生物質(zhì)燃料固化成型技術(shù)研究進(jìn)展

王明友 宋衛(wèi)東 吳今姬 王教領(lǐng) 王培雨 李尚昆

摘要

目前我國(guó)生物質(zhì)顆粒燃料成型技術(shù)相對(duì)滯后，存在設(shè)備能耗高、使用壽命短等問(wèn)題。在此介紹了國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，并提出了我國(guó)生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的發(fā)展方向，對(duì)提升我國(guó)顆粒燃料成型的技術(shù)水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞 生物質(zhì)；顆粒燃料；成型技術(shù)；研究進(jìn)展

中圖分類號(hào) S216.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）26-09099-02

Research Progress of Biomass Fuel Forming Device

WANG Ming-you， SONG Wei-dong et al

（Nanjing Research Institute for Agricultural Mechanization of Ministry of Agriculture， Nanjing， Jiangsu 210014）

Abstract At present， the technology of biomass fuel molding technique is relatively lagging in China； it brings several negative influences， such as high energy consumption， short service of the equipment. The current situation of the biomass pellet fuel molding device at home abroad was introduced， the development direction in China was put forward， which is significant for enhancing the level of pellet fuel molding technology in China.

Key words Biomass； Pellet fuel； Molding technique； Research progress

近幾年，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源不僅日益衰減，且造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，致使世界范圍內(nèi)許多國(guó)家霧霾天氣頻繁發(fā)生，因此尋找一種清潔、可循環(huán)的再生能源已成為全球各個(gè)國(guó)家的共識(shí)，其生產(chǎn)技術(shù)與裝備水平也已成為當(dāng)前發(fā)展的熱門。

生物質(zhì)作為太陽(yáng)能經(jīng)光合作用合成的有機(jī)物，其轉(zhuǎn)化后的能源可循環(huán)使用，具有可再生性和環(huán)境友好性的雙重屬性，其推廣和利用將對(duì)能源結(jié)構(gòu)的改善和能源需求的短缺發(fā)揮其必要的作用^[1]。近年來(lái)生物質(zhì)能越發(fā)受到重視，其消耗量已躍居全球第4位，僅次于石油、煤炭和天然氣^[2]，并有逐年增加的趨勢(shì)。我國(guó)具有豐富的生物質(zhì)能源，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年農(nóng)作物秸稈總量約有4.33億t，占農(nóng)業(yè)廢棄產(chǎn)量的60%，但由于其分散且面廣，收集運(yùn)輸成本高，這將導(dǎo)致農(nóng)作物秸稈能源利用仍停留在直燃狀態(tài)，嚴(yán)重制約了農(nóng)作物秸稈的燃料利用^[3]。直燃狀態(tài)不僅污染嚴(yán)重，且燃燒能量不能集中，大大降低生物質(zhì)的燃燒效率。筆者在對(duì)生物質(zhì)燃料特性敘述的基礎(chǔ)上，分析了生物質(zhì)燃料固化成型技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀，最后提出了適合我國(guó)生物質(zhì)顆粒燃料成型機(jī)的發(fā)展方向，重點(diǎn)就成型機(jī)的技術(shù)與裝備發(fā)展進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

1 生物質(zhì)成型燃料特性

生物質(zhì)燃料成型技術(shù)是指秸稈等生物質(zhì)原料在專用成型設(shè)備中，按照一定溫度和壓力作用下，利用物料間以及物料與模輥間的相互摩擦，及生物質(zhì)中木質(zhì)素的黏結(jié)作用，將松散的秸稈等生物質(zhì)壓縮成顆粒或棒狀的成型燃料。成型后的生物質(zhì)燃料用于替代現(xiàn)有煤炭進(jìn)行燃燒，降低有害氣體的排放，大大改善大氣環(huán)境。因其生物質(zhì)成型燃料燃燒排放出的CO₂與光合作用吸收的CO₂基本達(dá)到平衡，實(shí)現(xiàn)燃料后CO₂零排放，且成型后的生物質(zhì)密度增大將近10倍，體積大大降低，燃燒時(shí)揮發(fā)少、黑煙少^[4]。由此可見(jiàn)，生物質(zhì)成型后可作為工業(yè)鍋爐、住宅區(qū)供暖、居民用炊事、取暖的燃料^[5]。

