。?010）和農(nóng)業(yè)部（2010）先后發(fā)布了生物質(zhì)固化成型燃料標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)外也有DIN 51731[36]等標(biāo)準(zhǔn)，但由于發(fā)展時(shí)間還較短，市場(chǎng)上的生物質(zhì)固化成型燃料仍然是種類眾多，其規(guī)格和特性千差萬別，形狀有顆粒、塊狀、棒狀等，大小在6 ~ 120 mm不等，密度在0.8～1.4 g/cm3，不但其優(yōu)劣無法用統(tǒng)一方法衡量[13]，而且造成應(yīng)用技術(shù)的研究缺乏一個(gè)公共的燃料基準(zhǔn)，特別是對(duì)生物質(zhì)固化成型燃料的應(yīng)用設(shè)備如鍋爐、取暖設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、銷售、應(yīng)用各個(gè)環(huán)節(jié)都造成了困擾。

對(duì)挪威的家庭調(diào)查[37]表明，沒有選擇木質(zhì)顆粒燃料取暖系統(tǒng)的家庭的主要原因有兩個(gè)：一是安裝成本高，而且房屋需重新改造。我國(guó)現(xiàn)有的爐具也是由于價(jià)格較高，農(nóng)戶難以接受。為此，應(yīng)加強(qiáng)生物質(zhì)燃料應(yīng)用技術(shù)和應(yīng)用設(shè)備開發(fā)，尤其是降低安裝成本和使用成本。

3 展望

中國(guó)是世界第二大能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，隨著中國(guó)現(xiàn)代化的推進(jìn)，工業(yè)和生活能源需求必然不斷增加，中國(guó)政府也非常重視可再生能源的開發(fā)利用，但相對(duì)于風(fēng)能、太陽能、水力資源，生物質(zhì)能源的價(jià)值一定程度上被低估了。發(fā)展生物質(zhì)能源，可帶來三重效益：滿足農(nóng)村能源需求，保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)村發(fā)展[5]，實(shí)踐證明，固化成型燃料技術(shù)不但技術(shù)上可行，而且已經(jīng)具備經(jīng)濟(jì)上的可行性。隨著減碳目標(biāo)的推進(jìn)，固化成型燃料技術(shù)必將得到更多的應(yīng)用和更大的發(fā)展。

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Current Situation of Densified Biomass Briquette Fuel Production and Prospect

WU Zai-xing，CHEN Yu-he，BAO Yong-jie，CHEN Zhang-min，LI Neng
（China National Bamboo Research Center, Hangzhou 310012, China）

Presentation was made on current production situation of densified biomass briquette fuel at home and abroad from the aspect of production equipment, raw material, technology, market and applied techniques. Countermeasures were proposed for further development in China.

densified biomass briquette fuel; challenges; countermeasures

S789

A

1001-3776（2014）04-0083-05

2014-01-08；

2014-05-20

浙江省科技廳項(xiàng)目（2012F20001）

吳再興（1980－），男，湖北黃岡人，助理研究員，碩士，從事竹材加工利用研究。