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蘇俊林1，趙曉文1，王巍2
(1.吉林大學熱能工程系，吉林 長春 130025；2.吉林大學汽運系，吉林 長春 130025)
摘要：本文討論了發展生物質成型燃料的意義，詳細介紹了國內外生物質成型燃料的發展歷程及現狀，介紹了一些目前采用的新技術和存在的問題。最后對生物質成型燃料的未來進行了展望，指出生物質成型燃料在節能及環保方面將大有作為。
1發展生物質成型燃料的意義
長期以來，石油、天然氣、煤炭等化石燃料一直是人類消耗的主要能源，并為人類經濟的繁榮、社會的進步和生活水平的提高做出了很大的貢獻。但是，由于煤、石油和天然氣等礦物資源是不可再生的，資源是有限的，正面臨著逐漸枯竭的危險，因此它們不是人類所能長久依賴的理想資源。再者目前地球所面臨的環境危機直接或間接的與礦物燃料的加工和使用有關，這些礦物燃料燃燒后放出大量的CO2、SO2、NOx被認為是形成大氣環境污染、產生酸雨以及溫室氣體等地區性環境問題的根源。
我國是一個農業大國，生物質能資源十分豐富，僅農作物秸稈折合7億t左右，而目前年實際使用量僅為212億t左右。因此，我國的生物質資源的利用還有很大的開發潛力。生物質能在我國商業用能結構所占的比例極小。植物約有一半棄于荒野未能利用甚至焚燒，不但利用水平低，造成資源的嚴重浪費，且污染環境。所以充分合理開發使用生物質能，改善我國的能源利用環境和人類的生態環境，加大生物質能源的高品位利用具有重要的意義。生物質燃料可分為氣化燃料、液化燃料及固化燃料。目前，在技術經濟上最為可行的生物質能利用技術就是固化———即生物質能致密成型燃料技術。
生物質成型燃料的優點：
1.1清潔燃燒
(1)飛灰極少。生物質灰分一般少于3%(稻殼等除外)，從而簡化了燃燒裝置的除灰設備。
(2)生物質成型燃料最主要燃燒成分是揮發分，一般含量在70%～80%以上，煙塵產生很少，不冒黑煙。
(3)生物質的燃燒通常不會影響自然界碳的自然循環，即使不燃燒利用、不燒荒，生物質也會在自然消化過程中放出CO2。因此，生物質能的排碳量不會超出其生長期間所吸收的碳量，從而實現CO2的零排放。
(4)生物質本身N含量比煤少得多，這對于減少NOx的生成非常有利。
(5)燃燒中SOx排放量較少。生物質含硫量一般少于011%，不需要煙氣脫硫裝置，從而降低了成本，又有利環境保護。
(6)降低重金屬污染物的排放。研究表明，煤中含有多種微量元素，如：As、Hg、V、Pb、Zn、Se、Co、Ni、Cr等，其中許多是有毒、有害的重金屬元素。而生物質中基本不含重金屬。
1.2優良的經濟性
(1)我國生物質資源豐富，價格低廉，用生物質作燃料，降低了原材料的成本。
(2)燃燒充分，燃盡度高，因不完全燃燒造成的浪費降低。
(3)利用生物質纖維的網絡連結作用，可以顯著提高生物質成型燃料的強度，從而省去粘結劑的使用；也沒有后續烘干工序，因此能大大降低加工成本。
1.3著火燃燒性能好
玉米秸稈等燃點較低的生物質，揮發分遠高于原煤，著火性比煤好，易于點火，即使量少、燃燒強度弱，也不會造成滅火，提高了著火性能。
1.4配套工藝設備較齊全
