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魏偉，張緒坤
（南昌航空大學機電設備研究所，江西南昌 330063）
摘要：由于生物質固體成型燃料具有能量密度和燃燒效率高、強度大、儲運和使用方便、對環境友好等優點，因此備受各國青睞。我國對生物質固化成型技術的研究已有20多年的歷史，但在原料固化成型過程當中仍有許多的問題有待解決，這嚴重制約著我國成型產業的快速發展。介紹了我國生物質成型燃料發展的長期目標，綜述了生物質成型技術在國內外的研究現狀，提出了生物質成型技術存在的主要問題，并簡要分析了生物質成型燃料的發展前景。
隨著全世界范圍內一次能源的快速消耗，現有的不可再生能源已逐漸面臨枯竭，面對這種情況人們迫切需要開發一種新的、可再生能源來減少對資源逐漸衰竭的依賴和緩解對壞境造成的影響。生物質能源是一種可再生、對壞境友好的清潔能源，也是可再生能源的主要組成部分，是最具有產業化和規模化前景的可再生能源，在各國的能源結構中占有重要的地位。其中，生物質固體燃料成型技術具有原料豐富、易于實現大規模生產、便于儲運的特點，其優勢已逐漸顯現。
生物質固化成型技術是將各類生物質原料經粉碎、干燥、高壓成型等環節使原來分散的、沒有一定形狀的原料壓縮成具有一定形狀、密度較大的成型燃料，其用途非常廣闊，可以用于鍋爐和煤氣發生爐，也可用于工業、家庭和農業園林暖房供暖，是一種極具競爭力的燃料。目前，生物質成型燃料主要以棒狀、塊狀、顆粒狀3種形式存在。
我國擁有非常豐富的生物質資源，但大多以散拋型低容重的能源形式存在，存在資源分散、能量密度低、儲運不方便等缺點，嚴重制約著我國生物質能源的大規模應用，因此生物質高新轉換技術的研究成為開發利用生物質能的重點，其中生物質成型技術是比較成熟的轉換技術之一。我國生物質成型技術的發展較晚，20世紀80年代才開始引進螺旋推進式秸稈成型機，研究生物質壓縮成型技術。經過多年的開發研究，我國生物質固體成型燃料技術已經取得了階段性成果，研發了螺旋擠壓式、活塞沖壓式、模輥碾壓式3種固體成型燃料生產設備，促進了生物質固體成型產業的發展。雖然我國在生物質成型技術方面取得了一定的成果，但是，在成型過程中仍然有許多的技術不成熟，這也是制約我國成型燃料產業快速發展的主要因素之一。
1我國生物質成型燃料發展的長期目標
生物質能源是我國重點發展的可再生能源之一，尤其是生物質成型燃料技術的發展。從“十二五”提出的生物質能源規劃中可以預見，在未來十五年內生物質成型燃料將會成為所有生物質能源中發展速度最快、規模最大的能源。表1是我國生物質能源長期的發展目標，從表1可以看出，我國在“十二五”可再生能源規劃中已經加大了對生物質能源的發展力度，特別是生物質成型燃料在最近幾年發展的速度已是前所未有。我國成型燃料的具體發展目標是：到2020年，使生物質成型燃料成為普遍使用的一種優質燃料。
2國內外成型技術的研究狀況
生物質能的研究與開發已經成為全球熱門課題之一，受到了世界各國政府與科研人員的廣泛關注。早在20世紀30年代，日本、西歐國家等就開始研究成型技術。20世紀70年代以來，隨著全球性石油危機的沖擊和環保意識的提高，世界各國越來越認識到開發和高效轉換生物質能的重要性，紛紛投入資金和技術力量研究和開發生物質成型技術及設備。美國20世紀末已在25個州興建了日產量250~300t的樹皮成型燃料加工廠，進行工廠化生產。歐洲的荷蘭、瑞典、比利時、芬蘭、丹麥等國在20世紀70年代已有了沖壓式成型機、顆粒成型機及配套的燃燒設備；亞洲的泰國、印度、韓國、菲律賓等國在20世紀80年代已建了不少生物質固化、碳化專業生產工廠，并研制出相關的燃燒設備。目前，發達國家對生物質成型技術的研究已相當成熟，生物質固體成型燃料已經商品化，而且相關技術已被許多國家引進和效仿。當前研究的熱點已轉變為熱解液化技術、生物質制氫技術、工程藻類法制生物柴油、纖維素制乙醇、二氧化碳轉換為能源等。