生物質(zhì)固化成型燃料有顆粒狀和棒狀兩大類。其中顆粒燃料成型因其具有設(shè)備壽命長(zhǎng)、燃料燃燒效率高等優(yōu)勢(shì)，得到推廣應(yīng)用^[6]；棒狀燃料因其成型復(fù)雜、且燃燒不徹底而出現(xiàn)衰落的現(xiàn)象。同時(shí)，按成型機(jī)加壓的方法來(lái)區(qū)分，成型機(jī)有輥模擠壓式、活塞沖壓式、螺旋擠壓式等，其中應(yīng)用最為廣泛、產(chǎn)量最大的為模輥擠壓式^[7]。

2 國(guó)內(nèi)外生物質(zhì)燃料成型技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)生物質(zhì)成型技術(shù)與設(shè)備進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的研究。具體可以分為3個(gè)階段，第1階段為20世紀(jì)30～50年代，主要為成型機(jī)原始模型的研究、優(yōu)化、試驗(yàn)示范及機(jī)型的創(chuàng)新；第2階段為20世紀(jì)70～90年代，隨著化石能源對(duì)環(huán)境影響的日益加劇，這一階段的重點(diǎn)是對(duì)生物質(zhì)固化成型機(jī)進(jìn)行推廣應(yīng)用，同時(shí)對(duì)不同成型設(shè)備進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)；第3階段為20世紀(jì)90年代后期至今，主要為生物質(zhì)成型設(shè)備的規(guī)?；?，其成型設(shè)備已經(jīng)成熟，并達(dá)到了不同成型設(shè)備的最優(yōu)化途徑利用。

20世紀(jì)30年代，美國(guó)就開(kāi)始研究固化成型燃料技術(shù)，并研制了螺旋式成型機(jī)。90年代，美國(guó)就在25個(gè)州興建了樹(shù)皮成型燃料加工廠，每天生產(chǎn)成型燃料超過(guò)300 t。然而，生物質(zhì)成型設(shè)備當(dāng)以歐洲國(guó)家發(fā)展最快與最先進(jìn)。瑞典是應(yīng)用生物質(zhì)成型燃料最好的國(guó)家之一，年生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料超過(guò)200萬(wàn)t，人均消耗生物質(zhì)已超過(guò)160 kg/a，并率先頒布了生物質(zhì)顆粒燃料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SS187120及生物質(zhì)壓塊燃料的標(biāo)準(zhǔn)SS187121，其他歐洲國(guó)家也隨后提出了各自的標(biāo)準(zhǔn)^[8]。在亞洲，1948年日本申報(bào)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(gè)專利，并在隨后研制成棒狀成型燃料的燃燒設(shè)備。1983年從美國(guó)引進(jìn)顆粒成型燃燒技術(shù)，并發(fā)展成為了日本壓縮成型的工業(yè)體系。泰國(guó)、印度、菲律賓、馬拉西亞^[9]等國(guó)家也從20世紀(jì)80年代開(kāi)始先后研制成了加粘結(jié)劑和不加粘結(jié)劑的生物質(zhì)固化成型機(jī)。

目前，國(guó)外生物質(zhì)成型技術(shù)大部分已經(jīng)成熟，并已進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用階段，且在生產(chǎn)技術(shù)與成型燃料方面已達(dá)到規(guī)模化與商品化，并已由采暖等生活用能為主轉(zhuǎn)向發(fā)電等生產(chǎn)用能。但仍然存在著生產(chǎn)設(shè)備能耗高、價(jià)格高的現(xiàn)象。

2.2 國(guó)內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)生物質(zhì)成型技術(shù)起步較晚，總體來(lái)看，當(dāng)前我國(guó)的生物質(zhì)燃料成型技術(shù)與裝備在設(shè)備的可靠性、技術(shù)的先進(jìn)性、應(yīng)用的實(shí)用性方面上還很不足，距歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距。尤其是在成型機(jī)中的模輥材料方面尤為突出，主要表現(xiàn)在模輥耐磨性低、壽命時(shí)間短、能耗高等方面。隨著國(guó)家對(duì)生物質(zhì)利用的重視及近年來(lái)科研經(jīng)費(fèi)投入的增加，生物質(zhì)成型技術(shù)與設(shè)備取得顯著進(jìn)步。