生物質致密成型技術受到國外發達國家的普遍重視，并投入了大量的資金和技術力量研究和開發致密成型技術。目前世界各地的成型燃料主要有兩種：壓塊(Briquette)和顆粒(Pellet)成型機。根據成型原理的不同成型機可分為：活塞成型機(Piston press)、螺旋式成型機(Extruder press)、模壓顆粒成型機(Matrix pellet press)和卷扭式成型機(Twist press)。
2生物質成型燃料的發展概況
2.1國外生物質成型燃料及燃燒設備發展現狀
隨著社會經濟的發展與人們生活水平的提高，木材下腳料、植物秸稈的剩余量越來越大，由于這些廢棄物都是密度小、體積膨松，大量堆積，銷毀處理不但需要一定的人力、物力，且污染環境，因此世界各國都在探索解決這一問題的有效途徑。
美國在20世紀30年代就開始研究壓縮成型燃料技術及燃燒技術，并研制了螺旋壓縮機及相應的燃燒設備，現有9個生產能力250t/d的生產廠，另有6個州興建了日產量為300t的樹皮成型燃料加工廠及較多的專業燃燒設備廠。日本在20世紀30年代開始研究機械活塞式成型技術處理木材廢棄物，1954年研制成棒狀燃料成型機及相關的燃燒設備，1983年前后從美國引進顆粒成型燃料成型技術及相應燃燒設備，并發展成了日本壓縮成型及燃燒的工業體系。到1987年有十幾個顆粒成型工廠投入運行，年產生物顆粒燃料十幾萬噸，并相繼建立了一批專業燃燒設備廠，70年代后期，由于出現世界能源危機，石油價格上漲，西歐許多國家如芬蘭、比利時、法國、德國、意大利等國家也開始重視壓縮成型技術及燃燒技術的研究，各國先后有了各類成型機及配套的燃燒設備。法國近年來也開始研究壓縮塊燃料及燃燒設備，并達到了應用階段。比利時研制成功的“T117”螺旋壓塊機。聯邦德國KAHL系列壓粒機及塊狀燃料爐已經投入使用。意大利的阿基普公司開發出一種類似與玉米聯合收割機那樣的大型秸稈收獲、致密成型的大型機械，能夠在田間將秸稈收割、切碎、榨汁、烘干、成型，生產出瓦棱狀固體成型燃料，并研制出簡易型燃燒爐具。
20世紀80年代，亞洲除日本外，泰國、印度、菲律賓、韓國、馬來西亞已建了不少固化、碳化專業生產廠，并已研制出相關的燃燒設備。國外成型的主要設備有顆粒成型機(Pellet press)，螺旋式成型機(Extruder press)、機械驅動沖壓成型機(Piston presses with mechanical drive)和液壓驅動沖壓式成型機(Pis-ton presses with hydraulic drive)。
20世紀90年代日本、美國及歐洲一些國家生物質成型燃料燃燒設備已經定型，并形成了產業化，在加熱、供暖、干燥、發電等領域已普遍推廣應用。按其規范可分為：小型爐、大型鍋爐和熱電聯產鍋爐(Small scale，Large boilers，Combined heat and power boilers)。按用途與燃料品種可分為：木材爐、壁爐、顆粒燃料爐、薪柴鍋爐、木片鍋爐、顆粒燃料鍋爐、秸稈鍋爐、其它燃料鍋爐(Wood stoves，Fireplaces，Pellet stoves，Boilers for wood chips、Boilers for pellets and grain、Boilers for straw Boilers for other fuels)。按燃燒形式可分為：片燒爐、捆燒爐、顆粒層燃爐等(Chip-fired boilers or cutting string-fired boilers，Batch-fired boilers or small bale-fired boilers，Pellet-fired boilersetc)。
