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林吳薇，高永偉
(合肥工業大學，安徽 合肥 230009)
摘要：生物質成型燃燒成本較低，且經過致密成型后的生物質燃料密度和強度都得到提高，便于運輸和燃燒。生物質致密成型技術按加熱溫度可以分為加熱成型和常溫高壓成型兩種。應用較多的成型燃料加工機有活塞沖壓式、輥模擠壓式、螺旋擠壓式3種形式。很多發達國家早在20世紀初就已開始研究生物質成型技術，這些國家的成型設備專業化程度高，自動化程度好，熱效率高，污染小，有合理的加工工藝。但由于設備價格高、耗電高、易結渣、原料產品單一，并不適合我國。我國在生物質成型方面的研究起步較晚，目前主要的生物質成型技術包括螺旋擠壓技術、活塞沖壓技術和輥模擠壓成型技術，但與西方發達國家相比仍有較大差距。為了進一步促進我國生物質成型燃料的發展，建議國家應不斷完善對生物質成型燃料研究及生產的扶持政策；生物質成型燃料裝備不僅要考慮到節能，還應該與指定的原料基地相結合；加強生物質成型機理的研究，減少設備易損件的數量，降低能耗；開發研制以生物質成型物為原料的發電、供電一體化集成設備；在設備實用性、系列化上下功夫，不斷降低成本，提高技術水平。
1前言
生物質能是一種可再生能源，它作為化石能源的補充能源，越來越受到人們的關注。目前，生物質能利用有3種方法：第一種是燃燒，可以將生物質直接燃燒或者是將生物質成型后再燃燒；第二種是生物化學轉化，將生物質水解或酸解，然后通過微生物發酵制取氣體燃料或液體燃料；第三種是熱化學轉化，其最終產物是木炭、生物油和可燃氣體。相比較而言，生物質成型燃燒成本較低，且經過致密成型后的生物質燃料密度和強度都得到提高，便于運輸和燃燒，是可選擇的利用方法之一。
2生物質致密成型技術
生物質致密成型技術是指將分散的、沒有固定形狀的生物質原料經機械加壓的方法制成密度較高的、具有具體形狀的固體燃料的過程。按加熱溫度可以分為加熱成型和常溫高壓成型兩種[1]。
2.1加熱成型
生物質加熱成型燃料是將干燥和粉碎后的松散生物質原料在壓縮成型設備內經過加壓和加溫，得到具有一定形狀和規格的成型燃料。其工藝流程為：原料→預處理(粉碎)→干燥→加熱、成型→冷卻包裝。
2.2常溫成型
常溫成型技術的工藝流程為：原料→預處理(削片或粉碎)→成型→包裝。相對于加熱成型減少了烘干、加熱、降溫等工序，更節約能源，所以是主要發展方向。
而根據生物質成型燃料制造工藝又可分為濕壓成型、熱壓成型和炭化成型3種形式。按照成型過程中加壓方法的不同來區分，應用較多的成型燃料加工機有活塞沖壓式(包括機械式、液壓式)、輥模擠壓式(包括環模式和平模式)、螺旋擠壓式3種形式，其中活塞沖壓式和螺旋擠壓式采用的是熱壓成型工藝，輥模擠壓式采用的是濕壓成型工藝。
3國內外生物質致密成型技術研究進展
3.1國外研究進展
早在20世紀初，很多發達國家就已開始研究生物質成型技術。例如20世紀30年代，美國成功研制了螺旋式擠壓成型機，能把木屑在溫度110～350℃、壓力10MPa的條件下壓縮成固體成型燃料。而后日本又成功引進該項技術并對此進行了改進，使之更趨于實用化，形成了日本壓縮固體成型燃料的工業體系。發展到1984年，日本的生物質成型燃料廠家已達到172家，生產總量達到26×104t。這時泰國、印度和菲律賓也研制成功了加粘接劑的生物質致密成型機。
在歐洲，由于20世紀70年代的能源危機，一些國家(如瑞典、德國、意大利、芬蘭、法國等)開始重視生物質成型技術的研究。在這些國家中，瑞典是使用生物質成型技術最好的國家之一，生物質固體成型燃料的年生產量達到200×104t，截至2006年，生物質占總能耗的25%，熱效率也達到80%～95%；法國則在近年來促使由多種林業廢棄物生產的壓縮成型燃料進入實用階段；德國現在已經擁有100多家顆粒成型燃料廠，主要以木屑、木片等生物質為原料。這些國家的生物質燃料主要都用于熱電聯產、社區供暖和家庭采暖等，熱效率都達到了80%～95%。所用的主要成型設備有顆粒成型機(Pellet press)、螺旋式成型機(Extruder press)、機械驅動沖壓式成型機(Piston presses with mechanical drive)和液壓驅動沖壓式成型機(Piston presses with hydraulicdrive)。按其規格可分為小型爐、大型鍋爐和熱電聯產鍋爐；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、其他燃料鍋爐；按燃燒形式可分為片燒爐、捆燒爐、顆粒層燃爐等。
這些歐美國家的成型設備專業化程度高，自動化程度好，熱效率高，污染小，有合理的加工工藝。但是并不適合我國引進，主要原因是相對于我國成型設備價格高、耗電高、易結渣、原料產品單一。而對于東南亞國家的成型設備，其勞動強度大、專業化程度低、污染嚴重、熱效率較低，所以也不適合我國引進。
總之，國外的成型技術有如下幾個特點：
?、偕镔|成型技術都已發展相當成熟，大部分已達到了規?；a的程度；
