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付婭琦，睢利銘，楊北方，張忠河，李保謙
（河南農業大學，河南鄭州450002）
摘要：生物質固體成型燃料技術是生物質能開發利用的一項重要技術，具有廣闊的發展前景。在介紹生物質成型燃料技術研究發展現狀及比較分析國內外幾種成型燃料生產技術的基礎上，討論并總結了生物質固體成型燃料的關鍵技術，分析了該項技術在我國推廣應用的可行性。
0引言
目前由于化石燃料的大量燃燒利用，大氣中排放的二氧化碳逐年增加，導致地球的溫室效應日益加重。因此防止全球變暖、環境惡化、物種減少勢在必行。開發利用可再生的生物質原料已經成為減少對化石燃料依賴的一個重要途徑。生物質固體成型燃料技術是生物質能開發利用技術的主要發展方向之一，它不僅可以為家庭提供炊事、取暖用能，也可以作為工業鍋爐和電廠的燃料，可替代煤、天然氣、燃料油等化石能源，解決相應的環境和資源問題，發展前景十分廣闊。
1生物質成型燃料技術的發展及研究現狀
生物質固體成型燃料技術的研究始于20世紀30年代，日本、美國開始研究應用機械驅動活塞式成型技術和螺旋式成型技術；20世紀70年代，歐洲一些國家如意大利、丹麥、法國、德國、瑞士等國家也開始重視生物質固體成型燃料技術的研究，并研制生產出機械沖壓式成型機、顆粒成型機等，并相繼建成了生物質顆粒成型生產廠家30個，機械驅動活塞式成型燃料生產廠家40多個[1]；20世紀80年代，泰國、印度、菲律賓等亞洲國家也研制出了加粘結劑的生物質壓縮成型機，并建立了生物質固化、炭化專業生產廠。歷經80年的發展，現今這項技術已逐步成熟，已進入大范圍規模化、產業化應用階段。
國內生物質固體成型燃料技術的研究開發已有近30年的歷史。從20世紀80年代開始引進螺旋式生物質成型機，國內部分大專院校和研究院所經過引進、消化吸收、改進、自行設計，先后研制出了螺旋棒狀、機械活塞和液壓活塞式棒狀及平模、環模顆粒和塊狀等多種生物質成型機、炭化機組及配套的生物質燃燒爐。這些設備雖然在推廣應用過程中還存在著一些問題，但主要性能指標已基本達到了相應的技術標準，并形成了一定的生產規模。
到目前為止，世界各個國家的研究重點還是集中在生物質成型燃料的制造技術和相應的爐具開發上[2]。而我國目前的研究重點是如何解決生物質固體成型燃料的關鍵技術和工藝，以探求怎樣進行規模化應用。
2生物質固體成型燃料的關鍵技術
從我國生物質固體成型燃料技術的發展歷史來看，這項技術經過近30年的發展已經取得了長足的進步。雖然有些關鍵問題還制約著這項技術的發展，但是經過近幾年我們共同的努力，生物質固體成型燃料關鍵技術與配套設備已基本解決，正穩步向前邁進。
2.1原料收集是制約成型燃料技術發展的技術瓶頸
中國生物質資源具有分散性特征，而不是集中產生的格局，所以我們要充分考慮原料收集的難度。并且我國土地管理制度是家庭承包形式，收集主要以人力為主，與國外的機械化集中生產相比存在較大的差距，從而導致原料收集困難。沒有充足的生物質原料，生物質成型燃料技術就不能快速發展。
目前，我國以秸稈原料為代表的生物質資源的收集主要有三種方式。一種是農民分散送廠，雖然這種方式一次性投資較少，但是運輸成本高，供料不穩定；另一種是在農村建立原料收購點，雖然這種方式運輸成本降下來了，供料也相對穩定，但是一次性投資較高；第三種是加工企業直接收集，這種方式運輸成本低，供料穩定性最好，但是一次性投資也是最高的，并且干燥成本以及對交通條件的要求都比較高。
以上三種收集原料的方式雖然可以適用不同規模的生物質原料加工廠，但是在實際操作過程中，就要考慮投資資金、利潤收益、當地民情、政策扶持、技術工藝管理等多方面的因素，并且實際運行過程中并不如理論分析的那么理想，存在著多種多樣的問題。因此，生物質原料的收集是制約成型燃料技術發展的瓶頸。
2.2生物質原料自身的多樣性及復雜性