我國生物質壓縮成型技術始于20世紀80年代。1990年以來，機械螺桿式、柱塞式成型技術得到發展。20世紀90年代，河南農業大學成功研制了HPB系列液壓驅動式成型機，現已在國內形成了產業化。進入2000年以后，生物質固體成型技術得到明顯的的進展，成型設備的生產和應用已初步形成了一定的規模，且大部分為飼料設備生產廠轉型而來。近幾年，隨著我國經濟的快速發展以及我國政府對發展生物質能源的高度重視，我國生物質成型燃料技術已趨向成熟，而且部分已實現了商業化。
目前，國內一些知名的成型設備生產企業，在環模制粒機和平模制粒機的設計、制造方面已經積累了豐富的經驗，某些方面已達到世界先進水平，如濟寧市田農機械有限公司生產的MZLH-系列環模制粒機是在吸收國外先進生產技術并結合我國國情自主研發的新型生物質制粒設備；一些高校及科研單位正在積極開發適合我國國情的生物質成型設備，并已成功研制出了一些適合我國國情的成型設備，如2006年河南農業大學研制的HPB-Ⅳ型液壓驅動活塞式成型機和遼寧省能源研究所研制的BIO-37型制粒設備，其技術水準已到達國家先進水準。但是總體來看，我國的生物質成型裝備在設備的實用性、系列化、規模化上還很不足，距國際先進水平還有不小的差距。
3我國成型燃料發展過程中遇到的問題
3.1資源及原料收集、儲運問題
3.1.1資源問題我國的生物質能資源種類繁多，主要有農作物秸稈、木屑、畜禽糞便、能源作物(植物)、工業有機廢水、城市生活污水和垃圾等。而用于生物質成型燃料的原料大部分是農作物秸稈、農產品加工剩余物、林業生物質資源等，其中秸稈是固體成型燃料原料的主要來源。我國農作物秸稈數量大、種類多、分布廣，每年秸稈理論資源約為8.2億t，折合約4.1億t標準煤，扣除工業、秸稈還田、畜牧飼料、及農民生活散燒和農業生產所消耗的部分，只有很少的一部分可作為成型燃料的原料使用，造成了用于轉化成能源的秸稈資源遠低于秸稈產量的現象。我國秸稈資源不但利用單一，而且綜合利用及轉化效率也低，其主要的難點在于：對于秸稈綜合利用的認知不足，缺乏促進秸稈綜合利用的鼓勵政策，經濟實用的配套技術設備匱乏。由于從事能源戰略研究的學者們沒有對秸稈實際可用量做研究，資源的不穩定性往往使原料價格波動、成本上漲最終導致企業停產、工人下崗，嚴重影響我國成型燃料的快速發展。
3.1.2原料收集、儲運問題我國秸稈等生物質資源具有分布不集中的特點，全國每年7億多t的秸稈主要分布在1億hm2土地上，而非集中產生，因此對秸稈的收集要耗費很大的人力和財力，這對一些中小企業來說已經超過了其承受的范圍。我國農村地區實行土地承包責任制，秸稈收集運輸主要以人力為主，與國外的機械化集中生產相比，在效率上存在很大的差距。因此，原料收集是我國成型燃料推廣的第一個瓶頸。目前我國原料收集的主要方式有3種（表2）。
從表2可以看出，原料的收集半徑隨著投資規模和生產能力的增加而增大，而運輸費用隨著收集半徑的曾加而上升，收集的難易程度也隨著收集半徑的增加而曾大。收集費用的升高會使得總生產成本上升。在我國新疆地區，生物質成型過程中各個環節所需的成本包括收集成本100元/t、成型消耗的成本110元/t、運輸成本240元/t、其他成本180元/t，每噸總成本630元，當其價格高于煤時，成型燃料就失去了市場競爭優勢。據估計，在新疆地區，當成型燃料的銷售價格在800元/t以內時，與傳統的化石能源相比就具有市場競爭優勢。因此，企業不但要充分考慮到原料的收集難度，還要根據自身的情況確定最佳的收集半徑以獲得最好的收益水平。
3.2成型工藝及成型設備問題