這些國家生物質成型燃料燃燒設備具有加工工藝合理、專業化程度高、操作自動化程度好、熱效率高、排煙污染小等優點。但相對與我國存在著價格高、使用燃料品種單一、易結渣、電耗高等缺點，不適合引進我國。東南亞一些國家生物質成型燃料燃燒設備大多數為碳化爐與焦碳燃燒爐，直接燃用生物質成型燃料的設備較少，同時這些燃燒設備存在著加工工藝差、專業化程度低、熱效率低、排煙污染嚴重、勞動強度大等缺點，燃燒設備還未定型，還需進一步的研究、實驗與開發。這些國家生物質成型燃料燃燒設備也不適合引進我國。隨著全球性大氣污染的進一步加劇，減少CO2等有害氣體凈排放量已成為世界各國解決能源與環境問題的焦點。由于生物質成型燃料燃燒CO2的凈排放量基本為O，NOx排放量僅為燃煤的1/5，SO2的排放量僅為燃煤的1/10，因此生物質成型燃料直接燃用是世界范圍內解決生物質高效、潔凈化利用的一個有效途徑。
2.2我國生物質成型燃料及燃燒設備發展現狀
我國成型燃料開發研究工作起步較晚，從20世紀80年代，由于能源危機，生物壓塊作為一種可再生能源得到人們的重視，便開始對生物質固化成型燃料進行研究。“七五”期間，中國林業科學院林產化工所通過對引進的樣機消化吸收，系統地進行了成型工藝條件實驗，完成了木質成型設備的試制，并建成了年產1000t棒狀燃料生產線。其后西北農業大學對該技術的工藝做了進一步的研究和探討。先后研制出了X-715，JX-11，SZJ-80A三種型號的秸稈燃料成型機。“八五”期間，作為國家重點攻關項目，中國農機院能源動力研究所，遼寧省能源研究所、中國林業科學院林產化工所、中國農業工程研究設計院，對生物質沖壓擠壓式壓塊技術裝置進行了攻關，推進了我國對固化成型研究工作。隨著生物質致密技術和碳化技術的研究成果出現，我國生物質致密成型產業也有一定的發展。20世紀90年代以來，我國部分省市能源部門、鄉鎮企業及個體生產者積極引進成型技術，創辦生產企業，全國先后40多個中小型企業開展了這方面的工作，并進行了產業化生產，形成了固化成型的良好勢頭。我國發展的壓縮成型機可分為2種：螺旋擠壓式成型(Extruder)和液壓沖壓式成型機(Piston presses with hydraulic drive)，國內螺旋擠壓成型機在運行的曾有800多臺，單臺生產能力多在100～200kg/h之間，電機功率715～18kW，電加熱功率2～4kW，生產的成型燃料多為棒狀，直徑為50～70mm，單位產品電耗70～100kWh/t。但目前有部分產品由于多方面因素影響而停產了。由此可看出國產成型加工設備在引進及設計制造過程中都不同程度地存在這樣或那樣的技術與工藝方面的問題。螺旋擠壓設備磨損嚴重，壽命短(60～80h)，耗電高，成型設備單臺生產率低，僅為100～980kg/h，規模小，不能滿足商業化的要求。對秸稈壓縮成型基礎理論方面的研究很薄弱，無法滿足生物質壓縮成型設備開發與生產的需要。對秸稈成型燃料燃燒理論及燃燒特性方面的研究不夠深入，先進的秸稈成型燃料專用燃燒設備少，限制了秸稈成型燃料的大量生產，嚴重制約了秸稈成型行業的發展。這就有待于人們去深入研究、開發，逐漸解決秸稈在成型方面的問題。