我國(guó)生物質(zhì)成型技術(shù)與設(shè)備的研究起始于20世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)為引進(jìn)日本及臺(tái)灣地區(qū)的螺旋擠壓機(jī)型為主的成套設(shè)備進(jìn)行消化吸收。90年代后先后研制和生產(chǎn)了幾種不同規(guī)格的生物質(zhì)成型機(jī)，主要以沖壓式成型機(jī)與螺旋式成型機(jī)為主。2000年前后，隨著化石能源價(jià)格的攀升與環(huán)境污染日益加劇的雙重影響，國(guó)家開(kāi)始了對(duì)可再生能源開(kāi)發(fā)的重視，尤其是生物質(zhì)能的綜合開(kāi)發(fā)利用技術(shù)與設(shè)備的研究。棒狀、顆粒狀、方塊狀等的生物質(zhì)燃料開(kāi)始出現(xiàn)，并從常規(guī)的燃燒利用方式轉(zhuǎn)變?yōu)樯镔|(zhì)發(fā)電、取暖、機(jī)制木炭生產(chǎn)等方面應(yīng)用。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全國(guó)投入使用的生物質(zhì)成型機(jī)機(jī)組約為1 000臺(tái)套，年生產(chǎn)生物質(zhì)成型燃料20萬(wàn)t左右，僅相當(dāng)于瑞典生物質(zhì)成型燃料的10%。

綜上所述，雖然我國(guó)生物質(zhì)成型技術(shù)與設(shè)備已取得了一定的發(fā)展，但還存在著成型電耗大、磨損嚴(yán)重、工藝不完善、設(shè)備不配套等缺點(diǎn)。在規(guī)?；褪袌?chǎng)化方面較差，推廣應(yīng)用速度緩慢等現(xiàn)象。

3 生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與裝備發(fā)展趨勢(shì)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)間的問(wèn)題突出，人們愈加感覺(jué)到石化能源在枯竭的同時(shí)對(duì)環(huán)境造成的污染也日益加劇，在對(duì)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的追求中，世界開(kāi)始將目光聚焦到了可再生能源與材料，“生物質(zhì)經(jīng)濟(jì)”已經(jīng)浮出水面。由于生物質(zhì)本身具有的清潔、無(wú)污染、可再生等特性，是替代能源的首選之一。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(guó)政府和科學(xué)家的關(guān)注。因此，以降低生產(chǎn)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)域最大的難題。降低顆粒燃料的噸料能耗、降低設(shè)備的使用成本，也成為目前所追求的最大目標(biāo)。

在生物質(zhì)燃料成型技術(shù)與裝備研究方面，國(guó)內(nèi)外發(fā)展總的趨勢(shì)是生產(chǎn)裝備系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，成型燃料商品化和市場(chǎng)化；國(guó)內(nèi)主要在生產(chǎn)裝備可靠性、耐磨性等方面上取得突破，并降低成型燃料生產(chǎn)能耗與設(shè)備生產(chǎn)成本。

3.1 生物質(zhì)成型燃料加工技術(shù)與裝備應(yīng)向系列化與標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展

當(dāng)前，生物質(zhì)成型技術(shù)與裝備已取得了一定的發(fā)展，并在成型技術(shù)與裝備方面出現(xiàn)了百花齊放的現(xiàn)象。因此，需要對(duì)不同成型方式的成型機(jī)進(jìn)行重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域的示范，得到不同成型方式下的最優(yōu)成型工藝技術(shù)與裝備。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同成型技術(shù)與裝備的系列化開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并通過(guò)制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范成型裝備，在有條件的地方規(guī)范成型工藝，使其成型燃料達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范化，便于我國(guó)生物質(zhì)成型燃料市場(chǎng)的有序化競(jìng)爭(zhēng)，最終實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)成型技術(shù)與裝備的系列化與標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展。

3.2 生物質(zhì)成型燃料應(yīng)向商品化與市場(chǎng)化發(fā)展

隨著生物質(zhì)燃料利用領(lǐng)域的不斷延伸，生物質(zhì)成型燃料應(yīng)盡快實(shí)現(xiàn)其具有的商品屬性，通過(guò)市場(chǎng)化的運(yùn)作方式達(dá)到生物質(zhì)能的高效轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、減少溫室氣體排放、保護(hù)環(huán)境等功能。開(kāi)發(fā)利用生物質(zhì)能，特別是把它們轉(zhuǎn)化為高品位的能源，因地制宜，多能互補(bǔ)，對(duì)我國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義，為推動(dòng)我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源化利用、商品化生產(chǎn)提供技術(shù)和裝備支撐。

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