生物質原料的種類繁多，其木質素、纖維素、半纖維素、果膠質等成分含量有較大差別，受力變形情況也不一樣；生物質原料力傳導性很差，反彈性很強，被壓縮成型的條件也有很大差異；生物質原料堆積密度只有0.1～0.15g／cm3，要將其壓縮成密度為1.0～1.3g／cm3，如何提高原料喂入量是一很大的難題；生物質原料的含水量隨季節、氣候、地域及秸稈種類不同差異很大，而成型工藝對水分的要求又較嚴格，所以水分問題成為制約熱壓成型的又一難題。
2.3成型燃料設備工作環境的惡劣性
生物質原料在收集過程中不可避免地會攜帶許多粉塵、泥土和砂粒，這些物質的存在一方面會加劇成型部件的磨損，另一方面還會對成型設備的潤滑系統造成污染，從而影響設備的使用壽命和穩定運行。
此外，技術比較成熟的螺桿擠壓成型機在工作條件下，由于螺桿一直處于高溫高壓環境中，其磨損壽命不足100h[3]，雖然也做了相應的研究和改進，一定程度上提高了成型部件在高溫高壓環境下的耐磨性，壽命已達500h[4]，但生產工藝復雜，成本較高。目前，國內外還沒有從根本上解決這一問題。
由此可見，成型燃料設備工作環境是相當惡劣的，所以要采取相應的技術措施去克服，使設備能夠長時間地穩定運行。并且，以農民為主的技術和設備使用人員，其自身技術水平和操作能力有限，所以我們還應考慮到設備需具有較強的適應性和易操控性。
2.4成型燃料燃燒過程中的沉積結渣與玷污傾向
生物質燃料中含有較多的鉀、鈣、鐵、硅、鋁等堿金屬元素，在高溫下極易沉積和結渣。并且，成型燃料燃燒后形成的灰粒密度非常小，加之灰中堿金屬氧化物含量高，所以易于形成沉積和結渣。
所謂沉積，是指生物質在燃燒過程中形成的受熱面結渣和灰分積聚現象[5]。所謂結渣，是指生物質燃料在爐排燃燒時，氧化層或還原層內局部溫度達到灰的軟化溫度，這時灰粒就會軟化，灰中的鈉、鈣、鉀以及少量硫酸鹽就會形成一個較大共熔體，較大共熔體下落到下面的水冷壁就會很快冷卻，形成團體大塊而結附在水冷壁上的現象[6]。結渣不僅會對燃燒設備的熱性能造成影響，而且危及燃燒設備安全性[7]。所以說沉積結渣這些問題解決不好，生物質固體成型燃料技術的推廣與發展就會受到很大的影響。
生物質燃料的玷污傾向是指燃料在燃燒過程中，燃料中高揮發物在高溫下揮發后，凝結于對流受熱面上，繼續粘結灰粒形成的高溫粘結灰沉積，它的內層往上是易熔的共熔物或金屬化合物包括灰料粘結在對流受熱面上[8，9]。由此可見，爐排上的結渣和對流受熱面上的玷污傾向二者之間難以分清，并且相互影響，很難處理。因此，生物質燃料燃燒過程中存在的沉積結渣和玷污傾向在一定程度上制約了生物質固體成型燃料技術的發展。
2.5成型燃料燃燒過程中低溫條件下焦油析出問題
焦油在高溫時呈氣態，與燃燒煙氣混合，隨煙囪排出爐外，而在低溫時（＜200℃）冷凝[10，11]，容易與水、焦炭粘結在一起形成焦油。農村生活用能時，間斷燃燒是其主要特點，要求燃料和爐具具有良好的封火性能。生物質原料作為農村用能的燃料時，由于封火后爐內溫度降低，高揮發含量的秸稈會有大量焦油析出，在短時間內使煙囪、爐口等部位堵塞。
就目前而言，焦油析出問題并沒有尋求到根本性的解決辦法，同樣也成為制約生物質固體成型燃料技術發展和推廣應用的障礙。
3國內外成型技術比較
3.1工藝流程
生物質成型燃料技術工藝流程見圖1所示。
3.2國外主要成型燃料生產技術
美國秸稈利用主要是打捆技術，用途不是作燃料，而是飼料或其他工業的原料。歐洲國家主要把生物質用作燃料和發電，替代油和煤，加工設備、鍋爐、熱風爐、發電設備等都已產業化、規模化。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，且已產業化，在加熱、供暖、干燥、發電等領域已普遍推廣應用[1]。目前國外生物質成型方式有4種，即環模和平模式、螺旋擠壓、機械活塞及液壓活塞式。
3.3國內主要成型燃料生產技術（見表1）
3.4生物質成型燃料技術標準
在標準制定方面，國外如歐洲已經制訂了比較詳細的標準，例如奧地利的國家標準ONORMM7135（壓塊和顆粒）、瑞典的國家標準SS187120（顆粒）和SS187121（壓塊）、德國的國家標準DIN51731（壓塊和顆粒）、意大利的國家標準CTI－R04／5（壓塊和顆粒）。歐盟也已制定了一個通用的生物質顆粒技術分類規范（CEN／TS14961）[12]。