我國秸稈成型原料豐富，成型后的燃料具有體積小，密度大，儲運方便，成型燃料致密，無碎屑飛揚，使用方便、衛生，燃燒持續穩定，燃燒效率高的特點。燃燒后，灰渣及煙氣中污染物含量小，是清潔能源，有利于環境保護，因此生物質成型燃料是高效潔凈能源，可替代礦物能源用于生產與生活領域。成型燃料的競爭力也會隨著礦物能源價格上漲，對環境污染程度增加及生物質成型燃料技術水平提高、規模增大、成本降低而不斷增強。在我國未來的能源消耗中將占有越來越大的比重，應用領域及范圍也逐步擴大。
對生物質成型燃料燃燒的理論研究和技術研究是推動生物質成型燃料推廣應用的一個重要因素。目前我國對秸稈成型燃料燃燒所進行的理論研究很少，對生物質成型燃燒的點火理論、燃燒機理、動力學特性、空氣動力場、結渣特性及確定燃燒設備主要設計參數的研究才剛剛開始。關于生物質成型燃料特別是秸稈成型燃料燃燒設備設計與開發幾乎是個空白。20世紀以來北京萬發爐業中心從歐洲(荷蘭、比利時)引進、吸收、消化生物質顆粒微型爐(壁爐、水暖爐、炊事爐具)。這些爐具適應燃料范圍窄，只適用木材制成的顆粒成型燃料，而不適合于以秸稈、野草為原料的成型燃料，原因是秸稈、野草中含有較多的K、Ca、Fe、Si、Al等成分，極易形成結渣而影響燃燒。這些爐具不適合中國國情。在我國，一些單位為燃用生物質成型燃料，在未弄清生物質成型燃料燃燒理論及設計參數的情況下，盲目把原有的燃燒設備改為生物質成型燃料燃燒設備，但改造后的燃燒設備仍存在著空氣流動場分布、爐膛溫度場分布、濃度場分布、過量空氣系數大小、受熱面布置等不合理現象，嚴重影響了生物質成型燃料燃燒正常速度與工作狀況。致使改造后的燃燒設備存在著熱效率低，排煙中的污染物含量高，易結渣等問題。
為了使生物質成型燃料能穩定、充分燃燒，根據生物質成型燃料燃燒理論、規律及主要設計參數重新設計與研究生物質成型燃料專用燃燒設備是非常重要的，也是非常緊迫的。
2006年至今，吉林大學承擔了吉林省重大科技發展計劃有關生物質成型燃料及鍋爐的研究項目。對生物質成型燃料的理化特性、燃燒特性、排放特性及成型規律等基礎性研究做了大量工作，研究成果具有一定的創新性和實用性。吉林大學研制出氣化燃燒換熱一體化生物質鍋爐，經吉林省能源利用檢測中心熱工檢測和吉林省環保產品質量檢驗站環保測試的結果表明，樣機各項指標已超過國內其它類型生物質鍋爐的指標。
3發展生物質成型燃料的前景
中國是當今世界燃煤工業鍋爐生產和使用最多的國家。工業鍋爐總量已超過50萬臺120萬蒸噸，每年燃用全國原煤產量的1/3。燃煤使工業鍋爐的熱效率降低，而且造成對環境的嚴重污染。據統計：我國每年排入大氣的污染物中，80%的CO2、79%的塵埃、87%的SO2、69%的NOx來源于煤的直接燃燒。針對這種狀況，為了提高鍋爐熱效率和減少污染排放，在改進工業鍋爐及配套產品結構的同時，應同時改變工業鍋爐長期燃用原煤的狀況，而發展和推廣潔凈生物質成型燃料是經濟而有效的途徑。
國家大力支持發展生物質能源，2005年頒布了《中華人民共和國可再生能源法》，2007年農業部發布了《農業生物質能產業發展規劃》。《中共中央國務院關于積極發展現代農業扎實推進社會主義新農村建設的若干意見》提出，“以生物能源、生物基產品和生物質原料為主要內容的生物質產業，是拓展農業功能、促進資源利用的朝陽產業”。生物質成型燃料技術是生物質能源推廣應用中的最經濟可行的技術之一，符合國家的能源政策和環保政策，前景十分廣闊。
總的來說，我國在生物質成型燃料研究與國外相比還存在著一定的差距，需要對我國生物質成型燃料的燃燒特性和燃燒技術等方面做大量的基礎性工作，也需要繼續不斷的努力推廣成型燃料制造設備及燃燒裝置。 |