?、诔尚腿剂系挠猛疽捕嫁D變為生產應用；
?、墼O備規范，但是價格高，能耗也高。
3.2國內研究進展
與西方發達國家相比，我國在生物質成型方面的研究起步較晚，直到20世紀80年代，我國才開始致力于生物質致密成型技術的研究。我國引進了相當一批國外先進機型，并經過適當的改造以適應中國國情。到目前為止，我國的幾種主要生物質成型技術如下。
3.2.1螺旋擠壓技術
螺旋擠壓技術是目前生產生物質固體燃料最常用的技術，它主要由擠出螺旋、擠出套筒、加熱圈等組成，如圖1所示。被粉碎的生物質原料在擠出螺旋的作用下被推入擠出套筒，而生物質原料中的木質素則在加熱圈的作用下加熱到軟化狀態，生物質原料在加熱和擠壓的雙重作用下而成型。成型后的成品為棒狀，棒狀燃料被源源不斷地送出，可根據需要截斷[2]。
螺旋擠壓成型技術有很多優點，比如成品密度高，成型棒料的密度都在1100～1400kg/m3；生產連續性好；成品質量好，熱值高，適合于加工成炭化材料。然而其缺點也是較為明顯的，比如產量低、能耗高、螺旋桿易磨損等，原料要求苛刻。螺旋擠壓成型機成型溫度一般在220~280℃，為了避免成型過程中原料水分快速汽化造成型塊開裂，一般將原料的含水率控制在8%～12%，所以要對物料進行干燥處理，從而增加了成本。這一點也限制了螺旋擠壓成型技術的發展。
3.2.2活塞沖壓技術
活塞沖壓式成型機主要由加熱圈、活塞和成型喉管組成，其活塞可由機械或液壓驅動，如圖2所示。被粉碎的生物質原料中的木質素由在驅動力作用下往復運動的活塞推入加熱圈內，在加熱圈的作用下軟化，并在喉管處擠壓成型，之后壓力釋放形成棒狀排出。
活塞沖壓技術的優點是成型密度大，允許物料的含水率較高。但其缺點是活塞做往復運動導致生產率不高且產品質量不穩定，不適合炭化，活塞容易磨損，維修頻率高。
3.2.3輥模擠壓成型技術
輥模擠壓成型技術按其壓模形狀的不同可分為平模擠壓成型機和環模擠壓成型機，其特點是不需要外加熱，僅依靠物料成型時所產生的摩擦熱即可將木質素軟化。優點是對物料的適應性強，對含水率的要求較寬，一般10%~40%均可成型[3]。
?、倨侥D壓成型機。我國的平模擠壓成型技術依然與國外有較大差距，以前國內能生產的最大平模直徑只有0.4m。而在2000年，農業部的“948”項目引進了國際著名的德國卡爾公司的38-780型大型平模式制粒機，并結合我國國情進行了許多改進和創新，2003年該項目已經通過驗收。大型平模式制粒機具有很多優點，例如原料適應性廣、產量大、噸料耗電低、輥模壽命長、成型密度可調等。
?、诃h模擠壓成型機。早在1994~1998年，江蘇正昌集團公司聯合中國林科院林產化學工業研究所便承擔了“林業剩余物制造顆粒成型燃料技術研究”項目，該項目成功研制了以木屑和刨花粉為主要原料的顆粒燃料成型機，其產品質量達到了日本“全國燃料協會”公布的顆粒成型燃料標準的特級或一級。但是也暴露出了許多缺點，如生產成本高、壽命短等。但是它為我國環模擠壓成型機的發展奠定了基礎。
4對我國發展生物質成型燃料的建議
生物質能源是可再生能源，在化石燃料日益枯竭的今天，其在能源結構中的地位顯得尤為重要。許多國家已經制定了相應的計劃，如日本的“陽光計劃”、美國的“能源農場”、印度的“國家戰略行動”等，所有這些，都預示著國際上各個國家對生物質成型燃料技術的競爭將進入一個白熱化階段。由于我國在生物質成型技術領域起步較晚，現在仍處于起步階段，因此與西方發達國家仍有較大差距。筆者針對如何促進我國生物質成型燃料的發展提出以下建議：
?、賴覒粩嗤晟茖ι镔|成型燃料研究及生產的扶持政策。一些歐洲國家(如瑞典、芬蘭等)對生物質成型燃料都有特殊的補貼和免稅政策。相信隨著國際上對二氧化碳減排的呼聲越來越高以及化石能源的日益枯竭，國家對生物質成型燃料的特殊政策也會逐步出臺。
?、谏镔|成型燃料裝備的發展應該與原料的來源相結合。生物質成型燃料的成本很大一部分取決于原料的成本，而原料的價格在很大程度上又取決于其運輸過程。所以，生物質成型燃料制取裝備不僅應考慮到節能等，而且應該與指定的原料基地相結合。
③加強生物質成型機理的研究，減少設備易損件的數量，降低能耗。目前市場上的成型機大多是加熱成型的，其主要缺點就是能耗高，易損件多。應該加強對生物質成型機理的研究工作，改進或改變成型方式。
④結合我國國情，開發研制以生物質成型物為原料的發電、供電一體化集成設備，充分利用各個地方的生物質原料，減少原料運輸距離，解決人民生活的相關問題。
?、菽壳吧镔|成型燃料領域最主要的發展方向是降低儲運成本和壓縮成型成本，尋求技術上的創新和突破。應該在設備實用性、系列化上下功夫，不斷降低成本，提高技術水平。
參考文獻：
[1]俞國勝，侯孟.生物質成型燃料加工裝備發展現狀及趨勢[J].林業機械與木工設備，2009，37(2)：4-8.
[2]劉國華.生物質成型燃料技術及應用前景[J].應用能源技術，2011(1)：44-47.
[3]崔淑華，胡亞楠.發動機燃用乙醇汽油的燃燒數值模擬分析[J].森林工程，2007，23(2)：28-30. |