我國制定生物質成型燃料技術標準比較晚，2008年11月由河南農業大學主持制訂了農業部《生物質固體成型燃料技術條件》和《生物質固體成型燃料加工設備技術條件》2個標準，已于2010年9月1日頒布實施。
4生物質固體成型燃料技術的可行性
據世界能源消費預測，化石能源將不斷枯竭，地下石油、天然氣及煤的儲量，按目前的利用速率只夠用60年左右[13]。而生物質成型燃料能夠代替化石燃料的燃燒，經過壓縮成型后的生物質成型燃料其燃燒性能得到極大改善，其成型燃料的熱值相當于普通中質煙煤。因此，在我國人口密度大，總能耗高的條件下，這項技術必將有著廣闊的發展前景。
4.1生物質資源可行性
中國生物質資源相當豐富。以農作物秸稈為代表的生物質資源量大充足，覆蓋面廣，價格低廉，可以再生，僅根據谷草比算得我國的農作物秸稈總量大約有7億t，約占全世界總量的20％～30％，而農作物秸稈用于燃料的占25％～30％，折合0.75億t標準煤。并且農藝專家已提出秸稈應適量還田，不能連年全部還田，飼料化處理量有限，多數地區都采取了禁燒秸稈措施，為成型燃料技術的發展提供了充足的原料。
4.2配套設備可行性
生物質成型燃料技術的配套設備已逐步完善。生物質秸稈從田間收集→干燥→粉碎→成型→燃燒所需設備必須配套，才能在農村、城鎮中推廣應用。其中，收集環節是瓶頸，解決得不好將制約成型燃料技術的發展。經過多年的研究，國內部分成型設備及其配套設備的發展已趨于成熟[14，15]，已研究出了以高耐磨陶瓷材料作為成型部件的成型機；采用雙室燃燒技術設計的小型生物質燃燒爐具（生活和取暖）和專用鍋爐已在農村應用，燃燒效果好，大大減少了生物質燃燒爐高溫結渣和低溫沉積問題。近年來，在河南、遼寧、安徽等地已將成型設備、配套燃燒爐具進行了示范推廣，取得了良好示范效果。
4.3環保效益可行性
該項技術進入生產應用領域后，越來越顯示了它在環保方面的優勢。我國城市燃煤污染嚴重，大中城市已取締2t以下燃煤鍋爐，急于尋求清潔的替代能源。如果改燃天然氣或電，成本較高，并且天然氣、石油短缺，若大量依賴進口，影響國家能源安全。這便給成型燃料技術的發展帶來了“機遇”[16，17]。生物質成型燃料燃燒后的灰塵及排放指標比煤低，可實現CO2、SO2降排，減少溫室效應，有效地保護生態環境。生物質成型燃料進入規模化生產后，不僅環保效益明顯，而且還可安排農民就業，增加收入，經濟和社會效益同樣顯著。
4.4經濟效益可行性
成型燃料完全可以代替煤用于鍋爐，其價格在中國中部價格基本與煤相當，在中國東部、南部地區大大低于煤。并且，隨著能源緊張以及環境問題的日益嚴重，煤等化石燃料的價格還會不斷攀升，這又為生物質成型燃料的應用創造了巨大的利潤空間。此外，國家已經逐步取締城鎮小型燃煤鍋爐，更為此項技術的應用推廣創造了一定的價格空間。
4.5技術領域可行性
生物質固體成型燃料技術歷經世界各國近80年的發展，在中國又經過近30年的改進和完善，技術日趨成熟。現今各種成型設備已經可以實行自動化或半自動化生產，不會產生有害體或污染物，從生產到運輸均具有較高的可靠性與安全性。并且隨著技術的不斷進步，成型設備的主要工作部件使用壽命也越來越長，設備生產及穩定性也越來越可靠。目前，液壓式成型機易損件的使用壽命已達1000h以上，改進后的塊狀環模成型機的模具壽命可達800h以上，粉碎與成型單位產品能耗也降至60kW·h／t以下。
4.6政策的可行性
2006年我國開始實施《可再生能源法》，它將可再生能源的推廣和使用納入了法制化、制度化軌道，為該項技術在推廣過程中鋪平了道路；2009年12月26日全國人大常務委員會通過了修改《可再生能源法》的決定，自2010年4月1日起施行，可見國家對可再生能源的重視；根據國家《可再生能源中長期發展規劃》，力爭到2010年，可再生能源消費量達到能源消費總量的10％，到2020年達到15％，生物質成型燃料的使用量也將由2010年的不足100萬t增加到5000萬t；現今，我國已經開始研究制定此項技術的標準體系，以此來規范生物質固體成型燃料市場，為產業發展創造良好的市場環境[18]。
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