生物質壓縮技術發展至今，已開發了多種成型工藝和成型設備。根據主要工藝特征的差別，可分為熱壓成型技術、冷壓成型技術和炭化成型技術。目前，熱壓成型技術是我國主要研究的成型技術，但熱壓成型技術對溫度、原料的含水量有較高的要求，分別必須控制在200℃、6%~12%之間。另外，熱壓成型技術能耗較高，成型塊熱值損耗較大，成型過程中分解出的揮發物容易對環境造成污染，危害人體健康。其工藝流程為：
冷壓成型技術一般需要很大的成型壓力，而且要加入粘結劑等額外工序。炭化成型技術是將生物質成型燃料經干燥后，置于炭化設備中，在缺氧的條件下悶燒，即可得到機制木炭的技術，由于炭化后的原料在擠壓成型后有維持既定形狀的能力較差，存儲、運輸和使用時容易開裂或破碎等缺陷，也不適合大力推廣應用。因此，我們要加快發展新的成型工藝來降低總生產成本的投資，避免對環境造成污染和損害人體健康，并保證成型燃料的質量。
目前，國內外最常見的壓縮成型設備主要包括螺旋擠壓式成型機、活塞沖壓式成型機和壓輥式顆粒成型機。模輥式成型設備具有生產效率高、對原料的含水率要求較低、成型過程不用添加粘結劑等優點，適合大規模生產，其中平模式制粒機是目前國內最先進的機型。生物質成型燃料不僅與成型工藝有關，而且與成型設備也有密切的關系，成型設備的穩定性、可靠性、適應性的好壞都直接影響著成型燃料的質量。我國用于生物質成型的設備普遍存在以下問題：一是成型部件磨損快，使用壽命短，維修費用高；二是可靠性、穩定性以及與原料的匹配性差；三是能耗高。
3.3技術后續乏力，產業體系薄弱
經過20多年的發展，我國固體燃料成型技術已經取得了顯著的成就，但是與國外先進的成型技術相比還有一定的差距。其原因主要有兩個：一是長期以來，我國可再生能源缺乏明確的發展目標，對可再生能源的技術、資金的投入較少，使得我國在成型燃料發展的技術上發展較慢；二是技術研發能力、設備制造能力弱，技術和設備較多依靠進口。同時，可再生能源資源評價、技術標準、產品檢測、認證體系不完善，沒有形成支撐可再生能源產業發展的技術服務體系。
4我國成型燃料的發展前景
目前，隨著化石能源的不斷消耗，環境不斷惡化，已引起世界各國的廣泛關注。開發清潔的可再生能源成為解決能源危機和環境污染的重要途徑。生物質能源具有良好的穩定性和儲能性，具有能源替代、減排環保和促進農村經濟三重功能。因此，許多國家把生物質能源作為21世紀科技發展的戰略重點。中國科學院生物質資源領域戰略研究組在中國至2050年生物質資源科技發展路線圖中指出，實現中國由生物質資源大國向生物質資源強國及生物經濟強國的根本轉變是未來我國生物質科技發展的總體目標。
為減少我國對化石能源進口的依賴和對環境造成的不利影響，以及維持我國經濟可持續發展所需的能源供應，我國也加大了對生物質能源的發展力度。目前，我國正在加快推進新農村建設，解決偏遠地區的能源供應和環境問題成為首要任務。由于我國農村地區生物質資源豐富，農民對生物質資源的不合理利用給當地的環境帶來了極大的破壞，也浪費了巨大的生物質資源。為此，解決農村能源供應及環境問題就需要我國政府加大力度對農村生物質能源的利用。
其中，發展生物質成型技術是一條行之有效的途徑，尤其是在當今農民工就業困難的時候，發展生物質成型技術意義就顯得十分重要。目前，我國正在加大對綠色能源示范縣的建設。“十二五”期間，我國已明確要興建200個綠色能源示范縣來推動實現“十二五”提出的“到2020年我國生物質成型燃料年利用量達到5000萬t”的發展目標。早在哥本哈根聯合國氣候變化大會召開前，國務院就宣布，以2005年為基期，到2020年，我國的單位國內生產總值二氧化碳排放要消減40%~45%的目標。
這一系列舉措對發展我國成型燃料產業都將起到極大的推動作用。另外，隨著我國逐漸擺脫貧困、走向富裕，城鄉工業及生活對能源需求的不斷增加，以及我國私人機動車保有量以平均每5年翻一番還多的數量發展，我國將面臨嚴重的能源短缺問題。為此，發展清潔而又高效的生物質能源，尤其是生物質成型燃料的發展勢在必行，而且具有十分廣闊的發展前景。 |
